《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程實踐教學(xué)方法研究

曹旭東 張少華

摘要：《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》單片機(jī)原理及應(yīng)用課程是一門應(yīng)用性和實踐性很強(qiáng)的專業(yè)課。在單片機(jī)課程的教學(xué)過程中，采用C語言和PROTEUS仿真軟件有機(jī)結(jié)合，通過工程設(shè)計實例，深化學(xué)生對知識點的理解。在實踐環(huán)節(jié)，通過綜合實踐、科技創(chuàng)新、電子競賽等形式，強(qiáng)化學(xué)生實踐創(chuàng)新能力，提高學(xué)生對單片機(jī)的實際應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：C+PROTEUS；科技創(chuàng)新；單片機(jī)綜合設(shè)計

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）30-0094-02

《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》課程是一門理論與實踐性均很強(qiáng)的學(xué)科，是工科電類專業(yè)一門很重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它將數(shù)字電路和模擬電路的基礎(chǔ)知識、匯編語言及C語言編程技術(shù)、通信原理和微處理器知識等綜合在一起，屬于技術(shù)性、工程性、實踐性很強(qiáng)的一門課程。

《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程的特點是涉及硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及知識面較廣，經(jīng)常涉及到電子技術(shù)基礎(chǔ)、電路原理及編程C語言等知識，因此，要想將課堂所學(xué)的單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用技術(shù)與所學(xué)知識有機(jī)融合，能夠在實踐中游刃有余地應(yīng)用，還需要反復(fù)的實際設(shè)計與實踐。針對《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程抽象難學(xué)，尤其難于應(yīng)用于實踐開發(fā)的現(xiàn)狀，我們在教學(xué)中注意做到理論聯(lián)系實際，將課堂教學(xué)與科研開發(fā)和科技創(chuàng)新緊密結(jié)合。

在課堂教學(xué)中，初期階段，采用C+PROTEUS的教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用C語言編寫應(yīng)用驅(qū)動程序，然后在PROTEUS環(huán)境下仿真運行，逐步理解和領(lǐng)會單片機(jī)的設(shè)計思路。在綜合應(yīng)用階段，通過引入實際工程應(yīng)用實例，接觸實際科研項目中設(shè)計開發(fā)產(chǎn)品，使學(xué)生了解所學(xué)知識的應(yīng)用價值，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，深化學(xué)生對知識點的理解。

在實踐環(huán)節(jié)，由專業(yè)課教師指導(dǎo)，學(xué)生設(shè)計為主，帶動學(xué)生自己設(shè)計單片機(jī)課程的實驗開發(fā)平臺，并在所設(shè)計的開發(fā)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增設(shè)大量綜合性、設(shè)計性實驗，啟發(fā)學(xué)生的思維，以提高學(xué)生綜合分析問題和解決問題的能力。同時，在大學(xué)生科技創(chuàng)新和各類電子設(shè)計競賽活動中，積極引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力。

通過上述各個環(huán)節(jié)，分層次、分階段，層層深入，真正在單片機(jī)課程教學(xué)中做到理論與實踐緊密結(jié)合，真正實現(xiàn)提高學(xué)生應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)解決實際問題能力，進(jìn)而探索一條在課程教學(xué)中如何提高大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的可行之路。

一、改革教學(xué)環(huán)節(jié)

1.初期的課堂教學(xué)中，將C語言與PROTEUS軟件有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生對單片機(jī)的實際應(yīng)用能力。從目前單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用層面上看，對單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)一般采用C語言完成，因此，在課堂教學(xué)中強(qiáng)化推廣采用C語言進(jìn)行編程設(shè)計的技術(shù)，并逐步取代原來采用匯編語言進(jìn)行設(shè)計的模式。從而，提高學(xué)生對單片機(jī)技術(shù)的實際應(yīng)用水平。PROTEUS軟件是一種近年來逐漸流行的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的專業(yè)仿真軟件，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周邊設(shè)備的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件庫，有RAM、ROM、鍵盤、馬達(dá)、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，編譯方面支持Keil和MPLAB等編譯器。在單片機(jī)教學(xué)初期，采用C語言+PROTEUS仿真的教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用C語言編寫應(yīng)用驅(qū)動程序，然后在PROTEUS環(huán)境下，繪制原理圖并仿真運行，觀察設(shè)計效果是否正確，發(fā)現(xiàn)問題在修正編寫的C語言程序，如此反復(fù)，逐步提高學(xué)生控制單片機(jī)和設(shè)計單片機(jī)系統(tǒng)的能力。

2.綜合應(yīng)用階段，通過工程設(shè)計實例，深化學(xué)生對知識點的理解。作為多年從事單片機(jī)課程教學(xué)的教師，具備多年來單片機(jī)開發(fā)與實踐的工作經(jīng)驗，在應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行智能儀器儀表開發(fā)上有許多成功的設(shè)計項目，如基于單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的大慶油田的井地電位成像監(jiān)測系統(tǒng)、開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計、過套管電阻率測量儀開發(fā)設(shè)計等等，都是應(yīng)用單片機(jī)處理器進(jìn)行設(shè)計的，在課堂教學(xué)中，結(jié)合上述實際開發(fā)項目，講述單片機(jī)的設(shè)計及應(yīng)用技術(shù)，使學(xué)生直接接觸實際科研項目中設(shè)計開發(fā)產(chǎn)品，深化學(xué)生對知識點的理解，認(rèn)識到所學(xué)知識的應(yīng)用價值，從而，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生思維。以單片機(jī)中應(yīng)用IO端口控制數(shù)據(jù)采集芯片為例：模數(shù)轉(zhuǎn)換器是實際工程應(yīng)用中較為常用的一種數(shù)據(jù)采集芯片，目前，主流的控制數(shù)據(jù)采集芯片的技術(shù)是通過單片機(jī)IO引腳控制方式實現(xiàn)，通過單片機(jī)的引腳模擬數(shù)據(jù)采集芯片的工作時序，再通過C語言編程，完成對數(shù)據(jù)采集芯片的控制。在學(xué)習(xí)中，學(xué)生對于模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的工作時序圖始終感到很抽象，因此，在編程設(shè)計上往往不知從何入手。我們在教學(xué)中，結(jié)合橫向科研項目“過套管數(shù)據(jù)采集”中數(shù)據(jù)采集，通過實物演示、數(shù)據(jù)讀取實際設(shè)計案例講解，從工程數(shù)據(jù)采集需求，到硬件電路設(shè)計原理，以及最終程序上的編程實現(xiàn)，在講解中，學(xué)生不僅了解了數(shù)據(jù)采集芯片的工作時序邏輯，而且也能夠獨立應(yīng)用單片機(jī)IO端口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集接口的設(shè)計。

二、改革實踐環(huán)節(jié)

1.在單片機(jī)課程實驗內(nèi)容上更多增設(shè)綜合性、設(shè)計性實驗，提高系統(tǒng)設(shè)計能力。由專業(yè)課教師指導(dǎo)，學(xué)生設(shè)計為主，更多增設(shè)綜合性、設(shè)計性實驗，以提高學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計能力。預(yù)計增加設(shè)計性、綜合性實驗：8_8LED點陣掃描輸出實驗、直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)調(diào)速實驗、基于I2C通信接口的數(shù)據(jù)采集顯示實驗和基于串行通信接口的智能遠(yuǎn)程數(shù)字鐘實驗等。通過大量綜合性設(shè)計性實驗，要求學(xué)生自行設(shè)計電路，編寫驅(qū)動控制程序，不僅可以幫助學(xué)生加深對單片機(jī)知識結(jié)構(gòu)的理解，而且可以提高基于單片機(jī)處理器的系統(tǒng)設(shè)計能力，培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力、學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新精神。

2.強(qiáng)化單片機(jī)綜合課程設(shè)計環(huán)節(jié)，提高應(yīng)用單片機(jī)綜合設(shè)計能力。在完成單片機(jī)基本課程及實踐基礎(chǔ)上，對機(jī)電、自動化、儀器類專業(yè)應(yīng)強(qiáng)化安排綜合課程設(shè)計，以課題項目的形式要求學(xué)生組隊共同完成，采取開放式管理的模式，在2～4周內(nèi)，首先運用所學(xué)電子技術(shù)基礎(chǔ)知識，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料、電子線路參考設(shè)計手冊、電子元器件手冊，進(jìn)行電路設(shè)計、程序編制，在設(shè)計過程中，鍛煉自己熟練掌握和使用先進(jìn)的計算機(jī)電路仿真軟件工具，提高設(shè)計效率；其次進(jìn)行電子市場調(diào)研、購買相應(yīng)元器件，完成電路設(shè)計制作、功能調(diào)試、參數(shù)測定、寫出設(shè)計總結(jié)報告；最后由教師組織全班進(jìn)行設(shè)計交流、現(xiàn)場功能演示和提問答辯，同時教師完成每組的成績評定和設(shè)計總結(jié)，為下次的課程設(shè)計提出合理化建議。在課程設(shè)計的選題上，發(fā)揮廣大教師的積極參與，不斷對課程設(shè)計的題目進(jìn)行更新，修改課程設(shè)計的內(nèi)容，增加設(shè)計性、綜合性設(shè)計內(nèi)容。目前，開設(shè)的新增加的課程設(shè)計題目包括：模擬交通信號燈控制系統(tǒng)；基于P89C51RD2單片機(jī)數(shù)據(jù)采集板卡設(shè)計實現(xiàn)；基于凌陽單片機(jī)的音樂播放器設(shè)計開發(fā)實例；公交語音報站播放器設(shè)計；簡單計算器設(shè)計實現(xiàn)；通過大量新穎的具有高技術(shù)含量的綜合設(shè)計，充分調(diào)動學(xué)生的熱情，讓學(xué)生從實驗中既學(xué)到知識，由學(xué)會探索問題進(jìn)而解決問題，發(fā)揮潛能，提高創(chuàng)造能力。

3.積極引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用于大學(xué)生科技創(chuàng)新和各類電子設(shè)計競賽活動。單片機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的主流技術(shù)，在科技創(chuàng)新和電子設(shè)計競賽中應(yīng)用這些技術(shù)，往往有事半功倍的效果。鼓勵單片機(jī)課程學(xué)習(xí)好的同學(xué)積極參與科技創(chuàng)新和電子競賽，應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行相關(guān)項目和題目的設(shè)計，以2013年為例，我校學(xué)生參加北京市電子設(shè)計競賽，設(shè)計中采用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，獲得二等獎2項、三等獎3項，為學(xué)校爭光。通過學(xué)生間影響，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)的熱情，形成一個較好的學(xué)習(xí)氛圍。

三、結(jié)束語

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程是一門應(yīng)用性和實踐性很強(qiáng)的專業(yè)課，把握課程特點，了解學(xué)生理解上的薄弱環(huán)節(jié)，通過課堂教學(xué)和實驗環(huán)節(jié)的改革與創(chuàng)新，各個環(huán)節(jié)，分層次、分階段，層層深入，真正在單片機(jī)課程教學(xué)中做到理論與實踐緊密結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，將單片機(jī)課程教學(xué)中所亟待解決的提高學(xué)生應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)解決實際問題能力落到實處，進(jìn)而，使學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合實踐能力得到提高。

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