嵌入式C語言實驗教學方法探討

聶冰 高麗 李秀梅 李文

1 大連交通大學軟件學院 遼寧 大連 116028 2 大連交通大學旅順校區教學運行部 遼寧 大連 116028

嵌入式系統是當今熱門的計算機應用領域之一，通用計算機的新技術、新觀念正逐步移植到嵌入式系統中。嵌入式C語言以開發速度快、可讀性好、工作效率高等優勢逐漸取代了匯編語言成為嵌入式系統的主要開發工具。為了適應形勢的發展，很多工科院校開設了嵌入式C語言程序設計課程，將其作為嵌入式方向的主干課程。該課程具有較強的實踐性和應用性，將培養學生分析和解決實際問題的能力作為教學核心內容。在教學環節中，如何將理論與實踐有機結合，充分調動學生的學習積極性，培養適應社會需要的嵌入式開發人才，是任課教師需要重點探討的問題。

1 實驗教學面臨的主要問題

大連交通大學于2006年在軟件工程專業嵌入式方向開設了嵌入式C語言程序設計課程，采用文獻[1]作為教材。文獻[1]除了介紹單片機C語言的基礎概念，重點講述8051單片機的C語言應用：內部資源、擴展資源以及人機交互的C語言編程等方面的內容。課程設置為48學時，理論學時和實驗學時各占一半。設置多學時的實驗教學，讓學生能夠在具體應用中對嵌入式系統內部結構和工作原理有更深刻的理解，更直觀地體會嵌入式C語言與標注C語言的差別。

現階段的實驗利用實驗教學平臺完成。學生根據實驗指導書的要求完成Keil C51開發環境與開發流程，中斷、定時器/計數器的使用等基礎實驗。實驗內容簡單，驗證性實驗較多，學生流于形式，照本宣科完成實驗的操作，很難真正掌握嵌入式C語言的本質，不利于對實際嵌入式系統的探究及創新能力的培養。在這種情況下，對現有的實驗教學環節進行適當的改革就顯得尤為重要。

2 實驗教學的改革思路

為了激發學生的學習興趣，增強學生的創新能力，應該對原有的實驗教學模式進行必要的改革，豐富原有的實驗教學內容，通過實驗教學調動學生的探知意識，重視學生對嵌入式系統知識獲得的過程與掌握方法，培養學生的創新精神和解決實際問題的能力。

2.1 新實驗教學體系的建立[2]

課程原有的實驗教學內容單一，演示性和驗證性的內容較多，學生的創新思維受到限制，缺乏主動探究問題的熱情。為了提高學生的學習興趣，轉變原來的教學模式，利用新的“基礎層—綜合層—提高層”三層實驗教學體系，分層次開展實驗教學[2-3]。

1）基礎層。注重基本概念的培養。根據實驗指導書的要求，了解Keil C51軟件開環境使用方法，設計簡單的嵌入式C語言程序并完成調試。通過編寫程序，掌握搭建基本開發環境、編譯調試的方法。

2）綜合層。在基礎層的驗證性實驗基礎上，運用課程中斷、定時器/計數器、鍵盤與顯示相關知識，構建具有實際應用價值的嵌入式應用系統，完成復雜的綜合實驗。通過這些實驗，學生將單片機等嵌入式設備與C語言有機結合，更加深入地理解C語言在嵌入式系統中的應用，突出“嵌入式C語言”的特色。

3）提高層。除了在規定的24學時內完成以上實驗教學安排，為能力較強的學生提供深入學習的機會，通過項目實訓、電子設計競賽與畢業設計等形勢讓學生得到鍛煉。學生除了需要掌握嵌入式C語言相關基礎知識，還要對電路設計、單片機與嵌入式系統硬件有一定的了解，能夠進行軟硬件設計與調試。通過對復雜系統的深入學習與實踐參與，有助于培養學生的實踐創新意識與基本能力、團隊協作精神和理論聯系實際的學風，有助于學生工程實踐素質的培養，提高學生針對實際問題進行電子設計制作的能力。

表1 實驗內容

2.2 實驗內容的設計

新的實驗教學體系將嵌入式C語言的實驗教學內容分成3個不同的階段，在規定的學時內計劃完成的實驗教學內容如表1所示。

2.3 Proteus仿真軟件的使用

傳統的實驗教學需要配備專門的硬件實驗箱。由于硬件實驗平臺的局限，上節提出的自主創新實驗環節無法開展。為了擺脫傳統硬件平臺的束縛[4]，在實驗教學中引入Proteus仿真軟件是個很好的選擇。

Proteus軟件是英國Labcenter Electronics公司出版的EDA仿真工具軟件，它不僅具有其他EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件，是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。使用Proteus仿真軟件，實現單片機仿真和SPICE電路仿真相結合[5]，接口電路功能相同，采用的硬件設備不同，對學生思路的擴展和學習興趣的提高有很大幫助。Proteus仿真軟件支持主流單片機系統的仿真，可以在一定程度上減少實際硬件設備的投入和對設備的維護成本。學生可利用仿真軟件自己安排實驗內容，將實際工程問題放在軟件環境中模擬，調試通過后，再將其移植到一個具體的硬件電路，讓學生了解仿真軟件和具體的工程實踐結合方法，并節省因方案不正確造成的硬件浪費。

將Proteus軟件與Keil C51引入實驗教學，實現理論和實踐教學的有機結合，學生可以發揮自己的自主性、能動性，從搭建硬件電路開始，測試電路、編寫程序、調試程序，從而完成實驗。這樣能夠激發學生的學習興趣，開闊學生的思維，更深刻培養學生算法設計的基本思想和程序設計的基本技能，提高學生解決實際工程問題的能力[6]。

2.4 成績評定標準的改革

在嵌入式C語言教學過程中，實驗教學的比重和難度有所增加。為了將嵌入式C語言的理論知識與實際應用結合，增強學生的創新精神和實踐動手能力，對課程原有的成績評定標準也應該作出相應調整。原有的課程考核以期末書面筆試為主，占總評成績的80%。改革之后的成績評定分成4部分，期末書面考試50%，基礎實驗20%，綜合實驗10%，以及平時成績10%。期末考試主要考核學生對嵌入式C語言相關內容的總體掌握情況；基礎實驗和綜合實驗是實驗內容中的前6個實驗，主要考核學生的實際動手能力，相關實驗必須使用Proteus仿真軟件仿真通過，根據實際的完成情況給出相應的成績。通過對成績評定標準的改革，加大對實踐能力的考核，擺脫過去對知識的掌握依靠死記硬背的弊病，讓學生真正從實踐中學會主動發現問題并解決問題，在實踐中升華知識。

3 結束語

在嵌入式C語言的教學中，不斷改革教學方法，豐富教學內容，以學生為主體，讓學生更多地從實際應用中徹底理解和掌握單片機及嵌入式系統的工作原理，從根本上解決理論與實踐脫節的問題。

[1]馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計[M].4版.北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[2]段鳳云.嵌入式系統實驗教學的探討[J].單片機與嵌入式系統應用,2006(5):72-73.

[3]鄭廣海,曲英偉.嵌入式Linux操作系統及實踐課程改革[J].計算機信息,2012(4):37-40.

[4]韓翠娥,徐亞卿,郭清晨.將Keil和Proteus軟件引入單片機原理與應用課堂教學[J].中國現代教育裝備,2012(1):93-95.

[5]欒淑麗.如何用Proteus軟件建立單片機仿真虛擬實驗室[J].價值工程,2011(3):1-4.

[6]張子紅,劉鑫.基于Proteus的單片機課程教學改革[J].單片機與嵌入式系統應用,2010(11):15-17.