與船舶專業(yè)知識(shí)相結(jié)合的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

方智 方春慧

摘? ?要：為解決現(xiàn)有的單片機(jī)教學(xué)模式中理論與實(shí)踐相脫節(jié)的教學(xué)弊端，提出一種仿真和實(shí)驗(yàn)板相結(jié)合的雙平臺(tái)單片機(jī)教學(xué)改革方案。主要采用“理論教學(xué)+Keil 編譯軟件+Proteus仿真軟件”和“實(shí)踐教學(xué)+Keil 編譯軟件+實(shí)驗(yàn)板”的虛實(shí)結(jié)合的雙平臺(tái)教學(xué)思路，將理論教學(xué)和Proteus仿真平臺(tái)以及開(kāi)發(fā)板實(shí)踐平臺(tái)相融合，兼顧虛實(shí)雙平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合船舶專業(yè)開(kāi)設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)使用單片機(jī)控制船模，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)和自主實(shí)踐的興趣，進(jìn)而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)和工程實(shí)踐能力，提高學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的目的。

關(guān)鍵詞：雙平臺(tái)? 單片機(jī)? 船舶? 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）06（a）-0217-03

Abstract： In order to solve the disadvantage that theory and practice are out of touch in the current teaching mode of single-chip computer， a teaching reform scheme of double-platform single-chip computer， which combines simulation and experimental board， is proposed. This paper mainly adopts the dual-platform teaching idea of "theory teaching + Keil compiling software + Proteus simulation software" and "practice teaching + Keil compiling software + experiment board"， which integrates theory teaching with Proeus simulation platform and development board practice platform， takes into account the advantages of both virtual and real platforms， and combines the advantages of the two platforms， sets up relevant experiments in ship specialty， uses single chip computer to control ship model， and stimulates students' interest in learning theoretical knowledge and practicing， so as to cultivate students' scientific research quality and engineering practice ability， and improve students' innovative consciousness.

Key Words： Double-platform;Single-chip computer;Ship; Teaching reform

“大眾創(chuàng)新，萬(wàn)眾創(chuàng)業(yè)”，掀起了全國(guó)上下創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的浪潮，作為創(chuàng)新人才培養(yǎng)的主要陣地，各大高校對(duì)此極為重視，各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽也層出不窮。在諸多創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中，以單片機(jī)為首的嵌入式系統(tǒng)課程的知識(shí)和技能是完成比賽的基本條件。根據(jù)我校輪機(jī)工程及其自動(dòng)化專業(yè)的本科人才培養(yǎng)方案可知，該專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)與現(xiàn)代造船業(yè)相適應(yīng)的高級(jí)工程技術(shù)人才，與此相適應(yīng)的核心課程就是以單片機(jī)為首的嵌入式系統(tǒng)課程。在高等院校創(chuàng)新型、研究型人才培養(yǎng)目標(biāo)的前提下，學(xué)生對(duì)單片機(jī)技術(shù)的學(xué)習(xí)，不僅要會(huì)應(yīng)用，還要熟練掌握單片機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造和設(shè)計(jì)原理，進(jìn)而達(dá)到理論與實(shí)踐相輔相成的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

1? 存在問(wèn)題

首先，由于單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)主要由電路圖組成，而編程語(yǔ)言主要有英文字母組成，因此，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教師們多采用板書(shū)和多媒體結(jié)合的教學(xué)手段開(kāi)展教學(xué)，造成講授的知識(shí)極為抽象，內(nèi)容極為枯燥。與此同時(shí)，傳統(tǒng)教學(xué)模式也造成了接口電路、程序及運(yùn)行結(jié)果三者的割裂，這樣就無(wú)法檢驗(yàn)接口電路是否可行、所編程序是否有效以及程序在電路中的運(yùn)行結(jié)果是否正確。實(shí)踐證明，這樣不直觀、抽象晦澀的教學(xué)方式，直接導(dǎo)致了教學(xué)效果大打折扣。

其次，單片機(jī)的傳統(tǒng)教學(xué)中也有課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，但是通常采用在實(shí)驗(yàn)室里用“電腦+集成好的實(shí)驗(yàn)板”的教學(xué)方式。由于實(shí)驗(yàn)電路已固定，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，只需簡(jiǎn)單的連線即可完成，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法了解接口電路工作原理，學(xué)習(xí)興趣也不大。

同時(shí)，現(xiàn)有的教學(xué)模式還將單片機(jī)單獨(dú)獨(dú)立出來(lái)，無(wú)法與專業(yè)課程體系相融合，使得學(xué)生無(wú)法直觀地了解所學(xué)知識(shí)在行業(yè)中的應(yīng)用。

以上單片機(jī)傳統(tǒng)教學(xué)的三種現(xiàn)狀，造成了目前學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)課程“知其然而不知其所以然”的局面，嚴(yán)重影響了專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，也非常不利于學(xué)生創(chuàng)新精神和能力的培養(yǎng)。因此，應(yīng)用新的教學(xué)工具、教學(xué)軟件和教學(xué)方法，進(jìn)行單片機(jī)課程的教學(xué)改革，提高單片機(jī)課程的教學(xué)質(zhì)量，勢(shì)在必行。

鑒于此，我們提出了“基于虛實(shí)結(jié)合的雙平臺(tái)單片機(jī)教學(xué)改革探索研究”的項(xiàng)目研究，擬通過(guò)此研究，將解決現(xiàn)有的單片機(jī)教學(xué)模式中理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相脫節(jié)的問(wèn)題，在有限的課時(shí)內(nèi)，消除傳統(tǒng)教學(xué)弊端，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，既讓學(xué)生了解更多的知識(shí)，又能使理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相得益彰，還能使教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)課程體系以及行業(yè)相融合，從而達(dá)到學(xué)生科研素質(zhì)和工程實(shí)踐能力提升，學(xué)生自主創(chuàng)新意識(shí)提高的教學(xué)目標(biāo)。

2? “虛實(shí)結(jié)合”的雙平臺(tái)教改方案

本項(xiàng)目擬在單片機(jī)課程改革中采用“虛實(shí)結(jié)合”的雙平臺(tái)教學(xué)模式，先虛擬平臺(tái)后開(kāi)發(fā)板平臺(tái)，雙平臺(tái)同時(shí)出現(xiàn)，兼顧雙方優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自不足，大大提高了學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的雙重能力，激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新的興趣。

2.1 “虛擬”環(huán)節(jié)學(xué)原理

Proteus仿真軟件[4]不僅能仿真單片機(jī)的工作情況，也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒(méi)有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。Proteus仿真軟件所提供的元件庫(kù)中，大部分可以直接用于接口電路的搭建，同時(shí)該軟件所提供的儀表，不管在質(zhì)量還是數(shù)量上，都是可靠和經(jīng)濟(jì)的。對(duì)同一類功能的接口電路，可以采用不同的硬件來(lái)搭建完成，而不需要花費(fèi)任何硬件成本，大大激勵(lì)了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造力，這也是工科學(xué)生工程素質(zhì)養(yǎng)成的重要內(nèi)容。

因此，采用Proteus仿真軟件作為單片機(jī)課程教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)“理論教學(xué)+Keil編譯軟件+Proteus仿真軟件”虛擬的教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以對(duì)單片機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造結(jié)構(gòu)和編程語(yǔ)言的設(shè)計(jì)原理有細(xì)致的學(xué)習(xí)，對(duì)單片機(jī)的硬件部分包括存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、并行I/O 接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行接口等的工作原理有更深入的理解，不僅克服了用單一開(kāi)發(fā)板中硬件電路固定、學(xué)生不能更改、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定等方面的局限性，也可以擴(kuò)展學(xué)生的思路和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生對(duì)單片機(jī)硬件系統(tǒng)的構(gòu)建能力和對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的目的。

2.2 “實(shí)驗(yàn)”環(huán)節(jié)重創(chuàng)新

Proteus仿真總歸是軟件，其運(yùn)行過(guò)程總是保持在最理想的狀態(tài)，和實(shí)際電路還是存在一些區(qū)別的。比如仿真時(shí)默認(rèn)單片機(jī)的復(fù)位電路和時(shí)鐘電路是已經(jīng)存在的;默認(rèn)所有引腳接高電平;有些較新的芯片在庫(kù)里找不到;有些芯片即使能夠在庫(kù)里找到，但仿真時(shí)序和實(shí)際有別。因此，在教學(xué)改革中，除了Proteus仿真軟件的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)板的實(shí)踐環(huán)節(jié)也不可或缺。

在“實(shí)踐教學(xué)+Keil編譯軟件+實(shí)驗(yàn)板”的真實(shí)實(shí)驗(yàn)板的教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)有更直觀的認(rèn)識(shí)和熟悉。每位學(xué)生在自己的筆記本或臺(tái)式機(jī)上安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序、相應(yīng)的編程軟件，可方便地在任何地點(diǎn)完成程序的編寫(xiě)和系統(tǒng)編程調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的便攜化，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的便利性，激發(fā)其動(dòng)手實(shí)踐創(chuàng)新的興趣。

3? 具體措施

3.1 “理論教學(xué)+Keil編譯軟件+Proteus仿真軟件”虛擬教學(xué)平臺(tái)

在32學(xué)時(shí)的課程體系中，前8學(xué)時(shí)用來(lái)課堂講解單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及單片機(jī)的工作原理，使得學(xué)生對(duì)單片機(jī)有一個(gè)整體的感官。在接下來(lái)的4學(xué)時(shí)講解單片機(jī)編程語(yǔ)言以及KeilC51編譯軟件的應(yīng)用，使得學(xué)生在Keil編譯軟件中編寫(xiě)簡(jiǎn)單運(yùn)算程序及查看運(yùn)行結(jié)果的過(guò)程中，更直觀地學(xué)習(xí)單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)原理，以達(dá)到對(duì)理論知識(shí)的鞏固和直觀認(rèn)識(shí)的目的。使用4學(xué)時(shí)分部講解單片機(jī)的并行接口，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容，中間穿插4學(xué)時(shí)的課堂時(shí)間用來(lái)Proteus仿真軟件的仿真練習(xí)，實(shí)驗(yàn)室每臺(tái)電腦都配置Keil編程軟件以及Proteus仿真軟件。課堂實(shí)驗(yàn)采用“虛擬仿真動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示”和“虛擬仿真航標(biāo)燈控制器”的案例，老師帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)其中一個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行建模，電路設(shè)計(jì)，程序流程圖設(shè)計(jì)，編寫(xiě)代碼，繪制電路，進(jìn)而仿真模擬。學(xué)生手提筆記本中也安裝Keil編程軟件以及Proteus仿真軟件，要求學(xué)生利用課堂和課余時(shí)間獨(dú)立完成另一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的仿真模擬，鍛煉學(xué)生連接單片機(jī)接口電路，編寫(xiě)中斷服務(wù)程序以及使用定時(shí)/計(jì)數(shù)器的能力。并且建立建立一個(gè)答疑交流的qq群，使得學(xué)生可以能夠隨時(shí)對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，對(duì)課本例題或者自己自創(chuàng)的題目在proteus仿真軟件中進(jìn)行驗(yàn)證和模擬，并且能夠與老師和同學(xué)及時(shí)進(jìn)行信息交流，達(dá)到讓學(xué)生學(xué)有參考，問(wèn)有答案，練有指導(dǎo)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

3.2 “實(shí)踐教學(xué)+Keil 編譯軟件+實(shí)驗(yàn)板”實(shí)驗(yàn)板教學(xué)平臺(tái)

在經(jīng)學(xué)校立項(xiàng)的教學(xué)研究項(xiàng)目的支持下，建立一個(gè)全方位的單片機(jī)學(xué)習(xí)環(huán)境，包括40套51單片機(jī)最小系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板的硬件實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室中每臺(tái)電腦和學(xué)生手提筆記本中均安裝Keil編程軟件以及Proteus仿真軟件。

課程使用8學(xué)時(shí)分部講解單片機(jī)串行口以及系統(tǒng)擴(kuò)展和接口電路的相關(guān)內(nèi)容知識(shí)，中間穿插4學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間用來(lái)實(shí)驗(yàn)板的實(shí)踐學(xué)習(xí)。課堂實(shí)驗(yàn)采用“實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)PWM輸出”的案例，老師和學(xué)生一起學(xué)習(xí)PWM原理以及對(duì)實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行設(shè)計(jì)和焊接，將單片機(jī)知識(shí)和船舶模型相結(jié)合，鍛煉學(xué)生對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行焊接的能力以及編寫(xiě)系統(tǒng)擴(kuò)展程序的能力，激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新的意識(shí)。

3.3 課后大型綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

大型綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目以創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力為主要培養(yǎng)目標(biāo)，綜合考察全面應(yīng)用單片機(jī)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的能力，將原來(lái)分散的小型演示驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)集成為一個(gè)大型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。本實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生的課程設(shè)計(jì)作業(yè)，將學(xué)生按3-4人為一組進(jìn)行分組，以“基于51單片機(jī)的簡(jiǎn)易螺旋槳調(diào)速器開(kāi)發(fā)”為設(shè)計(jì)題目進(jìn)行軟硬件開(kāi)發(fā)。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生自創(chuàng)項(xiàng)目，要求與船舶專業(yè)知識(shí)相結(jié)合，并且能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用全面。學(xué)生分組選擇項(xiàng)目后，組織學(xué)生討論，使學(xué)生充分發(fā)揮想象力，引導(dǎo)學(xué)生思考并提出項(xiàng)目解決方案，描繪出設(shè)計(jì)藍(lán)圖;然后開(kāi)始查找資料、論證方案、設(shè)計(jì)電路、焊接硬件、編寫(xiě)程序、最后調(diào)試，整個(gè)過(guò)程以學(xué)生為主，教師指導(dǎo)點(diǎn)撥為輔，注重培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、單片機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

4? 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目采用虛實(shí)雙平臺(tái)的教學(xué)改革方案，將理論教學(xué)和Proteus仿真平臺(tái)以及開(kāi)發(fā)板實(shí)踐平臺(tái)相結(jié)合，將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)融合，兼顧虛實(shí)雙平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)和自主實(shí)踐的興趣，進(jìn)而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)和工程實(shí)踐能力，提高學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的目的。本項(xiàng)目具有以下創(chuàng)新點(diǎn)。

（1）突破傳統(tǒng)僅采用實(shí)驗(yàn)板或仿真軟件的單一平臺(tái)教學(xué)模式，將Proteus仿真平臺(tái)和開(kāi)發(fā)板實(shí)踐平臺(tái)相結(jié)合，兼顧雙平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)。在Proteus仿真平臺(tái)教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)生可以對(duì)單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和接口電路原理有更深入的理解，在開(kāi)發(fā)板實(shí)踐環(huán)節(jié)學(xué)生可以對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)有較直觀和客觀的認(rèn)識(shí)，為學(xué)生提供較為便利的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，提高學(xué)生的創(chuàng)新興趣。

（2）將單片機(jī)知識(shí)和船舶專業(yè)知識(shí)相結(jié)合，采用“航標(biāo)燈設(shè)計(jì)”和“螺旋槳轉(zhuǎn)速控制”兩個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目，使得學(xué)生對(duì)單片機(jī)在專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用有細(xì)致的了解和更為深入的認(rèn)識(shí)，為學(xué)生今后參加本專業(yè)的相關(guān)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽提供基礎(chǔ)。

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