試析單片機(jī)課程在計(jì)算機(jī)專業(yè)中的教學(xué)

【摘要】由于單片機(jī)技術(shù)在當(dāng)代社會中的廣泛應(yīng)用，單片機(jī)原理與應(yīng)用課程已被各技工院校的電子、機(jī)電、計(jì)算機(jī)等專業(yè)列為其中一門專業(yè)課。該課程是一門綜合性、實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)課，內(nèi)容涉及單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和軟件控制。因此，要讓學(xué)生學(xué)好這門課程，教學(xué)方法很重要。但不同專業(yè)對該課程的需求有所不同，教學(xué)重點(diǎn)與方法也就必定有所差異，本文主要是針對單片機(jī)在計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中教學(xué)方法的探討。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；計(jì)算機(jī)應(yīng)用；教學(xué)方法

單片機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與信號處理、計(jì)量測試與自動控制等技術(shù)中至關(guān)重要的一項(xiàng)新興技術(shù)。同時(shí)，作為一種典型的嵌入式系統(tǒng)，它在工業(yè)控制、通信、日常生活等領(lǐng)域也都得到了廣泛的應(yīng)用。因此，國內(nèi)各技工院校的電氣自動化、機(jī)電一體化、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等專業(yè)都開設(shè)了單片機(jī)原理與應(yīng)用課程。而對于計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生而言，學(xué)好單片機(jī)課程能幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)其他相關(guān)專業(yè)知識，為此，筆者開始探索單片機(jī)課程在計(jì)算機(jī)專業(yè)中的教學(xué)教法。

1.單片機(jī)課程在計(jì)算機(jī)專業(yè)與電類專業(yè)中定位的不同

在我校計(jì)算機(jī)專業(yè)，雖然單片機(jī)原理與應(yīng)用是學(xué)生的一門專業(yè)選修課。但對于計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來說，即使暫時(shí)沒有從事單片機(jī)的應(yīng)用與開發(fā)，學(xué)習(xí)單片機(jī)也有很重要的意義。一方面為將可能從事該方面的工作打下基礎(chǔ)；另一方面，由于單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個種類，可以把它作為微型計(jì)算機(jī)的一個簡化模型來看待，學(xué)習(xí)單片機(jī)可以加深對微型計(jì)算機(jī)工作原理的理解，更加清楚計(jì)算機(jī)的脈絡(luò)。同時(shí)這門課又是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。其實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)不僅僅是對理論教學(xué)的深化和補(bǔ)充，而且對培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識，解決實(shí)際問題的能力，也起著非常重要的作用。因此，在計(jì)算機(jī)專業(yè)開設(shè)單片機(jī)課程是非常必要的，但教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)與層次、教學(xué)方式等應(yīng)跟電類學(xué)生有較大區(qū)別。

電類專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)該門課程之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了電工基礎(chǔ)、數(shù)字電路、常用電工儀表測量等基礎(chǔ)課程，不僅掌握了單片機(jī)一些基本外圍電路的原理與應(yīng)用，同時(shí)也具備了一定的焊接基礎(chǔ)與常用儀表儀器的使用方法。學(xué)習(xí)單片機(jī)課程主要的目的是將這些基礎(chǔ)知識與單片機(jī)芯片進(jìn)行連接調(diào)試，實(shí)現(xiàn)智能化控制。因此，針對電類專業(yè)學(xué)生主要是培養(yǎng)他們根據(jù)項(xiàng)目需求設(shè)計(jì)硬件電路、軟件編程與及整體調(diào)試的綜合能力。而對于計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，這一定位顯然過高，是他們難以達(dá)到的層次。相對應(yīng)的，根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)我們采用的教學(xué)方式也就不一樣。

2.計(jì)算機(jī)專業(yè)中單片機(jī)課程教學(xué)方式的選擇

我們希望計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生能學(xué)習(xí)一定的理論知識，對微型計(jì)算機(jī)的工作原理有一個更深的理解，但傳統(tǒng)的“實(shí)驗(yàn)箱”教學(xué)方式根本無法實(shí)現(xiàn)這一學(xué)習(xí)效果。因?yàn)椤皢纹瑱C(jī)試驗(yàn)箱”采用了集成化的封裝，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試時(shí)，只需要進(jìn)行簡單的按鈕撥動與接線即可完成外圍電路的設(shè)計(jì)，在這個過程中學(xué)生無需對單片機(jī)技術(shù)中的電路原理、程序運(yùn)行過程等進(jìn)行思考。因此，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過后仍無法真正了解單片機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，更談不上應(yīng)用。

另一方面，我們又必須考慮到單片機(jī)硬件電路的設(shè)計(jì)需要經(jīng)過電路設(shè)計(jì)、焊接、測試等環(huán)節(jié)，而且根據(jù)設(shè)計(jì)的內(nèi)容還需用到示波器、信號源、頻率特性測試儀等儀器。要完成一項(xiàng)單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，不僅需提供設(shè)備支持，還要求設(shè)計(jì)者本身具備一定的專業(yè)知識與實(shí)操技能。而這些，都是計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生所缺乏的。因此，跟據(jù)學(xué)生特點(diǎn)、專業(yè)需求及學(xué)校實(shí)際情況。我校計(jì)算機(jī)專業(yè)的單片機(jī)采用了Proteus軟件仿真教學(xué)為主、開放式實(shí)驗(yàn)室為輔的教學(xué)方式。

3.基于Proteus仿真教學(xué)為主的教學(xué)模式

Proteus軟件由ISIS和ARES 2個軟件構(gòu)成，其中，ISIS是原理圖編輯與仿真軟件，ARES是布線編輯軟件。

在這里我們主要用到的是ISIS軟件，ISIS軟件的主要特性有：

（1）支持大量的存儲器和外圍接口元器件。Proteus軟件提供了30多個元件庫，數(shù)千種元件。元件涉及到數(shù)字和模擬，交流和直流等。這樣學(xué)生就不需要局限于實(shí)驗(yàn)室中僅有的元器件，在電路設(shè)計(jì)中可以有更多的選擇方案。

（2）具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。學(xué)生可根據(jù)任務(wù)需求設(shè)計(jì)電路原理圖并在軟件上進(jìn)行繪圖。ISIS的智能化程度很高，具有實(shí)時(shí)捕捉和自動布線（Toggle Wire Autorouter）功能。

（3）可以仿真、分析各種模擬器件和集成電路。在Proteus繪制好原理圖后，調(diào)入已編譯好的目標(biāo)代碼文件：*.hex，可以在Proteus在原理圖中看到模擬的實(shí)物運(yùn)行狀態(tài)和過程。可以實(shí)時(shí)觀察各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)。

（4）提供豐富的虛擬儀器。Proteus可提供示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、信號發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表等。同一種儀器可以在一個電路上隨意的調(diào)用。這些儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，盡可能地減少了儀器對測量結(jié)果的影響。

基于Proteus軟件以上特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)專業(yè)的單片機(jī)教學(xué)主要采用仿真教學(xué)為主，其教學(xué)流程如下：

（1）學(xué)生根據(jù)提供硬件電路圖，調(diào)用元器件并進(jìn)行連線，在軟件上進(jìn)行原理圖的繪制。

學(xué)生根據(jù)提供的程序，在軟件上進(jìn)行程序編寫、編譯。

（3）分析已知的軟硬件條件，操作軟件，調(diào)用相關(guān)的虛擬儀器，進(jìn)行模擬仿真。

學(xué)生觀察存儲器等各參數(shù)，對已實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行描述。

（5）學(xué)生理解單片機(jī)運(yùn)行過程后，舉一反三，對任務(wù)的硬件或軟件進(jìn)行修改，完成老師布置的作業(yè)。

通過如此學(xué)習(xí)，學(xué)生雖因電路知識的欠缺以及學(xué)校實(shí)訓(xùn)場地設(shè)備的限制不能動手制作實(shí)物，但還是能通過模仿實(shí)物這一流程和觀察各寄存器數(shù)據(jù)的變化來學(xué)習(xí)單片機(jī)芯片的原理結(jié)構(gòu)，進(jìn)而更好地學(xué)習(xí)微型計(jì)算機(jī)。

4.開放式的電子實(shí)訓(xùn)室為輔，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生興趣

開放式的電子實(shí)訓(xùn)室是在學(xué)生完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之后視學(xué)生對知識點(diǎn)掌握程度不同而開設(shè)的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。盡管是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生，但對于部分學(xué)習(xí)能力較好或在單片機(jī)方面有較大興趣的同學(xué)，他們也可能不僅僅滿足于仿真，希望能將自己仿真成功的單片機(jī)系統(tǒng)做成實(shí)物。為了讓這部分同學(xué)有充分的學(xué)習(xí)機(jī)會，體驗(yàn)學(xué)習(xí)帶給他們的成就感，進(jìn)一步激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。我們開放電子實(shí)訓(xùn)室，學(xué)生只要提前預(yù)約，實(shí)驗(yàn)室在沒有教學(xué)安排的情況下，學(xué)生可以一人或組隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室完成基礎(chǔ)小實(shí)驗(yàn)的硬件電路焊接，并利用實(shí)驗(yàn)室的儀表儀器進(jìn)行調(diào)試。

在此基礎(chǔ)上，我們也提倡學(xué)生自選小課題、小制作進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，經(jīng)過老師審核，實(shí)驗(yàn)室可提供學(xué)生自選課題中所需的電子元器件。開放實(shí)驗(yàn)室能更有效的培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考和獨(dú)立制作的能力，尊重學(xué)生的個性發(fā)展，開發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生對電子制作和微機(jī)應(yīng)用的愛好和興趣，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

5.兩種方式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)較好教學(xué)效果。

利用Proteus仿真軟件實(shí)現(xiàn)的仿真教學(xué)作為主要的教學(xué)方式，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)方法的不足，仿真的形象、生動、過程跟蹤、結(jié)果顯示等特性，達(dá)到師生互動，理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，起到較好的教學(xué)效果，同時(shí)，又可以降低計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生因缺乏電類知識對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備與元器件造成的過多損耗。

而開放式實(shí)驗(yàn)室主要是面向?qū)W有余力的同學(xué)，他們在實(shí)物調(diào)試過程中，也可以充分體現(xiàn)到仿真軟件帶來的方便，對課堂教學(xué)也將起到積極的促進(jìn)作用。單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)物的實(shí)現(xiàn)，不僅鍛煉了他們的動手能力，功能實(shí)現(xiàn)所帶來的成就感也將進(jìn)一步激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，吸引他們更加努力學(xué)習(xí)單片機(jī)課程。

參考文獻(xiàn)

[1]袁鋒偉，趙立宏，朱惠玲等.基于Proteus的單片機(jī)課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007，26（12）：75-78.

[2]蔣輝平，周國雄.基于Proteus的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[J].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3]董晉松.Proteus在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008.

[4]喬建華，張臨生，田起川.Proteus在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用分析[J].山西技術(shù)，2008（6）.