基于信息化環(huán)境的單片機課程的教學方法探討

梁美麗，程靜濤，尹禮壽

(1.山西輕工職業(yè)技術學院，山西 太原 030013；2.太原工業(yè)學院，山西 太原 030008)

教育部[2018]2號文件中第11條提出推動課堂教學革命，24條提出重塑教學形態(tài)。教育部高等教育司司長吳巖透漏到2022年將建設國家和省級兩萬門“金課”。高職高專學生入學成績普遍偏低，基礎文化知識比較薄弱。他們的學習主動性自覺性不足學習習慣也不好，如果代課老師在授課過程中以單一的講授方式教學，往往學生抱怨聽不懂，老師抱怨自己在唱獨角戲，最終一堂課下來師生互動較少，教學效果也不理想。本文以單片機課程為例, 把虛擬仿真軟件作為單片機教學的工具，在此基礎上增加了線上討論互評環(huán)節(jié)，線下輔助等教學手段，此方法突破了傳統(tǒng)教學方式存在的弊端，將理論、仿真，實踐與應用相結合，以項目為單位，以學生為主體，充分發(fā)揮學生在學習中的主觀能動性，調動了他們的學習欲望和學習熱情，改善了課堂氣氛，改變了教學主體。

1 單片機課程教學現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的單片機技術課程教學主要存在以下幾個方面的問題：

(1)單片機教學分為硬件設計和軟件開發(fā)兩大部分內容。在課程規(guī)劃中講授單片機技術前應開設模擬電子技術，數(shù)字電子技術，計算機基礎等課程。有些孩子因為電子技術課程沒有學好，剛接觸單片機時硬件電路看不懂，語言知識也比較薄弱。面對單片機技術課程，他們覺得那是一本天書，對課程學習沒有信心。而單片機老師在教學中按部就班，首先系統(tǒng)性的對基本原理進行詳細講解，文化基礎知識比較薄弱的學生思考無果，很容易失去學習的興趣和動力。教師往往覺得已經(jīng)講解的很透徹了，而學生卻怎么也想不明白是怎么回事。造成這種現(xiàn)象的根本原因是教師已經(jīng)具備一定的知識體系，而學生還未建立起自己的知識體系，在具體到個別差異，有的學生理解能力比較差，接受能力比較慢，授課老師對一些基礎知識沒有深入講解，老師認為水到渠成的東西學生卻無法理解過程是如何推導出結果的，教師講授完后學生處于一知半解的狀態(tài)。

(2)單片機技術課程課堂教學演示的效果不太理想。要完成一次課堂的教學演示老師一般要提前準備硬件設備，需要的時間比較長也比較繁瑣。課堂演示時，演示效果的好壞受各種現(xiàn)實條件的限制，不能充分達到教學目的。還有一些同學離老師的演示設備比較遠，無法清晰的看到一些參數(shù)的調整設置，故而放棄對課程的深入學習。

(3)單機片課程是一門實踐性很強的學科。單機片實驗實訓占有十分大的比重。傳統(tǒng)的實訓操作中,學生不熟悉實訓理論,比較容易出現(xiàn)誤操作,實驗設備較易損壞,部分院校由于資金限制,不能及時補充充足的耗材,在一定程度上阻礙了相關知識點的實驗進度。而且隨著大學擴招，高職高專的生源成績越來越低，有些同學基礎知識太差，對老師反復強調的注意事項聰耳不聞，若電路中需要接220V的電源時，學生的安全意識比較薄弱，實驗老師往往心力憔悴。

(4)實驗室內實驗設備數(shù)量、種類的不足，滿足不了人人動手的實驗教學需要，當幾人一組做實驗時，有些同學從頭到尾不參與實驗過程，跟著其他同學混數(shù)據(jù)。還有傳統(tǒng)的單片機實驗教學內容多以驗證性為主，設計性和開放性不多，對學生的自主意識及實際操作能力方面的培養(yǎng)有所欠缺。還有一部分同學只是照著老師的演示連接電路，并沒有完全理解相關知識點，只會死搬硬套，達不到實驗的最終目的。

(5)隨著生活方式越來越智能化,單機片的種類及性能也不斷增多,高校實驗室的建設不可能隨時更新設備。而且對于一些高職院校也沒有足夠的資金投入到實驗室的建設中,實驗設備較為落后的現(xiàn)象暫時無法解決,導致一些實訓無法操作。

2 學生學習現(xiàn)狀

隨著中國制造2025戰(zhàn)略規(guī)劃的實施，工業(yè)產品的智能化與信息化融合對人們的生活影響越來越明顯。物聯(lián)網(wǎng)，車聯(lián)網(wǎng)，嵌入式相關專業(yè)就業(yè)前景好，學生渴望從事其相關專業(yè)的工作，作為其基礎課程的單片機技術的講解尤為重要。一邊是枯燥繁雜的理論，另一邊是大學擴招的文化知識比較薄弱的學生水平，再加上學生沉迷于手機，主動學習的熱情和動力不足。如何吸引學生的注意力，引導學生主動學習，使學生不再沉迷于網(wǎng)絡游戲言情小說是教師值得探索的課題。提高教學的質量，培養(yǎng)學生的自信心，改進教學的方法，吸引學生的注意力，提高學生的參與度是教學活動的重點所在。對于綜合性強的工科課程，如單片機、嵌入式，怎樣突破傳統(tǒng)的教學模式，提升學生的學習動力，鍛煉學生的實踐動手和操作能力，是任課教師們不懈追求的目標。因此如何改進教學模式，怎么改，效果怎樣成為任課教師的研究重點。

3 在傳統(tǒng)的單片機編程課中引入Protues仿真軟件

虛擬仿真軟件 Proteus 是由英國Labcenter Electronics 公司于1989年開發(fā)的EDA 軟件，它不僅可以作為一個畫圖軟件，還可以實現(xiàn)硬件電路設計與仿真。Protues仿真軟件在單片機課程教學中的價值可以歸納為三個方面:一是提高了教學質量。傳統(tǒng)的理論講授教學方法,很容易使學生失去學習教材的信心。在單機片教學中中有效應用portues虛擬仿真軟件,學生可以較為直觀、生動、形象的電路演示效果，這樣更有助于學生吸收和理解相關知識點,激發(fā)學生的求知欲,引導學生主動探索的能力。portues虛擬仿真軟件支持各種主流單機片,可以滿足普通的教學需求。在虛擬實驗操作中學生可以通過虛擬儀器滿足電路設計，隨時調整單片機電路。二是提高了學生的設計電路板的效率和動手操作能力。一般實際的硬件電路理論構思上是可行的，但往往與實際電路會有出入。為了提高學生設計可行電路板的效率，可在焊接電路板之前將硬件電路在Protues仿真軟件中畫好，同時在KEIL軟件中編譯程序聯(lián)調。如果電路可行學生可以直接進入到下一步操作中。如果電路出現(xiàn)問題，學生可以在Protues仿真軟件中調出仿真器，從虛擬仿真軟件中找出電路的問題所在然后修改電路，這樣就避免了電路板焊接好后再修改電路。學生在設計、調試以及修改電路的過程中,為了解決電路中出現(xiàn)的問題會反思理論知識點之間的聯(lián)系，這個過程不僅鞏固了知識點而且提升了學生運用理論知識設計構思電路的能力。采用Proteus仿真軟件避免了真實操作不當而造成的儀器儀表的損壞，提高了真實實驗的效率。三是Proteus仿真軟件為學生隨時隨地學習電路提供了便利。學生只要有一臺電腦，就可以隨時在自己的PC上進行仿真。

4 在上述的教學中引入新的教學理念，改變以往的教學手段

手機是學生的必需品，上課時經(jīng)常有一些學生低頭玩手機，任何一個老師都不能保證學生在上課時不玩手機。既然不能杜絕這種情況，老師干脆可以讓手機進課堂，在手機上下載學習軟件，老師以手機為平臺組織課堂教學，用手機打敗玩手機！授課老師應用學習軟件可以了解每個學生的學習情況，如遲到早退，作業(yè)是否完成，線下準備了那些功課。提前有針對性開展教學活動；也可以幫助老師課程建設，老師自建資源，融入教學管理。

課堂教學可以采用項目驅動教學法。項目驅動教學發(fā)是以項目為載體,通過項目分析來闡述課程的相關理論，將課程的主要內容設置成相關的任務，縱向上以項目為導向，橫向以任務為驅動，具體教學過程將縱向設計與橫向實施有機結合。宏觀上采用項目驅動教學法，引導學生以實現(xiàn)教學項目為目的而學習理論知識，而微觀上則采用任務驅動教學法，將教學項目分解為若干獨立任務，引導學生進行分析任務、設計任務方案、實施任務方案。具體授課環(huán)節(jié)老師可以以問題為導向，設置任務，采用嵌入測驗 巧設通關關卡，投屏教學等教學手段激活課堂。具體任務方案的實施不僅教會學生相關的課堂理論知識，而且培養(yǎng)了學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的綜合能力，還有合作能力和社會能力等。

課堂活動中學生在手機上下載統(tǒng)一的學習軟件，手機不再是另老師頭疼的工具，它可以促進學生自主學習、自主探究，成為師生共同完成教學目標的有力工具。老師也可以組織小組討論環(huán)節(jié)，用手機軟件控制學生參與環(huán)節(jié)，在討論中培養(yǎng)學生的表達、思辨、歸納總結能力。課后作業(yè)老師也可以在學習軟件做出針對性的回答，有助于學生知識體系的構建。學生可以利用手機互評打分，教學效果得到了及時的動態(tài)反饋。這樣的教學模式既活躍了課堂氛圍，也在玩兒中理解了知識點，教師的教和學生的學的效果和效率都應能得到明顯提升。合理利用手機解決了學生到課率差，抬頭率低，參與率低的突出問題。

總之，授課應堅持“以學生為中心”原則，落實學生在課堂教學中的主體地位，堅持“教無定法”的教學原則，以多樣化、多元化的課堂教學方式，激發(fā)學生的求知欲和學習熱情，培養(yǎng)學生熱愛學習，終身學習的能力。

5 單片機課程教學案例設計講解

單片機電路的實現(xiàn)離不開硬件電路和軟件電路。硬件電路是電路設計基礎，軟件電路是單片機系統(tǒng)設計的靈魂；是基于硬件電路而設計的；是實現(xiàn)單片機系統(tǒng)相關功能的關鍵所在。利用Proteus仿真軟件構建虛擬實驗室，不再拘泥于實驗條件和實驗設備，學生可以隨時隨地實踐自己設計的電路。例如“60 秒計時系統(tǒng)”實驗中，用到了單片機最小系統(tǒng)，I/O端口擴展，LED燈，定時器中斷等硬件，同時針對該硬件需要編寫定時器中斷程序、數(shù)碼管顯示程序、主程序以及子程序，這些都是單片機教學的重點和難點。具體授課環(huán)節(jié)中老師可縱向設定60秒計時為項目總體 ，橫向設定數(shù)碼管顯示，中斷程序為任務。在任務講授時插入相關知識點。下圖電路中紅方塊代表高電平，藍方塊代表低電平，測量與調試統(tǒng)一，如果電路出現(xiàn)異常，學生可隨時調出虛擬儀器測試電路，在解決問題的過程中有助于學生感性理解和接收相關理論知識，增強學生學習的信心。圖1為60秒計時器仿真截圖，學生可以在同一電路上舉一反三，如百位計數(shù)器，千位等，難度可逐步加大。學生分組討論如何實現(xiàn)電路功能，也可以對定時器和延時的設置做一個互評，相互參照，學生在討論中看到了電路的多樣性。

圖1 60秒計數(shù)器仿真結果圖

6 結束語

學習知識最好的途徑是讓學生到切身體驗知識的應用過程與應用結果，即“親身經(jīng)歷”，理論分析與“真實反饋”，這樣獲取知識更易接受也更易培養(yǎng)靈活應用能力。本文研究的項目驅動教學法實現(xiàn)了平面教學到立體教學的轉變。它采用虛擬仿真軟件Proteus開發(fā)的仿真軟件為平臺，以仿真實驗為媒介，將“可運行的單片機系統(tǒng)”引入到課堂中，實現(xiàn)了理論知識融入到仿真實驗中，讓枯燥的理論生動起來。項目設計中硬件設計、軟件開發(fā)的全過程都可以通過虛擬仿真軟件實現(xiàn)?？傊?，項目驅動教學法和合理的設置教學環(huán)節(jié)可以有效的活躍課堂氣氛，提升教學效果。教師在理論知識傳授過程中，以項目導入，虛擬仿軟件作為工具，通過演示運行結果調動學生的學習興趣。子項目中合理設置相關知識點，提出問題，引導學生思考，在師生互動中構建教學項目，激發(fā)學生的學習欲望，提高理論教學效果，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。在實踐過程中，本課題確定了研究推進的兩個策略：一是讓學生從參與課堂轉變?yōu)橹鲗дn堂，學生在調試過程中發(fā)現(xiàn)問題，老師幫著解決問題。老師起到答疑解惑的作用，不再是一個人的獨角戲。二是學生掌握了一定知識點后可自行設計電路，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維能力，真正的做到學以致用。