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(qū)教學運行部 遼寧 大連 116028

嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)中。嵌入式C語言以開發(fā)速度快、可讀性好、工作效率高等優(yōu)勢逐漸取代了匯編語言成為嵌入式系統(tǒng)的主要開發(fā)工具。為了適應形勢的發(fā)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(yǎng)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(huán)節(jié)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(yǎng)適應社會需要的嵌入式開發(fā)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(yè)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(tǒng)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(xiàn)階段的實驗利用實驗教學平臺完成。學生根據(jù)實驗指導書的要求完成Keil C51開發(fā)環(huán)境與開發(fā)流程，中斷、定時器/計數(shù)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(tǒng)的探究及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在這種情況下，對現(xiàn)有的實驗教學環(huán)節(jié)進行適當?shù)母母锞惋@得尤為重要。

2 實驗教學的改革思路

為了激發(fā)學生的學習興趣，增強學生的創(chuàng)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(tǒng)知識獲得的過程與掌握方法，培養(yǎng)學生的創(chuàng)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(chuàng)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(yǎng)。根據(jù)實驗指導書的要求，了解Keil C51軟件開環(huán)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(fā)環(huán)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(shù)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(tǒng)，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(tǒng)中的應用，突出“嵌入式C語言”的特色。

3）提高層。除了在規(guī)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(yè)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(tǒng)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(tǒng)的深入學習與實踐參與，有助于培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新意識與基本能力、團隊協(xié)作精神和理論聯(lián)系實際的學風，有助于學生工程實踐素質的培養(yǎng)，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(guī)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(tǒng)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(jié)提出的自主創(chuàng)新實驗環(huán)節(jié)無法開展。為了擺脫傳統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(huán)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(jié)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(xiàn)理論和實踐教學的有機結合，學生可以發(fā)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(fā)學生的學習興趣，開闊學生的思維，更深刻培養(yǎng)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(chuàng)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(jù)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)的工作原理，從根本上解決理論與實踐脫節(jié)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(tǒng)實驗教學的探討[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2006(5):72-73.

[3]鄭廣海,曲英偉.嵌入式Linux操作系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)應用,2010(11):15-17.