基于軟硬件協(xié)同仿真的單片機(jī)課程改革

張子紅 馬鳴霄 李志軍

摘 要：?jiǎn)纹瑱C(jī)技術(shù)是我校電子、電氣、計(jì)算機(jī)等專業(yè)的一門與課程設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐和畢業(yè)設(shè)計(jì)高度相關(guān)的技術(shù)課程。目前，該門課程的教學(xué)模式不能滿足社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才的需求，急需進(jìn)行課程改革。文中將軟硬件聯(lián)合仿真引入單片機(jī)課堂，采用四步法完成了實(shí)踐教學(xué)的創(chuàng)新，提高了學(xué)生參與度與動(dòng)手實(shí)踐能力。其全新的考核機(jī)制改變了學(xué)生原有的認(rèn)知，全方位地實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);Proteus仿真;教學(xué)改革;創(chuàng)新實(shí)踐;應(yīng)用能力;理論教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP391;TN915文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）11-0-02

0 引 言

傳統(tǒng)的教學(xué)模式是學(xué)生在課堂上參與的時(shí)間少，學(xué)習(xí)處于被動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致學(xué)生雖然具備深厚的理論知識(shí)，卻無(wú)法將其應(yīng)用到實(shí)際的工作中[1]。雖然近年來(lái)強(qiáng)調(diào)學(xué)生在主動(dòng)學(xué)習(xí)中汲取知識(shí)，但教學(xué)模式中受到大綱、學(xué)時(shí)、考試方式等因素的約束，填鴨式教學(xué)方式仍成為主流的教學(xué)形式。實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況通常是預(yù)先由教師設(shè)計(jì)好相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)大綱的要求完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不利于學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和綜合運(yùn)用知識(shí)能力的培養(yǎng)，同時(shí)也不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性， 出現(xiàn)了有的學(xué)生不做實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備、抄襲他人程序和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的不良現(xiàn)象[2]。因此，迫切需要找到一個(gè)全新的單片機(jī)原理課程的教學(xué)模式，就是將單片機(jī)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)儀引入到課堂教學(xué)中，將其作為學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和個(gè)性發(fā)展的載體。課堂上通過(guò)單片機(jī)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)儀可以完成老師布置的實(shí)踐任務(wù)，課下可以利用試驗(yàn)儀進(jìn)行拓展訓(xùn)練，這樣可以形成一二課堂良性互動(dòng)的良好局面[3]。

1 軟硬件協(xié)同仿真的教學(xué)方法

為了促進(jìn)學(xué)生的上課積極性，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電路連接和程序執(zhí)行結(jié)果的感性認(rèn)識(shí)，在教學(xué)過(guò)程中，本文利用Keil C51和Proteus軟件實(shí)現(xiàn)軟硬件聯(lián)合仿真[4]。

這樣，學(xué)生經(jīng)過(guò)幾個(gè)學(xué)時(shí)的理論學(xué)習(xí)后，就可以直接進(jìn)行簡(jiǎn)單的單片機(jī)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。學(xué)生可以從經(jīng)典的流水燈項(xiàng)目做起，立竿見(jiàn)影的結(jié)果讓學(xué)生的參與感、真實(shí)感、成就感完美呈現(xiàn)出來(lái)，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還極大地開(kāi)拓了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的時(shí)間和空間，降低了學(xué)習(xí)成本，教和學(xué)的效果都得到了改善。一段時(shí)間后，學(xué)生已經(jīng)不滿足于仿真帶來(lái)的真實(shí)感，于是便可以引導(dǎo)學(xué)生采用分散學(xué)習(xí)平臺(tái)51單片機(jī)開(kāi)發(fā)套件來(lái)進(jìn)行項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，進(jìn)行硬件實(shí)物制作。

2 創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的方法策略

考慮到目前學(xué)生基本都有筆記本電腦，本文提出的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)把51單片機(jī)開(kāi)發(fā)套件每人一套配發(fā)給學(xué)生使用，就可以為本專業(yè)全體學(xué)生建起一個(gè)分散式可移動(dòng)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，如圖1所示。有了該平臺(tái)學(xué)生就可以充分利用宿舍、圖書館、實(shí)驗(yàn)室、教室等場(chǎng)地，提高課外零碎時(shí)間的學(xué)習(xí)效率[5]。

創(chuàng)新的第一步，是根據(jù)普中科技的單片機(jī)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)儀科學(xué)制定并完善課程教學(xué)體系，改革教學(xué)內(nèi)容和方法。將教學(xué)內(nèi)容改成一個(gè)個(gè)項(xiàng)目和模塊，將整門課程劃分為多個(gè)模塊，每一模塊由多個(gè)課題組成，每一課題由一個(gè)或多個(gè)任務(wù)組成。如將最小系統(tǒng)的學(xué)習(xí)作為一個(gè)基本模塊，其中包括時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)、復(fù)位電路的設(shè)計(jì)、程序存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)。第二個(gè)基本模塊是學(xué)習(xí)輸入/輸出模塊。輸入模塊包括獨(dú)立式鍵盤的設(shè)計(jì)、矩陣式鍵盤的設(shè)計(jì)、專用的鍵盤接口芯片的使用;輸出模塊包括LED數(shù)碼管的顯示原理、LED點(diǎn)陣顯示原理、LCD1602顯示原理。第三個(gè)基本模塊是中斷系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用學(xué)習(xí)，包括單一中斷的學(xué)習(xí)、中斷嵌套的學(xué)習(xí)。第四個(gè)基本模塊是定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作原理及應(yīng)用，包括定時(shí)器的使用和計(jì)數(shù)器的使用。第五個(gè)基本模塊是串口工作原理及應(yīng)用，包括雙機(jī)通信、多機(jī)通信。課程后半部分以啟發(fā)和拓展學(xué)生思路為主，發(fā)揮學(xué)生想像力，自主設(shè)計(jì)出功能更復(fù)雜和完善的小作品，使他們真正喜歡上單片機(jī)，能愛(ài)不釋手，課下也愿意花時(shí)間和精力去做。

創(chuàng)新的第二步，是改變?cè)械恼n堂教學(xué)模式，教師將學(xué)生分組，將基礎(chǔ)好的學(xué)生均分到每一個(gè)小組中，三個(gè)學(xué)生一組，將單片機(jī)實(shí)驗(yàn)儀交由每個(gè)學(xué)生使用和保管。課堂上，學(xué)生可以先用Proteus軟件仿真教師布置的本節(jié)課設(shè)計(jì)任務(wù)，也可以直接用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)儀來(lái)完成。教師首先把本次課程任務(wù)涉及到的基本理論進(jìn)行簡(jiǎn)單的講解，組織學(xué)生獨(dú)立完成設(shè)計(jì)任務(wù)。教師對(duì)學(xué)生存在的疑問(wèn)進(jìn)行實(shí)時(shí)解答，如果個(gè)別學(xué)生完成得比較快，則可以進(jìn)一步要求學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)任務(wù)電路和程序進(jìn)行局部修改，以培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用電路和程序的設(shè)計(jì)方法。此外，也可以讓能力強(qiáng)的學(xué)生指導(dǎo)本組進(jìn)度稍慢的學(xué)生[6]。如果個(gè)別學(xué)生沒(méi)有完成本次任務(wù)，可以利用課外時(shí)間完成，下一節(jié)課上課前教師進(jìn)行檢查。教師每節(jié)課記錄每名學(xué)生完成的情況，作為平時(shí)成績(jī)的考核依據(jù)。

創(chuàng)新的第三步，是對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行整合分類，采取錄播和錄屏的方式制作微視頻講解知識(shí)點(diǎn)，然后利用超星學(xué)習(xí)平臺(tái)的學(xué)習(xí)通布置每節(jié)課的微視頻，采取任務(wù)點(diǎn)的方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核。此外，配合現(xiàn)在的智能手機(jī)，無(wú)論是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)還是在課后的實(shí)踐創(chuàng)新環(huán)節(jié)，可以隨時(shí)針對(duì)某個(gè)具體內(nèi)容進(jìn)行針對(duì)性學(xué)習(xí)和反復(fù)學(xué)習(xí)[7]。除此之外，教師可以根據(jù)每節(jié)課的任務(wù)，布置一個(gè)課后任務(wù)，學(xué)生可以通過(guò)QQ和微信等網(wǎng)絡(luò)社交軟件和教師互動(dòng)。慢慢引導(dǎo)學(xué)生興趣，逐步增加難度，完善設(shè)計(jì)功能，再適時(shí)地引入電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的題目，對(duì)于完成得比較好的學(xué)生，從中選拔一些優(yōu)秀學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，比如“博創(chuàng)杯”“藍(lán)橋杯”“智能互聯(lián)”等各類電子競(jìng)賽[8]。

創(chuàng)新的第四步，是全新的考核機(jī)制，即過(guò)程考核和期末考核相結(jié)合的機(jī)制。為保證每個(gè)學(xué)生實(shí)踐過(guò)程及學(xué)習(xí)成果的獨(dú)立性，應(yīng)特別加強(qiáng)平時(shí)督促，即要求學(xué)生平時(shí)必須認(rèn)真按照要求，完成階段性設(shè)計(jì)任務(wù)，并記錄成績(jī)，進(jìn)行過(guò)程考核[9]，

此部分占總成績(jī)的30%。課程結(jié)束時(shí)，學(xué)生需提交自己設(shè)計(jì)作品的設(shè)計(jì)報(bào)告，闡述作品的設(shè)計(jì)思路，并回答教師的提問(wèn)，此部分占總成績(jī)的30%。期末的理論部分考核占總成績(jī)的40%。任課教師根據(jù)以上各項(xiàng)的成績(jī)，再給出學(xué)生該課程最終的考核成績(jī)[10]?；谶^(guò)程和項(xiàng)目的考核見(jiàn)表1所列。

3 結(jié) 語(yǔ)

自本教學(xué)項(xiàng)目改革以來(lái)，學(xué)生獲得第十四界“博創(chuàng)杯”全國(guó)大學(xué)生嵌入式設(shè)計(jì)大賽分賽比賽一等獎(jiǎng)，獲得2018年全國(guó)大學(xué)生“智能互聯(lián)”創(chuàng)新大賽華北賽區(qū)三等獎(jiǎng)的喜人成績(jī)。新教學(xué)手段的融入，Keil開(kāi)發(fā)環(huán)境與Proteus仿真軟件的有機(jī)結(jié)合，課堂上單片機(jī)開(kāi)發(fā)儀的引入，都將傳統(tǒng)教學(xué)模式變成了“以學(xué)生為中心，以教師為指導(dǎo)”的新型模式，實(shí)現(xiàn)了課程學(xué)習(xí)與應(yīng)用能力的同步高速增長(zhǎng)。這種模式非常符合特色應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，能培養(yǎng)出企業(yè)真正需要的人才。

參考文獻(xiàn)

[1]黃鶯.基于翻轉(zhuǎn)課堂的單片機(jī)原理及接口技術(shù)實(shí)踐教學(xué)改革策略研究[J].教育教學(xué)論壇，2016，8（48）：152-153.

[2]彭宇興，余永輝.電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新啟示[J].職業(yè)教育研究，2009，28（3）：118-119.

[3]滕召勝，唐求，溫和，等.單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017，55（10）：223-225.

[4]喬莉，魏海波.基于翻轉(zhuǎn)課堂和虛擬仿真的單片機(jī)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，56（3）：112-114.

[5]劉艷霞，范同順，楊清梅，等.單片機(jī)類課程創(chuàng)新教學(xué)模式改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（5）：42-45.

[6]王春榮，夏爾冬，熊昌炯，等.應(yīng)用型本科辦學(xué)的單片機(jī)原理課程改革探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（12）：237-240.

[7]呂燚，劉偉.微課與工程案例相結(jié)合的單片機(jī)課程教學(xué)改革研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2017，15（5）：53-55.

[8]徐靜云，李祖欣，蔡志端.基于開(kāi)放式工程項(xiàng)目化的單片機(jī)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].湖州師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，39（6）：60-64.

[9]李志軍，張子紅，王昊，等.以設(shè)計(jì)能力為主線的單片機(jī)系統(tǒng)教學(xué)改革[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014，4（10）：86-89.

[10]張子紅，王昊，李志軍，等.依托實(shí)訓(xùn)基地和單片機(jī)學(xué)習(xí)板的單片機(jī)課程改革[J].高師理科學(xué)刊，2015，35（1）：74-77.