基于信息化環(huán)境的單片機(jī)課程的教學(xué)方法探討

梁美麗，程靜濤，尹禮壽

(1.山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030013；2.太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030008)

教育部[2018]2號文件中第11條提出推動課堂教學(xué)革命，24條提出重塑教學(xué)形態(tài)。教育部高等教育司司長吳巖透漏到2022年將建設(shè)國家和省級兩萬門“金課”。高職高專學(xué)生入學(xué)成績普遍偏低，基礎(chǔ)文化知識比較薄弱。他們的學(xué)習(xí)主動性自覺性不足學(xué)習(xí)習(xí)慣也不好，如果代課老師在授課過程中以單一的講授方式教學(xué)，往往學(xué)生抱怨聽不懂，老師抱怨自己在唱獨(dú)角戲，最終一堂課下來師生互動較少，教學(xué)效果也不理想。本文以單片機(jī)課程為例, 把虛擬仿真軟件作為單片機(jī)教學(xué)的工具，在此基礎(chǔ)上增加了線上討論互評環(huán)節(jié)，線下輔助等教學(xué)手段，此方法突破了傳統(tǒng)教學(xué)方式存在的弊端，將理論、仿真，實(shí)踐與應(yīng)用相結(jié)合，以項(xiàng)目為單位，以學(xué)生為主體，充分發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主觀能動性，調(diào)動了他們的學(xué)習(xí)欲望和學(xué)習(xí)熱情，改善了課堂氣氛，改變了教學(xué)主體。

1 單片機(jī)課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的單片機(jī)技術(shù)課程教學(xué)主要存在以下幾個方面的問題：

(1)單片機(jī)教學(xué)分為硬件設(shè)計和軟件開發(fā)兩大部分內(nèi)容。在課程規(guī)劃中講授單片機(jī)技術(shù)前應(yīng)開設(shè)模擬電子技術(shù)，數(shù)字電子技術(shù)，計算機(jī)基礎(chǔ)等課程。有些孩子因?yàn)殡娮蛹夹g(shù)課程沒有學(xué)好，剛接觸單片機(jī)時硬件電路看不懂，語言知識也比較薄弱。面對單片機(jī)技術(shù)課程，他們覺得那是一本天書，對課程學(xué)習(xí)沒有信心。而單片機(jī)老師在教學(xué)中按部就班，首先系統(tǒng)性的對基本原理進(jìn)行詳細(xì)講解，文化基礎(chǔ)知識比較薄弱的學(xué)生思考無果，很容易失去學(xué)習(xí)的興趣和動力。教師往往覺得已經(jīng)講解的很透徹了，而學(xué)生卻怎么也想不明白是怎么回事。造成這種現(xiàn)象的根本原因是教師已經(jīng)具備一定的知識體系，而學(xué)生還未建立起自己的知識體系，在具體到個別差異，有的學(xué)生理解能力比較差，接受能力比較慢，授課老師對一些基礎(chǔ)知識沒有深入講解，老師認(rèn)為水到渠成的東西學(xué)生卻無法理解過程是如何推導(dǎo)出結(jié)果的，教師講授完后學(xué)生處于一知半解的狀態(tài)。

(2)單片機(jī)技術(shù)課程課堂教學(xué)演示的效果不太理想。要完成一次課堂的教學(xué)演示老師一般要提前準(zhǔn)備硬件設(shè)備，需要的時間比較長也比較繁瑣。課堂演示時，演示效果的好壞受各種現(xiàn)實(shí)條件的限制，不能充分達(dá)到教學(xué)目的。還有一些同學(xué)離老師的演示設(shè)備比較遠(yuǎn)，無法清晰的看到一些參數(shù)的調(diào)整設(shè)置，故而放棄對課程的深入學(xué)習(xí)。

(3)單機(jī)片課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。單機(jī)片實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)占有十分大的比重。傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)操作中,學(xué)生不熟悉實(shí)訓(xùn)理論,比較容易出現(xiàn)誤操作,實(shí)驗(yàn)設(shè)備較易損壞,部分院校由于資金限制,不能及時補(bǔ)充充足的耗材,在一定程度上阻礙了相關(guān)知識點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。而且隨著大學(xué)擴(kuò)招，高職高專的生源成績越來越低，有些同學(xué)基礎(chǔ)知識太差，對老師反復(fù)強(qiáng)調(diào)的注意事項(xiàng)聰耳不聞，若電路中需要接220V的電源時，學(xué)生的安全意識比較薄弱，實(shí)驗(yàn)老師往往心力憔悴。

(4)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量、種類的不足，滿足不了人人動手的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，當(dāng)幾人一組做實(shí)驗(yàn)時，有些同學(xué)從頭到尾不參與實(shí)驗(yàn)過程，跟著其他同學(xué)混數(shù)據(jù)。還有傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容多以驗(yàn)證性為主，設(shè)計性和開放性不多，對學(xué)生的自主意識及實(shí)際操作能力方面的培養(yǎng)有所欠缺。還有一部分同學(xué)只是照著老師的演示連接電路，并沒有完全理解相關(guān)知識點(diǎn)，只會死搬硬套，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)的最終目的。

(5)隨著生活方式越來越智能化,單機(jī)片的種類及性能也不斷增多,高校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)不可能隨時更新設(shè)備。而且對于一些高職院校也沒有足夠的資金投入到實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中,實(shí)驗(yàn)設(shè)備較為落后的現(xiàn)象暫時無法解決,導(dǎo)致一些實(shí)訓(xùn)無法操作。

2 學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀

隨著中國制造2025戰(zhàn)略規(guī)劃的實(shí)施，工業(yè)產(chǎn)品的智能化與信息化融合對人們的生活影響越來越明顯。物聯(lián)網(wǎng)，車聯(lián)網(wǎng)，嵌入式相關(guān)專業(yè)就業(yè)前景好，學(xué)生渴望從事其相關(guān)專業(yè)的工作，作為其基礎(chǔ)課程的單片機(jī)技術(shù)的講解尤為重要。一邊是枯燥繁雜的理論，另一邊是大學(xué)擴(kuò)招的文化知識比較薄弱的學(xué)生水平，再加上學(xué)生沉迷于手機(jī)，主動學(xué)習(xí)的熱情和動力不足。如何吸引學(xué)生的注意力，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，使學(xué)生不再沉迷于網(wǎng)絡(luò)游戲言情小說是教師值得探索的課題。提高教學(xué)的質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的自信心，改進(jìn)教學(xué)的方法，吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)生的參與度是教學(xué)活動的重點(diǎn)所在。對于綜合性強(qiáng)的工科課程，如單片機(jī)、嵌入式，怎樣突破傳統(tǒng)的教學(xué)模式，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動手和操作能力，是任課教師們不懈追求的目標(biāo)。因此如何改進(jìn)教學(xué)模式，怎么改，效果怎樣成為任課教師的研究重點(diǎn)。

3 在傳統(tǒng)的單片機(jī)編程課中引入Protues仿真軟件

虛擬仿真軟件 Proteus 是由英國Labcenter Electronics 公司于1989年開發(fā)的EDA 軟件，它不僅可以作為一個畫圖軟件，還可以實(shí)現(xiàn)硬件電路設(shè)計與仿真。Protues仿真軟件在單片機(jī)課程教學(xué)中的價值可以歸納為三個方面:一是提高了教學(xué)質(zhì)量。傳統(tǒng)的理論講授教學(xué)方法,很容易使學(xué)生失去學(xué)習(xí)教材的信心。在單機(jī)片教學(xué)中中有效應(yīng)用portues虛擬仿真軟件,學(xué)生可以較為直觀、生動、形象的電路演示效果，這樣更有助于學(xué)生吸收和理解相關(guān)知識點(diǎn),激發(fā)學(xué)生的求知欲,引導(dǎo)學(xué)生主動探索的能力。portues虛擬仿真軟件支持各種主流單機(jī)片,可以滿足普通的教學(xué)需求。在虛擬實(shí)驗(yàn)操作中學(xué)生可以通過虛擬儀器滿足電路設(shè)計，隨時調(diào)整單片機(jī)電路。二是提高了學(xué)生的設(shè)計電路板的效率和動手操作能力。一般實(shí)際的硬件電路理論構(gòu)思上是可行的，但往往與實(shí)際電路會有出入。為了提高學(xué)生設(shè)計可行電路板的效率，可在焊接電路板之前將硬件電路在Protues仿真軟件中畫好，同時在KEIL軟件中編譯程序聯(lián)調(diào)。如果電路可行學(xué)生可以直接進(jìn)入到下一步操作中。如果電路出現(xiàn)問題，學(xué)生可以在Protues仿真軟件中調(diào)出仿真器，從虛擬仿真軟件中找出電路的問題所在然后修改電路，這樣就避免了電路板焊接好后再修改電路。學(xué)生在設(shè)計、調(diào)試以及修改電路的過程中,為了解決電路中出現(xiàn)的問題會反思理論知識點(diǎn)之間的聯(lián)系，這個過程不僅鞏固了知識點(diǎn)而且提升了學(xué)生運(yùn)用理論知識設(shè)計構(gòu)思電路的能力。采用Proteus仿真軟件避免了真實(shí)操作不當(dāng)而造成的儀器儀表的損壞，提高了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的效率。三是Proteus仿真軟件為學(xué)生隨時隨地學(xué)習(xí)電路提供了便利。學(xué)生只要有一臺電腦，就可以隨時在自己的PC上進(jìn)行仿真。

4 在上述的教學(xué)中引入新的教學(xué)理念，改變以往的教學(xué)手段

手機(jī)是學(xué)生的必需品，上課時經(jīng)常有一些學(xué)生低頭玩手機(jī)，任何一個老師都不能保證學(xué)生在上課時不玩手機(jī)。既然不能杜絕這種情況，老師干脆可以讓手機(jī)進(jìn)課堂，在手機(jī)上下載學(xué)習(xí)軟件，老師以手機(jī)為平臺組織課堂教學(xué)，用手機(jī)打敗玩手機(jī)！授課老師應(yīng)用學(xué)習(xí)軟件可以了解每個學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，如遲到早退，作業(yè)是否完成，線下準(zhǔn)備了那些功課。提前有針對性開展教學(xué)活動；也可以幫助老師課程建設(shè)，老師自建資源，融入教學(xué)管理。

課堂教學(xué)可以采用項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)法。項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)發(fā)是以項(xiàng)目為載體,通過項(xiàng)目分析來闡述課程的相關(guān)理論，將課程的主要內(nèi)容設(shè)置成相關(guān)的任務(wù)，縱向上以項(xiàng)目為導(dǎo)向，橫向以任務(wù)為驅(qū)動，具體教學(xué)過程將縱向設(shè)計與橫向?qū)嵤┯袡C(jī)結(jié)合。宏觀上采用項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生以實(shí)現(xiàn)教學(xué)項(xiàng)目為目的而學(xué)習(xí)理論知識，而微觀上則采用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法，將教學(xué)項(xiàng)目分解為若干獨(dú)立任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析任務(wù)、設(shè)計任務(wù)方案、實(shí)施任務(wù)方案。具體授課環(huán)節(jié)老師可以以問題為導(dǎo)向，設(shè)置任務(wù)，采用嵌入測驗(yàn) 巧設(shè)通關(guān)關(guān)卡，投屏教學(xué)等教學(xué)手段激活課堂。具體任務(wù)方案的實(shí)施不僅教會學(xué)生相關(guān)的課堂理論知識，而且培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的綜合能力，還有合作能力和社會能力等。

課堂活動中學(xué)生在手機(jī)上下載統(tǒng)一的學(xué)習(xí)軟件，手機(jī)不再是另老師頭疼的工具，它可以促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主探究，成為師生共同完成教學(xué)目標(biāo)的有力工具。老師也可以組織小組討論環(huán)節(jié)，用手機(jī)軟件控制學(xué)生參與環(huán)節(jié)，在討論中培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)、思辨、歸納總結(jié)能力。課后作業(yè)老師也可以在學(xué)習(xí)軟件做出針對性的回答，有助于學(xué)生知識體系的構(gòu)建。學(xué)生可以利用手機(jī)互評打分，教學(xué)效果得到了及時的動態(tài)反饋。這樣的教學(xué)模式既活躍了課堂氛圍，也在玩兒中理解了知識點(diǎn)，教師的教和學(xué)生的學(xué)的效果和效率都應(yīng)能得到明顯提升。合理利用手機(jī)解決了學(xué)生到課率差，抬頭率低，參與率低的突出問題。

總之，授課應(yīng)堅持“以學(xué)生為中心”原則，落實(shí)學(xué)生在課堂教學(xué)中的主體地位，堅持“教無定法”的教學(xué)原則，以多樣化、多元化的課堂教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生的求知欲和學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生熱愛學(xué)習(xí)，終身學(xué)習(xí)的能力。

5 單片機(jī)課程教學(xué)案例設(shè)計講解

單片機(jī)電路的實(shí)現(xiàn)離不開硬件電路和軟件電路。硬件電路是電路設(shè)計基礎(chǔ)，軟件電路是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的靈魂；是基于硬件電路而設(shè)計的；是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)相關(guān)功能的關(guān)鍵所在。利用Proteus仿真軟件構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，不再拘泥于實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生可以隨時隨地實(shí)踐自己設(shè)計的電路。例如“60 秒計時系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)中，用到了單片機(jī)最小系統(tǒng)，I/O端口擴(kuò)展，LED燈，定時器中斷等硬件，同時針對該硬件需要編寫定時器中斷程序、數(shù)碼管顯示程序、主程序以及子程序，這些都是單片機(jī)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。具體授課環(huán)節(jié)中老師可縱向設(shè)定60秒計時為項(xiàng)目總體 ，橫向設(shè)定數(shù)碼管顯示，中斷程序?yàn)槿蝿?wù)。在任務(wù)講授時插入相關(guān)知識點(diǎn)。下圖電路中紅方塊代表高電平，藍(lán)方塊代表低電平，測量與調(diào)試統(tǒng)一，如果電路出現(xiàn)異常，學(xué)生可隨時調(diào)出虛擬儀器測試電路，在解決問題的過程中有助于學(xué)生感性理解和接收相關(guān)理論知識，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的信心。圖1為60秒計時器仿真截圖，學(xué)生可以在同一電路上舉一反三，如百位計數(shù)器，千位等，難度可逐步加大。學(xué)生分組討論如何實(shí)現(xiàn)電路功能，也可以對定時器和延時的設(shè)置做一個互評，相互參照，學(xué)生在討論中看到了電路的多樣性。

圖1 60秒計數(shù)器仿真結(jié)果圖

6 結(jié)束語

學(xué)習(xí)知識最好的途徑是讓學(xué)生到切身體驗(yàn)知識的應(yīng)用過程與應(yīng)用結(jié)果，即“親身經(jīng)歷”，理論分析與“真實(shí)反饋”，這樣獲取知識更易接受也更易培養(yǎng)靈活應(yīng)用能力。本文研究的項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)法實(shí)現(xiàn)了平面教學(xué)到立體教學(xué)的轉(zhuǎn)變。它采用虛擬仿真軟件Proteus開發(fā)的仿真軟件為平臺，以仿真實(shí)驗(yàn)為媒介，將“可運(yùn)行的單片機(jī)系統(tǒng)”引入到課堂中，實(shí)現(xiàn)了理論知識融入到仿真實(shí)驗(yàn)中，讓枯燥的理論生動起來。項(xiàng)目設(shè)計中硬件設(shè)計、軟件開發(fā)的全過程都可以通過虛擬仿真軟件實(shí)現(xiàn)。總之，項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)法和合理的設(shè)置教學(xué)環(huán)節(jié)可以有效的活躍課堂氣氛，提升教學(xué)效果。教師在理論知識傳授過程中，以項(xiàng)目導(dǎo)入，虛擬仿軟件作為工具，通過演示運(yùn)行結(jié)果調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。子項(xiàng)目中合理設(shè)置相關(guān)知識點(diǎn)，提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考，在師生互動中構(gòu)建教學(xué)項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，提高理論教學(xué)效果，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。在實(shí)踐過程中，本課題確定了研究推進(jìn)的兩個策略：一是讓學(xué)生從參與課堂轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲗?dǎo)課堂，學(xué)生在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)問題，老師幫著解決問題。老師起到答疑解惑的作用，不再是一個人的獨(dú)角戲。二是學(xué)生掌握了一定知識點(diǎn)后可自行設(shè)計電路，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，真正的做到學(xué)以致用。