基于卓越工程師背景的單片機課程教學改革*

◆陳瑞祥 周根榮 姜平

作者：陳瑞祥，南通大學電氣工程學院講師，研究方向為單片機、嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)；周根榮、姜平，南通大學電氣工程學院（226019）。

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（簡稱“卓越計劃”）是一種以工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心的人才培養(yǎng)模式[1]。“卓越計劃”明確提出對工程類專業(yè)學生需要重視工程教育的實際訓練，由過去客觀存在的理論教學為主實踐為輔轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)理論與工程實踐能力并重。在“卓越計劃”指導(dǎo)下，高校的課程體系、教學思路、教學方法都需要做出很大改進。

單片機原理及應(yīng)用課程是電氣信息類專業(yè)中非常重要的一門專業(yè)課。但目前國內(nèi)多數(shù)高校這門課程的教學內(nèi)容和教學方法都比較傳統(tǒng)，無法滿足卓越工程師人才培養(yǎng)目標的需要。筆者根據(jù)多年的單片機教學經(jīng)驗，分析單片機課程教學現(xiàn)狀，提出自己的改革方法。

1 單片機課程的現(xiàn)狀

單片機原理及應(yīng)用作為工科院校相關(guān)專業(yè)重要的專業(yè)必修課，是集電子技術(shù)、計算機技術(shù)等多門技術(shù)于一身，具有很強工程背景的一門課程。學生首次接觸該課程，由于缺乏工程經(jīng)驗，感覺比較抽象，一時難以入門，從而對單片機失去學習興趣，甚至失去信心。造成這種局面主要在于傳統(tǒng)的教學方法存在不足。

傳統(tǒng)的單片機教學分為理論教學和實驗教學兩部分。課堂理論教學普遍按照絕大多數(shù)教材所安排的順序來安排教學內(nèi)容。從單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳、指令系統(tǒng)、匯編語言程序設(shè)計、功能模塊、存儲器擴展、鍵盤與顯示、I/O 接口擴展、A/D 和D/A 接口擴展，到最后的單片機應(yīng)用舉例，順序講解相關(guān)的概念、知識與應(yīng)用方法。尤其是前半部分，枯燥乏味，學生和實際根本聯(lián)系不起來，導(dǎo)致興趣缺失，直至失去學習單片機的信心。

實驗教學又分為課內(nèi)實驗和課程設(shè)計兩部分，但這兩部分實驗大都是以現(xiàn)有的實驗箱為平臺來完成的。由于實驗條件的限制，教師能安排的實驗和學生可以自主發(fā)揮的實驗都非常有限，大大限制了學生的自由發(fā)揮，缺乏主動性，更不要提創(chuàng)新性。

2 單片機教學改革

教學方式的改革，以項目教學為主線，充分利用多種現(xiàn)代教學手段，加強理論教學和實驗教學的融合，充分調(diào)動學生的學習興趣、主動性和創(chuàng)造性。

項目教學法項目教學法是通過實施一個完整的項目而進行的教學活動，其目的是在課堂教學中把理論教學與實踐教學有機地結(jié)合起來[2]。從項目出發(fā)，首先讓學生觀察項目實現(xiàn)的最終結(jié)果或現(xiàn)象，從而激發(fā)學生探究新知識的興趣。接著提出項目的具體要求，明確項目的最終目標，引導(dǎo)學生組織已學知識及相關(guān)的新知識去分析項目的每一個要求、提出項目設(shè)計方案。在這個過程中，教師插入講解新的知識，之后通過師生合作、不斷探求和討論來實現(xiàn)項目目標。最后對項目進行小結(jié)，幫助學生掌握和提高。

項目教學法讓學生變被動接受為主動探究，從學生的角度出發(fā)，利用有意思的項目調(diào)動其學習的積極性、主動性，開拓學生的思維、發(fā)揮學生的潛能。理論知識和實踐能力訓練相輔相成，在實踐過程中學習理論，既體現(xiàn)了教師的主導(dǎo)作用，又發(fā)揮了學生的主體地位，更體現(xiàn)了現(xiàn)代教育的教學模式與特征[3]。

項目教學法實施的關(guān)鍵是教學項目的選取。根據(jù)單片機課程大綱的要求，選取符合課程要求的項目，選擇的項目要有實際意義，日常生活中有應(yīng)用體現(xiàn)，學生不覺得枯燥，學習有興趣和動力。如果所選項目有延續(xù)性，項目之間有層次，有遞進關(guān)系，或是一個大項目的幾個子項目，那效果將會更好。安排教學項目要簡單容易，便于課堂實施，能自然引出新的相關(guān)知識點，使單片機教學環(huán)環(huán)相扣，最終系統(tǒng)地講授單片機的知識體系。學生也能從中學到單片機開發(fā)過程中的每個環(huán)節(jié)，體會單片機的應(yīng)用方式方法，感受單片機應(yīng)用的樂趣。

現(xiàn)代教學手段的使用由于教學經(jīng)費的限制，不可能把每一個教學項目都讓學生制成PCB 硬件電路板來完成每一個項目。因此，可以充分利用現(xiàn)代教學手段來模擬實施每一個項目。

Keil 和Proteus 是兩款優(yōu)秀的單片機仿真調(diào)式軟件，在教育經(jīng)費有限的情況下，可以彌補傳統(tǒng)教學方法存在的不足，大大增強課堂教學效果[4]。Keil 可以用來軟件仿真，而Proteus 可以用來硬件仿真。值得慶幸的是，這兩款軟件不僅可以單獨使用，還可以聯(lián)合仿真。只要安裝一個聯(lián)合仿真的插件，通過相關(guān)的設(shè)置就完成完美的軟硬件仿真。具體的設(shè)置步驟如下。

1）下載和復(fù)制文件。在網(wǎng)上下載VDM51.dll 文件，并分別復(fù)制到Proteus 的安裝目錄下和Keil 安裝目錄下的C51BIN 目錄中。

2）修改Keil 的初始化配置文件。打開TOOLS.INI 文件，在[C51]欄目下加入“TDRV5=BINVDM51.DLL(Proteus VSM Monitor-51 Driver)”，TDRV后面的數(shù)字根據(jù)實際情況而定。

3）Keil 的設(shè)置。①選擇硬件仿真，并使用Proteus VSM Monitor-51 Driver。此設(shè)置可在“Project 菜單/Options for Target”選項中找到。②進入setting 設(shè)置通信接口，如果在同一臺電腦上，IP 設(shè)為127.0.0.1，端口為8000。如果把IP 地址改成其他電腦的IP，可實現(xiàn)Keil 與另一臺電腦上的Proteus 進行遠程聯(lián)合仿真。

4）Proteus的設(shè)置。在Proteus的DEBUG菜單中選擇“use remote debugger monitor”即可。

通過以上設(shè)置，就可以實現(xiàn)這兩個軟件的聯(lián)合仿真?？梢栽贙eil 中通過“單步”、設(shè)“斷點”等各種調(diào)試手動，在Proteus 中觀察每一步程序執(zhí)行的結(jié)構(gòu)，和調(diào)試硬件電路板一樣。

除了這兩個主要軟件之外，還可以把其他常用的調(diào)試軟件介紹給學生，比如“串口調(diào)試助手”，采用虛擬串口的形式，和Proteus 相連，來調(diào)試學習Uart 串口，可以得到形象直觀的效果，降低學生理解的難度。

此外，在教學過程中還可以充分利用PPT、視頻、網(wǎng)絡(luò)軟件在線答疑等多種現(xiàn)代教學手段為學生的學習服務(wù)。

工程實際訓練然而，在單片機的實際教學中，不能用虛擬的實驗環(huán)境來替代實際硬件電路。仿真軟件是在理想條件下進行工作的，在實際應(yīng)用中還會遇到很多新的問題，僅靠仿真軟件而完全拋棄具有實際工程背景的硬件電路設(shè)計與調(diào)試訓練是不可取的。只有將仿真結(jié)果應(yīng)用于具體電路系統(tǒng)，才能真正提升學生的軟硬件綜合開發(fā)能力[5]。

因此，保留傳統(tǒng)的課內(nèi)實驗和課程設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上加強學生的硬件訓練。南通大學用的單片機學習板如圖1所示，學生從原理圖的設(shè)計到PCB 制版、焊接調(diào)試全程參與，熟悉和掌握整個單片機開發(fā)流程?；诖藢W習板，學生可以完成I/O、鍵盤與顯示、A/D、D/A 等多個實驗。幾乎把每個教學項目都囊括進去，還增加了一些綜合項目，使學生的單片機能力得到進一步的提高和升華。

3 總結(jié)

單片機原理及應(yīng)用課程是電氣信息類專業(yè)培養(yǎng)卓越工程師的一門非常重要的專業(yè)課。筆者在教學工作中，以實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃為契機，積極將項目教學方法和多種現(xiàn)代教學手段有機地結(jié)合起來，對單片機課程進行教學改革與實踐，取得顯著的教學效果，為卓越工程師的培養(yǎng)奠定堅實的基礎(chǔ)。

[1]于立君,田凱,王輝.自動化專業(yè)卓越工程師人才培養(yǎng)模式探索:以HEU 為例分析[J].黑龍江教育學院學報,2013,32(3):22-23.

[2]葉愛芬.項目式教學在單片機教學中的應(yīng)用[J].科技信息,2010(16):102,105.

[3]楊波,肖杰.項目驅(qū)動模式在《單片機》課程教學中的應(yīng)用[J].湖南第一師范學院學報,2012,12(4):63-66．

[4]李紹平,彭志平.仿真實例教學法在單片機理論教學中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2012(3):67-69.

[5]喬建華,李臨生,田啟川.Proteus 在單片機教學中的應(yīng)用分析[J].電氣電子教學學報,2008,30(3):70-73．