單片機實踐教學(xué)改革的研究與應(yīng)用

張 瑩 陽璞瓊 吳 煒 胡玉蓉

1.南華大學(xué)機械工程學(xué)院 湖南衡陽 421001

2.南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 湖南衡陽 421001

單片機原理及應(yīng)用課程是高校計算機、自動化、測控技術(shù)及機械等專業(yè)的一門必修課程。該課程具有很強的理論性與實踐性，在實際教學(xué)過程中，必須將理論教學(xué)與實踐教學(xué)緊密結(jié)合，才能使學(xué)生真正掌握單片機的基礎(chǔ)知識并靈活運用于生產(chǎn)實踐。

1 單片機實踐教學(xué)的現(xiàn)狀

目前，高等學(xué)校單片機實驗室存在的主要問題是教學(xué)內(nèi)容不足和教學(xué)手段落后[1]。驗證性實驗成了單片機的主要實驗類型，實驗過程中所用的編程語言為匯編語言。驗證性實驗的定位是學(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)書來操作。實驗指導(dǎo)書上有實驗內(nèi)容、實驗原理、程序流程圖和硬件接線。由于實驗課時有限，教師只能簡單地講授一下實驗的基本思路和操作方法，導(dǎo)致學(xué)生在整個實驗過程中具有一定的盲目性。學(xué)生也沒有循序漸進地去思考實驗的意義，只是跟著做了一遍，嚴(yán)重影響了實驗教學(xué)效果。這樣對學(xué)生有三方面不利的影響。(1)學(xué)生缺乏對硬件的認(rèn)識，因為實驗箱的構(gòu)造是模塊化，學(xué)生看不到內(nèi)部真正的結(jié)構(gòu)。(2)學(xué)生的動手能力以及綜合應(yīng)用能力沒有得到提高。(3)學(xué)生在校期間學(xué)習(xí)的單片機知識和社會需求有一定差距。因為現(xiàn)在社會上使用的單片機編程都是C語言，而學(xué)生仍然使用匯編語言。

2 單片機實踐教學(xué)內(nèi)容與方法的改革

2.1 項目導(dǎo)向代替知識體系導(dǎo)向

對單片機應(yīng)用系統(tǒng)進行基本的開發(fā)是單片機課程教學(xué)的目的。大部分高校單片機課程教學(xué)大綱都要求幾十個學(xué)時的理論學(xué)習(xí)和若干學(xué)時的實驗，但是教學(xué)效果不理想。教師使用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，在教學(xué)中以知識體系為導(dǎo)向。而單片機課程的特殊性在于它與實踐聯(lián)系非常緊密，并且包含多門課程的知識，教師和學(xué)生都覺得比較難掌握。經(jīng)過探索與研究，我們對這門課開展項目導(dǎo)向教學(xué)法。學(xué)生在教師指導(dǎo)下親自操控項目的全過程，在這一過程中學(xué)習(xí)掌握教學(xué)大綱的內(nèi)容。學(xué)生全部或部分獨立組織、安排學(xué)習(xí)行為，解決項目實施中遇到的困難。提高了學(xué)生的興趣，自然能調(diào)動學(xué)習(xí)的積極性。因此，項目導(dǎo)向教學(xué)法是一種典型以學(xué)生為中心的教學(xué)方法，不再把將教師所掌握的知識技能傳遞給學(xué)生作為追求的目標(biāo)，或者說不是簡單地讓學(xué)生按照教師的安排和講授去得到一個結(jié)果，而是在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生去尋找得到這個結(jié)果的途徑，最終得到結(jié)果，并進行展示和自我評價，學(xué)習(xí)的重點在于學(xué)習(xí)過程而非學(xué)習(xí)結(jié)果，他們在這個過程中鍛煉了各種能力。教師已經(jīng)不在教學(xué)中占主導(dǎo)地位，而是成為學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的引導(dǎo)者、指導(dǎo)者和監(jiān)督者，學(xué)生具有很高的積極性。

在單片機的實踐教學(xué)中，以項目需求導(dǎo)入相關(guān)知識點，以電子產(chǎn)品設(shè)計作為任務(wù)，在任務(wù)實施過程中掌握課程所需的應(yīng)用技能和知識點。學(xué)生在項目實踐過程中，理解和把握課程所要求的知識和技能，體驗創(chuàng)新的艱辛與樂趣，培養(yǎng)分析問題和解決問題的思維和方法。

2.1.1 項目的選取

將項目導(dǎo)向教學(xué)法引入到單片機課程中，關(guān)鍵之處是項目的設(shè)計。項目設(shè)計是否合理將直接影響到教學(xué)效果[2]。教師在設(shè)計項目時，應(yīng)緊扣教學(xué)大綱并且結(jié)合實際應(yīng)用，以提高學(xué)生的能力為目標(biāo)。教師應(yīng)從實用性、可行性、綜合性3個方面來考慮。項目應(yīng)注意理論與實際緊密聯(lián)系，選擇學(xué)生感興趣的題目，難度也不宜過高。

交通燈、密碼鎖、雙機通訊實驗、搶答器、萬年歷、頻率計、電機控制、電子屏顯示、溫度壓力計等設(shè)計都是單片機實驗室必做的項目。這些項目將單片機的理論知識和實際應(yīng)用聯(lián)系起來，難度適中。項目從簡單到復(fù)雜、難度從小到大，引起學(xué)生的興趣。學(xué)生經(jīng)過對項目的認(rèn)真學(xué)習(xí)，能獨立設(shè)計小型的測控系統(tǒng)，而且建立了基本的系統(tǒng)綜合概念。

2.1.2 項目的實施

圖1 項目流程圖

在實施單片機項目時，4名學(xué)生1個組，根據(jù)教師下達的任務(wù)書來完成項目。每人的分工不同。1名學(xué)生負責(zé)設(shè)計機械本體、2名負責(zé)系統(tǒng)硬件設(shè)計、1名負責(zé)軟件設(shè)計，最后大家一起進行系統(tǒng)的搭建與調(diào)試。在項目實施的整個過程中，小組成員能夠齊心協(xié)力，互相配合，完成整個項目，最后還要寫出完整的項目設(shè)計報告。圖1為項目流程。

2.1.3 項目的評估總結(jié)

在項目導(dǎo)向教學(xué)法中，項目評估總結(jié)是非常重要的環(huán)節(jié)[3]。項目的評估總結(jié)實質(zhì)是對學(xué)生完成的項目進行評價，以完成項目的質(zhì)量為主，但是在打分時也考慮實施過程和項目的設(shè)計報告，并且對有創(chuàng)新點的學(xué)生進行加分。首先學(xué)生進行自我評估，然后再是教師對整個項目進行評估。教師在評估中要指出學(xué)生的問題，先讓學(xué)生自己針對問題進行改進。如果學(xué)生沒辦法改進，教師再提出解決的辦法。最后，教師和參與項目的各組學(xué)生一起進行總結(jié)和討論，比較其他組方案和自己組方案的不同之處。學(xué)生和教師的能力均會在評估總結(jié)中得到提高。

2.2 虛擬實踐與實際硬件實踐相結(jié)合

圖2 基于Proteus的密碼鎖設(shè)計

Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司研發(fā)的EDA軟件。Proteus軟件不僅是模擬電路、數(shù)字電路、模/數(shù)混合電路的設(shè)計與仿真平臺，更是目前世界上最先進、最完整的單片機系統(tǒng)設(shè)計與仿真平臺。它真正實現(xiàn)了在計算機上完成從原理圖設(shè)計、電路分析與仿真、單片機代碼級調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測試與功能驗證到形成PCB完整的電子設(shè)計、研發(fā)過程。Proteus軟件支持外圍數(shù)電/模電與處理器的協(xié)同仿真，真正實現(xiàn)了虛擬物理原型功能，在目標(biāo)板還沒有投產(chǎn)前，就可以對設(shè)計的硬件系統(tǒng)功能、合理性和性能指標(biāo)進行充分調(diào)整，并可以在沒有物理目標(biāo)板的情況下，進行相應(yīng)軟件的開發(fā)和調(diào)試，進行完全的虛擬開發(fā)，明顯提高開發(fā)效率，降低開發(fā)風(fēng)險。教師在實驗室采用Proteus仿真軟件進行虛擬單片機實驗，優(yōu)點立即顯現(xiàn)出來，教師不必根據(jù)實驗箱來制訂實驗內(nèi)容。這就大大擴展了項目的范圍，而且利用Proteus軟件，必須自己進行硬件接線。學(xué)生必須對硬件非常熟悉，需要自己上網(wǎng)或者去書本中搜索芯片資料，鍛煉了學(xué)生查找文獻的能力，同時知識也得到了更新，不局限于書本中所講的有限芯片數(shù)。只要有電腦，用Proteus軟件隨時隨地都可以進行仿真。在調(diào)試好系統(tǒng)之后，再來進行實際的制版操作，則浪費的芯片數(shù)也降到了最低，使實驗室硬件投入得到減小[4]。Proteus軟件在仿真時，可以顯現(xiàn)出單片機引腳的高低，擴展了芯片，則顯現(xiàn)出芯片的地址等，這些優(yōu)勢是實驗箱無法做到的。圖2是基于Proteus軟件做的密碼鎖設(shè)計。

3 結(jié)束語

實踐教學(xué)在單片機教學(xué)中占有十分重要的地位，不斷改革和探索實踐教學(xué)的目的是為了提高單片機教學(xué)質(zhì)量。實踐表明：以項目開發(fā)過程為切入點，把虛擬與仿真技術(shù)引入單片機實踐教學(xué)，這種創(chuàng)新實踐教學(xué)模式使學(xué)生在項目實踐過程中，理解和把握了知識與技能，體驗了創(chuàng)新的艱辛與樂趣，培養(yǎng)了分析問題和解決問題的能力及團隊合作精神。

[1]楊艷,董秀潔,程東旭.關(guān)于單片機實驗室教學(xué)改革的幾點思考[J].中國教育技術(shù)裝備,2010,36(12):134-135.

[2]唐緯.基于“項目驅(qū)動”的單片機類課程實踐教學(xué)改革[J].實驗室研究與探索,2010,29(5):130-132.

[3]貢雪梅.項目教學(xué)法在單片機原理課程設(shè)計中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2009,26(7):115-116.

[4]劉萌,鄭煊.基于Proteus的單片機虛擬實驗室的構(gòu)建[J].山東教育學(xué)院學(xué)報,2009(6):106-108.