硬件資源匱乏條件下單片機實踐教學改革研究

摘要：針對部分高校單片機硬件條件相對匱乏，導致單片機實踐教學質量下降的問題，提出虛擬仿真與開放實驗項目相結合的思路，構建理論分析—虛擬仿真—硬件工程項目開發的教學模式，以提高學生的理論分析水平和實踐能力。實踐證明，該方法既取得了一定成效，也避免了硬件資源的浪費。

關鍵詞：單片機；虛擬仿真；開放實驗；教學改革

作者簡介：白鐵成（1982-），男，黑龍江綏化人，塔里木大學信息工程學院，講師；蔣霞（1981-），女，新疆阿拉爾人，塔里木大學信息工程學院，講師。（新疆 阿拉爾 843300）

基金項目：本文系塔里木大學高教課題項目（項目編號：TDGJ1213、TDGJ1212）的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）28-0155-02

單片機課程是計算機專業、測控與通信專業、電子信息等專業的基礎課程，是一門理論與實踐相結合的課程，通常采用課堂理論教學、實驗和課程設計的教學模式，[1]使學生了解單片機技術在農業、工業、醫療和生活中的應用，熟悉單片機的原理與結構，通過實驗實訓和課程設計，掌握單片機指令系統、結構原理、接口技術，以及單片機應用系統開發、設計的基本技能。[2]但單片機課程既抽象又不容易學，雖然課程也安排了實驗教學和課程設計環節，但實踐教學環節仍主要以驗證內容為主，僅僅讓學生熟悉和使用簡單的匯編語言或C語言，去驗證一些基本的實驗，學生無法理解該課程設置的真正含義，[3]也不知道一個實際工程項目的系統方案如何設計，芯片如何選擇，軟硬件如何調試，項目成員如何分工，久而久之會導致學生的學習積極性減弱。如果盲目的給學生提供大量的硬件，學生在對整個設計流程不清楚的情況下，又會造成大量的硬件浪費。[4]因此，為了提高學生單片機的實踐能力，提出了虛擬仿真、硬件調試和開放實驗（模擬項目開發）的實踐教學模式，提高了學生的實踐能力和團隊合作精神。

一、單片機實踐教學培養方案

單片機實踐能力培養流程如圖1所示。

整個過程包括三部分內容：首先，Proteus仿真可以鍛煉學生的電路設計能力、軟件編程能力，可以通過Proteus和KEIL軟件實現，以避免硬件資源的浪費；其次，通過仿真掌握了電路的基本設計知識和軟件編程能力后，便可進入實際硬件的設計過程，使學生掌握硬件電路的調試和軟件程序的編寫過程；最后，通過開放實驗項目，鍛煉學生單片機的綜合應用能力，并模擬工程項目的整個開發過程，更好的與企業接軌。

二、虛擬仿真與硬件調試設計方案

學生在對單片機系統設計不熟悉的情況下，盲目的進行實際硬件設計顯然是不合適的，會導致大量的硬件資源的浪費，而Proteus軟件卻可以很好地解決這一問題，尤其是在一些經費不足、硬件條件匱乏的學校。Proteus提供的智能模擬仿真環境使得實驗具有高效性與確定性，同時內嵌的圖表分析使得實驗結果直觀明了，尤其是Proteus提供的多種單片機芯片及虛擬儀器，使得直接在PC機上進行預開發成為可能，[5]為后續的硬件電路設計和調試提供了理論依據。

1.Proteus基礎實驗模塊

基礎實驗模塊主要是使學生掌握內部結構、基本外圍電路的設計和軟件驅動程序的開發能力。設置內容包括：

（1）軟件程序基礎設計模塊。主要進行片內清零與置數程序設計、拼字與拆字程序設計、數據塊傳送與排序程序設計。

（2）通用I/O控制實驗模塊。主要進行閃爍燈、流水燈、花樣燈的硬件仿真和軟件程序的設計。

（3）定時、終端與通信接口模塊。主要進行定時/計數器的應用、中斷應用、單片機間串口通信、單片機與PC機間串口通信實驗設計。

（4）數碼管顯示實驗模塊。主要進行LED數碼管靜態顯示、串行口驅動LED數碼管顯示、計數器設計、計時器設計、數碼管移位顯示、點陣顯示。

（5）鍵盤應用實驗。查詢式鍵盤設計和矩陣式鍵盤識別實驗。

（6）D/A和A/D轉換器的應用。dac0832 D/A轉換器的應用、tlc5615 D/A轉換器的應用和adc0832（0808轉化器的應用）、數字電壓表的設計。

（7）顯示器的應用實驗。點陣LED的應用、LCD液晶顯示器的應用。

（8）電動機控制。步進電動機啟動、停止、正反轉、轉速控制實驗和直流電動機起動、停止、正反轉、轉速控制實驗。

2.Proteus綜合實驗設計

掌握了Proteus基礎實驗模塊的內容后，下一步需考察學生對以上實驗模塊的掌握情況及綜合運用能力，進而鍛煉學生的單片機系統設計思維和能力。具體實驗設置方案舉例如下：一是數字電子時鐘設計，可采用定時器或DS1302模塊進行設計；二是模擬交通燈設計；三是按鍵控制熱水器溫度系統設計；四是籃球積分器設計；五是血壓測量儀的設計。

3.Proteus制版和硬件調試實驗

通過上述虛擬仿真實驗的鍛煉，學生已基本具備了單片機系統設計思想和軟件編程能力，但硬件調試與軟件仿真略有差異。硬件調試過程中總是不可避免的出現各種各樣的問題，所以實際的硬件制版、焊接和調試能力設計是必要的。實際課程設計過程中，可鍛煉學生這方面的能力。制版可以使用Proteus軟件進行，避免使用其他學生不熟悉的軟件，增加學生的負擔。

三、開放實驗設計方案

對于注重應用的單片機課程而言，實際的工程項目和產品開發能力、團隊協作能力是必不可少的，而現在的在校學生很少有機會去參加公司的工程項目，申請國家和學校的創新項目的學生更是少之又少。筆者建議應通過設置開放實驗實踐教學的方式，模擬公司的項目申請、項目論證和項目結題，由學生組成3～5人的項目開發小組，自選開放實驗題目，每個小組配備一名指導教師，學院根據本院的經費情況，資助一定的項目經費，制定嚴格的管理制度和評審機制。

1.開放實驗申請基本條件

（1）開放實驗主要面向已進行過單片機課程的大三、大二學生，適當加入大一學生，項目組成員建議有梯度，一般為3人，項目工作量大時可適當增加到5人。

（2）需要的先修課程包括“模擬電子線路”、“數字電子線路”、“單片機原理及接口技術”、“C語言程序設計”。

（3）選題應具有一定的實際應用價值，并注意成本控制，對超出申請經費的項目說明所選項目的創新性。

（4）項目申請書采用統一的格式，主要闡述背景、意義、研究內容與目標、研究方案和考核指標。

（5）指導教師應嚴格審查項目研究的意義和可行性，對于立項的項目應根據學院安排認真審查項目研究進度。

（6）開放實驗項目的實施年限為1～2年。

（7）學院對本次開放實驗計劃統籌管理，監督實驗室值班和指導工作，對實驗成果進行審核。

2.開放實驗項目具體要求

為了保證開放實驗項目的順利進行，學院應提供給學生專門的開放實驗室，指導教師需要實時講解學生在項目研究中遇到的問題。為了讓學生能通過開放實驗，鍛煉動手能力、主動思維、團隊協作能力，讓學生在所選領域獲得知識，取得成績，根據以往經驗，開放實驗需做以下紀律要求（僅供參考）：

（1）開放實驗項目授課期間，學生不能無故請假，如未到次數超過1/3，取消其開放實驗項目資格。

（2）自主設計期間，每組每周至少實驗4小時（以簽到為準），每周由指導教師核查一次，不能遵照此條，取消開放實驗項目資格。

（3）實驗期間遵守實驗室各項管理規定，愛護實驗設備。

（4）在實驗小組中，如指導教師發現有小組成員在小組中沒有發揮作用，取消其實驗資格。

（5）開放實驗結束后，各指導教師審核實驗結果，如沒有實驗成果或實驗結果虛假，取消其實驗資格，不給予學分。

（6）指導教師必須按照已申請實驗內容，做好實踐教學準備，嚴格遵守實驗教學時間表，并在學生自主實驗時間做好與學生的溝通和對學生的指導。

（7）指導教師必須在規定時間上交學生實驗成果，如實驗成果不具有真實性、專業性，不核發工作量。

總之，單片機是一門以實踐能力培養為目標的課程，近幾年針對塔里木大學的實際情況，一直致力于該課程實踐教學方法的探索，并取得了良好的教學效果，尤其是開放實驗項目的設置，提高了學生的學習興趣和實踐能力，但受經費的限制，無法保證每位同學都能參與該項目，該問題在資金匱乏的情況下很難解決。單片機實踐教學仍然有許多工作值得我們去研究，只有不斷探索、不斷創新，才能更好地為培養學生服務。

參考文獻：

[1]苗新法.單片機教學改革方案探索[J].中國現代教育裝備，2009，（8）：79-80.

[2]張子紅，劉鑫.基于Proteus的單片機課程教學改革[J].TOPICAL DISCUSS，2010，（11）：15-18.

[3]倪曉軍，章韻.基于模塊化實驗系統的單片機教學改革[J].計算機教育，2009，（18）：136-139.

[4]鄧文娟，朱兆優，王嵩.探索單片機教學改革提高學生工程實踐能力[J].東華理工大學學報（社會科學版），2010，（12）：383-386.

[5]王旭英.基于Proteus的單片機教學改革研究[J].中等職業教育，2010，（3）：37-38.

（責任編輯：孫晴）