基于學(xué)生應(yīng)用能力和實踐能力培養(yǎng)的單片機教學(xué)改革

摘要針對高等院?！秵纹瑱C原理及應(yīng)用》的教學(xué)現(xiàn)狀，從教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)手段和模式以及教學(xué)方法等方面分析現(xiàn)狀，提出有效可行的改革方案，以實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力和實踐能力的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞單片機教學(xué) 應(yīng)用能力 實踐能力 教學(xué)改革

中圖分類號:G420文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

目前在許多高校里，《單片機原理及應(yīng)用》這門課程是應(yīng)用電子、計算機、自動化甚至機電一體化等專業(yè)學(xué)生的必修課，尤其從學(xué)生就業(yè)方面來考慮，由于單片機是一門實踐性很強的課程，因此對學(xué)生的應(yīng)用能力和實踐能力的培養(yǎng)是必要的。筆者結(jié)合多年單片機教學(xué)的實際情況和學(xué)生平時上課的表現(xiàn)以及考試的結(jié)果，仔細(xì)分析學(xué)生的反饋意見，發(fā)現(xiàn)目前的單片機教學(xué)當(dāng)中存在著諸多問題和不足亟待解決和改革。為了保證教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，讓學(xué)生畢業(yè)后能夠盡快適應(yīng)工作崗位，基于應(yīng)用能力和實踐能力培養(yǎng)的教學(xué)改革勢在必行。

1 明確教學(xué)目標(biāo)，合理組織教學(xué)內(nèi)容

目前有些高校開設(shè)本課程的目標(biāo)并不明確。目標(biāo)不明確主要表現(xiàn)在三個方面:一是“為什么要學(xué)?”，二是“學(xué)什么?”，三是“如何學(xué)?”。教學(xué)目標(biāo)不僅要讓學(xué)生在他的求職簡歷中反映這門課程的成績，而且要使學(xué)生在招聘企業(yè)的有關(guān)單片機的軟硬件設(shè)計的筆試或面試中，能夠反映學(xué)生的應(yīng)用能力和實踐能力?？紤]到單片機的概念多、專有名詞多、內(nèi)容抽象、編程語言指令多、綜合性強和解決實際問題的能力強等特點，在教學(xué)時數(shù)的限制下對于單片機的教學(xué)內(nèi)容的選擇和組織至關(guān)重要。

目前《單片機原理及應(yīng)用》的教學(xué)內(nèi)容分為理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩部分，理論教學(xué)內(nèi)容主要包括:單片機硬件結(jié)構(gòu)，匯編語言指令系統(tǒng)和程序設(shè)計，系統(tǒng)擴展， 接口技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計;實踐教學(xué)主要包括實驗和課程設(shè)計。

長期以來，單片機的教學(xué)都是以匯編語言為主，而匯編語言的學(xué)習(xí)和單片機抽象的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，其程序涉及到存儲器、寄存器、狀態(tài)標(biāo)志等，使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中難閱讀、難理解、難編程，容易感覺枯燥乏味從而失去了學(xué)習(xí)的激情和興趣，致使教學(xué)質(zhì)量和效果都不盡人意。而C語言是一種結(jié)構(gòu)化的高級語言，它具有豐富的庫函數(shù)，可以減少大量的代碼編寫負(fù)擔(dān)，可以輕松實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)值計算。同時，C語言較匯編語言有可讀性、可維護性好，便于維護、調(diào)試以及移植容易等優(yōu)點，越來越多的單片機編程人員轉(zhuǎn)向使用C語言開發(fā)程序。另外，一般學(xué)生在學(xué)習(xí)單片機之前剛剛學(xué)習(xí)過標(biāo)準(zhǔn)C語言，而且單片機的C語言KEIL C的大部分和標(biāo)準(zhǔn)C是一樣的，這樣有利于學(xué)生在短期內(nèi)掌握單片機的C語言編程。

在實踐教學(xué)中，由于Proteus具有強大的仿真功能以及原理圖和PCB設(shè)計能力，而且可以與Keil C整合構(gòu)建完整的實驗開發(fā)平臺，①完全可以替代硬件電路相對固定的實驗箱或?qū)嶒炁_，讓學(xué)生進行豐富靈活的實踐。使用Proteus進行實踐教學(xué)既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能鍛煉學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)學(xué)生從原理圖制作，程序開發(fā)，仿真驗證和測試以及PCB制作等一系列的全面且完備的能力。另一方面，學(xué)校實驗室引入Proteus，可以減少大量由于實驗設(shè)備的損壞和維護帶來的資金投入。因此，在單片機的教學(xué)中引入單片機C語言開發(fā)工具Keil C51和仿真工具Proteus的相關(guān)內(nèi)容，增加一些具體應(yīng)用實例的教學(xué)和實踐，以培養(yǎng)學(xué)生單片機的應(yīng)用能力和實踐能力為目標(biāo)，將有助于提高單片機教學(xué)的質(zhì)量和教學(xué)效果。

2 充分利用現(xiàn)有優(yōu)勢資源，改革教學(xué)手段，構(gòu)建新的教學(xué)模式

目前大多數(shù)院校的單片機教學(xué)手段都是以板書講授為主，缺乏生動、直觀的一些輔助手段，實驗教學(xué)大多以單片機實驗箱或?qū)嶒炁_為實驗平臺，而且實驗時間一般安排在“匯編指令系統(tǒng)”講完之后，理論學(xué)習(xí)和實驗進行時間的不對應(yīng)，無法實現(xiàn)課堂上理論教學(xué)和實驗室的實踐相聯(lián)系。另外實驗的內(nèi)容也多為驗證性實驗，很少進行開放性和設(shè)計性的實驗，導(dǎo)致學(xué)生過度追求實驗結(jié)果，而忽略了軟硬件設(shè)計和調(diào)試等過程，單片機的應(yīng)用能力、開發(fā)技巧得不到很好的鍛煉。因此，在教學(xué)手段方面引入多媒體教學(xué)，在單片機C語言開發(fā)工具Keil C51和仿真工具Proteus的平臺支持下，②先利用Proteus可以快速地完成元器件的放置和原理圖的設(shè)計，然后在Keil C51開發(fā)環(huán)境下編寫程序，把源程序編譯連接后，學(xué)生可從窗口中清楚地看到程序每條指令的地址、機器碼和源代碼。而且還可以通過單步運行，還可看到單片機內(nèi)部特殊功能寄存器的變化。這樣不僅可以幫助學(xué)生比較直觀地學(xué)習(xí)單片機的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)，而且容易理解堆棧、定時器、中斷向量、中斷調(diào)用等抽象的概念。在Keil C51下生成一個可運行的目標(biāo)文件(如HEX文件)，再添加到Proteus的平臺下就可以進行系統(tǒng)仿真了。Proteus所進行的是一種交互式仿真，在仿真進行中可以對各控制按鈕和按鍵等進行操作，系統(tǒng)實時地輸出對輸入的響應(yīng)。這樣在課堂教學(xué)中配合多媒體手段，可以節(jié)約大量的繪圖時間，而且可快速靈活地修改硬件設(shè)計和軟件編程，實現(xiàn)不同功能的應(yīng)用設(shè)計。

利用多媒體不僅可以增加知識的傳授量，使教學(xué)更直觀，教學(xué)內(nèi)容更加豐富多彩、形象、生動，而且可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)生對知識的理解和應(yīng)用。這樣實驗教學(xué)可以和理論教學(xué)同步進行，在教室中教師利用仿真軟件和學(xué)生一起做驗證性實驗，③課下讓學(xué)生提前在Keil C51和仿真工具Proteus的平臺下做設(shè)計性、動手性實驗，最后到實驗室進行驗證和實踐，這樣就可增強他們自主分析問題和解決問題的能力。課程學(xué)完之后通過單片機課程設(shè)計這一實踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生從單片機的選型、外圍接口電路設(shè)計、編程及調(diào)試等各環(huán)節(jié)進行一次系統(tǒng)的綜合訓(xùn)練，例如電子鐘、步進電機控制器、單片機交通燈控制器等的軟、硬件設(shè)計，使學(xué)生具有單片機應(yīng)用系統(tǒng)的初步設(shè)計能力。

在教學(xué)手段方面，采用板書和多媒體相結(jié)合進行直觀教學(xué)以及學(xué)生通過實驗室實踐操作外，還應(yīng)充分發(fā)揮校園網(wǎng)、Internet在教學(xué)中的作用。教師可以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會查閱、消化和運用一些網(wǎng)絡(luò)資源，如廠家提供的芯片技術(shù)資料、單片機論壇和教學(xué)網(wǎng)站里面大量的設(shè)計案例、技術(shù)文章和單片機軟硬件資源，為自己進行單片機軟硬件設(shè)計打下良好基礎(chǔ)。

3 綜合運用多種教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量和效果

在單片機的教學(xué)中根據(jù)不同的教學(xué)對象和教學(xué)內(nèi)容采用不同的教學(xué)方法，如演示法、實物法、互動法、類比法、啟發(fā)法、討論法、任務(wù)驅(qū)動法等，可以起到事半功倍的教學(xué)效果。上單片機第一堂課，教師可以帶一個單片機實驗板的實物到教室，為學(xué)生演示一個單片機控制的“走馬燈”實例，其它上課時間也可以根據(jù)需要通過實物或多媒體向?qū)W生演示單片機的工作過程，這不僅可以有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機的興趣，而且使學(xué)生對單片機及外圍電路有一個感性認(rèn)識，為其逐步學(xué)會應(yīng)用單片機進行軟硬件設(shè)計打下一定的基礎(chǔ)。講課過程中要有師生間的交流互動，鼓勵學(xué)生質(zhì)疑，并為學(xué)生提供自由提問、質(zhì)疑、探究、討論問題的機會，讓學(xué)生通過個人、小組、集體等多種形式解難釋疑。作為教師，要密切注意學(xué)生在教學(xué)活動中的表現(xiàn)，適當(dāng)適時啟發(fā)學(xué)生思考，充分挖掘不同層次學(xué)生的潛力，這是取得良好教學(xué)效果的保證。另外，對重點概念卻比較抽象的知識可采用類比法進行教學(xué)。比如中斷、定時器溢出概念，可分別用接電話和鬧鐘等生活中的事例來類比講解，有助于學(xué)生理解和掌握這些難懂的概念。當(dāng)學(xué)生對單片片機的應(yīng)用有了初步了解后，可以針對某個知識塊采用任務(wù)驅(qū)動法對學(xué)生提出具體的設(shè)計要求，比如對并行I/O口的使用這部分內(nèi)容，可以給出這樣一個任務(wù)，單片機的P1口連接8個按鍵，P0口通過上拉電阻接8個發(fā)光二極管，編程實現(xiàn)按下某個按鍵對應(yīng)發(fā)光二極管亮的程序。運行成功后可以改變硬件連接，比如斷開上拉電阻，觀察運行結(jié)果;或者改變P1口為P2口，如何修改程序等，通過對任務(wù)的實現(xiàn)過程，可以達(dá)到對并行I/O口的靈活使用。

4 結(jié)束語

本文基于學(xué)生單片機應(yīng)用能力和實踐能力的培養(yǎng)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)模式和教學(xué)方法等多方面提出了單片機改革的必要性和具體措施，在單片機的教學(xué)中引入單片機C語言開發(fā)工具Keil C51和仿真工具Proteus，在實際教學(xué)過程中取得良好的教學(xué)效果，值得其他院校借鑒。

注釋

①房惠龍.基于Proteus的單片機實驗平臺的創(chuàng)建[J].常州:常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2007(6).

②林志琦等.基于Proteus的單片機可視化軟硬件仿真[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

③張玉均.基于Proteus的單片機實踐教學(xué)研究與探討[J].太原:太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2007(76).