單片機課程實踐教學新方法研究

劉 鳳 劉志華 王洪濤 戴俊義 李 軍

中國人民解放軍理工大學氣象學院 江蘇南京 211101

單片機課程實踐教學新方法研究

劉 鳳 劉志華 王洪濤 戴俊義 李 軍

中國人民解放軍理工大學氣象學院 江蘇南京 211101

針對單片機課程以實驗箱為平臺的實踐教學方式存在的不足，新增了Proteus與Keil聯合仿真實踐教學模塊，構建了“雙實踐”教學模式。通過合理組織實踐教學內容，充分融合了兩種實踐教學方式的優點，不僅幫助學生理解課程知識點和提高動手能力，還可提高教師的備課效率和教學效果，并為學生的課后復習和自學提供條件。

單片機；實踐教學；Proteus；Keil

Abstrcat: This paper is aimed at defect existed in practical teaching for Single-chip microcomputer which used experiment box as main practical platform, and builts a “dual-practice ”model which adds proteus and keil simulation experiment block. Both practical teaching methods’advantage are performed suff ciency by rational teaching organization. This model not only helps student understand knowledge and improve the practice ability, but also helps teacher improve eff ciency on preparing for lessons and teaching effects,and supplies conditions for student to review and self-study.

Key words: single-chip microcomputer; practical teaching; Proteus: Keil

單片機課程是電子、電氣、機電、測控等專業主干課程,是一門應用設計類課程,其內容具有較強的理論性和實踐性,目前大多數高校都已針對該課程實踐性強的特點,形成“理論+實踐”的教學模式,(如圖1所示)。

圖1 “理論+實踐”教學模式

理論教學環節多以單片機結構為主線,形成以硬件原理、指令、軟件編程、系統擴展及外圍器件四大模塊為主線的循序漸進型授課模式,實踐教學環節多以單片機實驗箱為實踐平臺,實驗箱大多采用總線式結構,不能夠直觀展現出單片機及其他芯片的連接結構,做實驗時只需要按照實驗指導書的要求在實驗裝置上連線即可,通過計算機串口/仿真器將程序下載到目標板中完成驗證性實驗,使得實驗過程變成了對硬件的機械式操作,從而使學生失去了對單片機系統外圍電路設計的理解。在2010年我院單片機課程組開展的“單片機課程”教學問卷調查活動中發現,375名學生中, 65.3%能通過參考實驗指導書將程序下載到目標板中,完成單片機各功能模塊驗證性實驗；23%的學生因硬件電路調試失敗或程序編寫錯誤5%的學生因課程基礎不牢、前后知識鏈斷裂等原因無法完成實驗；僅有6.7%的學生除參照實驗指導書的參考程序完成驗證性實驗外,重新調整程序結構,通過二次編寫程序達到靈活應用單片機軟件的學習目標。因此如何在有限的實踐課程中,充分提高學生的學習效率,高質量培養學生的發散思維、動手能力等綜合素質將成為單片機實踐教學的核心內容,也是順應電路設計的發展和教育信息化的必然,更是培養具有創新能力的高質量專業人才的保證。筆者所在單片機課程組在教學實踐改革中發現,Proteus軟件在單片機仿真教學中,具有較好的直觀性,將Proteus和Keil聯合仿真平臺與實驗箱實踐教學相融合的“雙實踐”教學模式將大幅度提高單片機的實踐教學效果。

2 教學模式設計

Proteus與Keil仿真軟件作為理論教學的同步實踐平臺,實驗箱作為“二次實踐”的教學平臺,二者構成的雙實踐教學模式旨在提高學生動手能力和培養發散思維、創新能力綜合素質(如圖2所示)。

圖2 “雙實踐”教學模式

仿真實驗和理論教學同步階段應實現兩個教學目標：一是傳授單片機方面的基本理論、知識和技能,二是培養學習者系統地掌握單片機內部功能模塊的工作原理及使用方法,并嘗試設計各種單片機應用系統,為以后嵌入式技術打下扎實的基礎。Proteus與Keil聯合仿真入門簡單,硬件調試過程易操作、演示過程損耗小、與工程實踐最為接近等優點,可作為理論教學環節的同步實踐開發平臺,教師可根據教學內容隨堂演示相應內部資源的仿真系統,同一系統可作多個單片機內部資源仿真實驗演示,教師只需根據教學內容更改部分代碼或電路即可。同時,學生需要在課后完成各個功能模塊的仿真實驗,通過及時講評實驗幫助學生理解課程的基本知識點,并將實驗成績評定作為 “二次實踐”的分組參考依據。

利用Proteus的單片機仿真功能讓學生進行虛擬實驗,有助于學生理解課程基本知識點,但由于仿真與實際硬件存在差別和單一仿真實驗的枯燥性讓學生感到厭倦,因此需要有效地開展“二次實踐”教學。該環節仍采用現有的單片機教學實踐方式,以實驗室自主開發（購買）實驗箱為平臺。由于同一門課程、不同學生的原有認知、學習能力、自身素質等各有差異,因此教師應通過理論授課和仿真實驗課充分了解學生的上述多元智能情況,參照仿真成績和多元智能因素的相似度,將學生科學分組,每組成員4～5人,不同組將分配不同的“二次實踐”教學內容,實現不同的實現目標。該過程中,教師還應積極促進學生在實驗中的分享活動,部分學生本身的學習能力強并通過仿真實驗充分掌握該課程,實驗中教師應鼓勵該部分學生積極去指導其他學生,培養團隊合作精神。

3 教學內容組織

3.1 仿真實驗教學內容組織

在單片機的理論教學中,所涉及的內容包括單片機系統資源、軟件技術和系統擴展三大模塊。Proteus仿真教學時,應該充分考慮學生對電路、微機原理等先修課程掌握程度的不同,教師應盡可能用簡單、典型的教學實例仿真實驗演示每堂課程知識點,從實例提出的問題需求、解決方案和實現過程貫穿到整個教學中,實現仿真實踐與理論教學同步。

仿真實踐教學內容可劃分為內部功能模塊和系統擴展模塊,內部功能模塊以MCS-51系列單片機為例,通過各組實驗仿真單片機輸入/輸出口、定時器、中斷等資源的工作情況,由于單片機所提供的資源多以寄存器和存儲器的方式體現,因此該過程教師應重點引導學生如何使用寄存器和存儲器,包括寄存器內容的修改和查看兩部分,系統擴展模塊以數碼管、按鍵等基本I/O設備擴展實驗為基礎,學生通過時鐘設計綜合課題完整掌握單片機應用系統的設計流程。Proteus仿真實驗多以Keil作為軟件開發平臺,軟件教學演示主要涉及具體語句的執行效果驗證、算法的具體實現、程序中語法錯誤的檢查和邏輯錯誤的驗證等內容,該環節中教師不可采用純軟件驗證設置演示,應將Proteus與Keil進行聯調驗證演示,讓Keil環境中關鍵語句的修改通過硬件電路實現仿真效果驗證,以達到預期的教學效果(如圖3所示)。

圖3 單片機仿真實驗體系結構圖

仿真實踐教學過程中,教師還應注重學生實驗歷程反饋。學生在實驗過程中,每完成一個實驗后必須撰寫實驗報告,實驗教學包括內容包括實驗目的、原理/方法、教學步驟及結論4項內容,使教師及時了解學生實驗的完成情況。仿真實踐課結束后還需填寫“仿真實踐教學調查表”,調查表主要 包括責任分擔、參與程度、完成實驗任務的能力以及是否有再次和組內人員合作的意愿等,使教師了解其在實驗過程中的表現,通過學生自評、學習伙伴互評、教師評價等3方面給出學生的“仿真實踐”表現成績。

3.2 “二次實踐”教學內容組織

“二次實踐”教學模式以實驗箱及自制電路板為開發平臺,參照仿真實踐成績和個人學習能力、興趣程度多元智能因素的相似度,將學生分為3個層次進行“二次實踐”教學組織。

3.2.1 功能性驗證實驗

以實驗室現有實驗箱為硬件平臺,實驗箱集成仿真實驗所對應功能模塊,仿真實驗成績合格以上者可通過計算機將仿真實驗對應的程序下載到目標板中,通過連接硬件電路,不斷調試系統完成仿真實驗的驗證性工作,并撰寫實驗報告完成對單片機課程的學習。

3.2.2 興趣型實驗

以小型單片機實驗箱為開發平臺,仿真實驗成績良好以上者通過計算機將自編寫程序下載至芯片內部,通過靈活設計程序達到靈活應用軟件的目的。小型實驗箱集成數碼管顯示、液晶顯示、電機模塊、D/A轉換、A/D轉換等豐富模塊,其面積在20cm×15cm內,完全滿足興趣組學生對單片機的學習需求,學生可通過攜帶實驗箱在業余時間完成新的單片機應用系統設計,通過自主設計外圍電路和編寫程序熟練掌握單片機應用系統的開發流程,高質量地培養了部分學生的發散思維、創新能力等綜合素質。

3.2.3 競賽、應用型實驗

學生在熟練掌握單片機應用系統的開發流程和單片機內部各類資源的使用方法后,教師應鼓勵興趣實驗階段中表現突出者積極參加校院、省市的電子類科技競賽,并從選題、參賽、評獎進行全程指導,通過面包板、PCB板開發單片機應用系統,大幅度提供該類學生的團隊合作能力、創新思維、工程應用能力等綜合素質。

通過合理組織安排3種不同層次的教學內容,學生參與實驗得到不同的提高和收獲,大幅度提高課程的學習效率。

4 “雙實踐”教學模式優點

新教學模式新增了仿真實踐教學環節,有助于學生拓展思維、創新能力的培養,改變了以往單一的實驗形式,使學生既掌握了一種新的EDA軟件技術,又掌握了一種新型的實驗分析方法,還可自主展開實驗設計,大大提高了學生的學習興趣。尤其在仿真過程中,學生不再是被動地重復教師的操作,而是主動地去探求解決問題的方法,同樣的設計要求可以有不同的實現電路、不同的程序,這能充分發揮學生的主觀能動性和創造性,培養他們運用所學知識分析問題和解決實際問題的能力,使學生由被動接受變為主動探索,教師在整個教學過程中是學生的引路人,為學生獲得知識提供情景、引導學生自己去學習、設計實驗并通過“二次實踐”驗證實驗結果。

新教學模式下的單片機課程贏得學生的好評,學生能夠有選擇地參加教學實踐,有效整合了實驗資源。在今年課程組展開的新模式教學改革班級中,90%學生主動參加大學生科技競賽,30%學生獲得不同層次的獎項。

5 結束語

“雙實踐”教學模式,打破傳統循序漸進式的教學方法,以單片機的應用為基礎,結合基本的工業控制系統和實踐工作中的具體應用,不分先后順序,將各條指令貫串于各個仿真實驗中,通過所見即所得的實驗,學生更容易理解各種指令的編程方法和掌握單片機應用系統的開發步驟。通過“二次實踐”既有效驗證仿真實驗,又提高教學內容的直觀性、增強學生對教學內容的理解和激發學生的學習興趣,大大提高設計各種單片機系統的效率,對提高學生實際設計單片機應用系統的工程實踐能力都具有很大的輔助作用。

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Research on practical teaching method for Single-chip microcomputer course

Liu Feng, Liu Zhihua, Wang Hongtao, Dai Junyi, Li Jun
Institute of meteorology, PLA university of science and technology, Nanjing, 211101, China

2011-02-11 稿件編號：1102013

劉鳳，碩士，講師。