教學(xué)-實(shí)驗(yàn)-實(shí)訓(xùn)三位一體的單片機(jī)教學(xué)改革探討

閆 龍, 張 鑫, 張順堂, 溫國(guó)鋒, 吳昌友

(山東工商學(xué)院 a.管理科學(xué)與工程學(xué)院; b.信息與電子工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

0 引 言

隨著科技發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化、智能儀表、機(jī)器人、民用電子產(chǎn)品、汽車、航空、國(guó)防等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，單片機(jī)在所有智能芯片類的應(yīng)用中占有90%以上。

單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)是一門實(shí)踐性和綜合性都很強(qiáng)的課程。它是電氣、自動(dòng)化控制、電子、計(jì)算機(jī)等專業(yè)的一門重要課程。前導(dǎo)課程包括數(shù)字電路、模擬電路、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、EDA，相關(guān)課程還有嵌入式原理及應(yīng)用、微機(jī)原理等，在本科生培養(yǎng)過(guò)程中占據(jù)重要地位。同時(shí)，單片機(jī)在教育部和工信部舉辦的各項(xiàng)大學(xué)生競(jìng)賽中也是必不可少的器件。經(jīng)驗(yàn)表明，具有一定程度的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)能力在就業(yè)和考研過(guò)程中往往能脫穎而出。因此，在各高校提高學(xué)生實(shí)踐能力的同時(shí)，單片機(jī)原理及應(yīng)用的教學(xué)和實(shí)踐活動(dòng)在整個(gè)培養(yǎng)方案中比重呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[5～8]。

1 單片機(jī)教學(xué)現(xiàn)狀

目前單片機(jī)教學(xué)基本上采用課堂授課外加實(shí)驗(yàn)的方式。在此過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有以下幾個(gè)問(wèn)題[2,9-15]：

(1) 教材內(nèi)容相對(duì)古板陳舊。目前，很多高校的單片機(jī)教學(xué)中依然采用匯編語(yǔ)言作為主要學(xué)習(xí)內(nèi)容。匯編語(yǔ)言對(duì)于理解CPU運(yùn)行方式、指令周期及地址和信號(hào)復(fù)用、執(zhí)行效率方面有一定的優(yōu)勢(shì)，但在CPU主頻越來(lái)越高、種類越來(lái)越多及使用者范圍越來(lái)越廣的形勢(shì)下，匯編語(yǔ)言無(wú)形中增加了學(xué)習(xí)成本，提高了開(kāi)發(fā)的門檻。在實(shí)踐中學(xué)生更傾向于采用C51語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。C51的可讀性及可移植性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)匯編語(yǔ)言。而在現(xiàn)有的教材中C51的部分只是作為介紹，比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。單片機(jī)內(nèi)容包括單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、硬件時(shí)序、指令周期等，該部分內(nèi)容抽象、晦澀難懂。僅僅靠圖片和教師的解說(shuō)很難深入理解，寄存器內(nèi)容和堆棧等內(nèi)容和8086、8088芯片很容易混淆。雖然教材內(nèi)容也在逐步更新，但和硬件的發(fā)展速度相比要慢。

(2) 實(shí)驗(yàn)箱集成度高，實(shí)驗(yàn)原理難以掌握。很多高校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室為了方便管理，實(shí)驗(yàn)箱集成度很高。學(xué)生直接插拔幾根導(dǎo)線即可完成實(shí)驗(yàn)。做完實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的原理仍然不能充分掌握，印象不深刻。實(shí)驗(yàn)設(shè)備集成度很高，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題不容易調(diào)試。實(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞后只能通過(guò)更換部件來(lái)解決，增加了設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。

(3) 教學(xué)和實(shí)驗(yàn)脫節(jié)。傳統(tǒng)的電子教學(xué)模式是在教室里授課以后，再到相關(guān)實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)。其中，授課與實(shí)驗(yàn)時(shí)間可能相差幾天的時(shí)間，甚至是半個(gè)學(xué)期。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生的想法不能得到及時(shí)驗(yàn)證，問(wèn)題得不到解決，學(xué)習(xí)興趣也得不到提高。久而久之，積累的問(wèn)題越來(lái)越多，學(xué)習(xí)熱情逐漸下降。

(4) 實(shí)踐訓(xùn)練少。單片機(jī)課程是一個(gè)理論加實(shí)踐的過(guò)程，在后期學(xué)習(xí)過(guò)程中，實(shí)踐時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論學(xué)習(xí)時(shí)間。而在課程實(shí)驗(yàn)計(jì)劃中，實(shí)驗(yàn)時(shí)間是十分有限，限于設(shè)備的問(wèn)題，學(xué)生不能充分驗(yàn)證自己的想法。

2 三位一體教學(xué)改革

在教學(xué)改革中，嘗試采用教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)三位一體的教學(xué)方法，更新教學(xué)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，充分發(fā)揮多媒體教學(xué)功能。增加學(xué)生接觸實(shí)驗(yàn)設(shè)備的機(jī)會(huì)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.1 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

為了滿足新的教學(xué)方法的需要，首先建設(shè)了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室，每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括微機(jī)一臺(tái)和實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)，并配有多媒體(見(jiàn)圖1)。購(gòu)買了正版的Keil、Proteus軟件和多媒體教學(xué)軟件。實(shí)驗(yàn)室微機(jī)通過(guò)聯(lián)網(wǎng)和多媒體電子教室軟件用來(lái)授課或展示，教師端顯示器的圖像可實(shí)時(shí)傳送到學(xué)生顯示器上。可實(shí)現(xiàn)文件分發(fā)與收取、統(tǒng)一測(cè)試等功能。微機(jī)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備通過(guò)com端相連，以串行方式通信，實(shí)現(xiàn)一鍵下載等功能。微機(jī)端可實(shí)現(xiàn)程序的單步運(yùn)行調(diào)試、設(shè)備監(jiān)控等功能，還可獨(dú)立進(jìn)行Proteus仿真。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

2.2 教學(xué)與實(shí)驗(yàn)

在單片機(jī)原理及應(yīng)用課程中，教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)都在實(shí)驗(yàn)室中完成。教學(xué)時(shí)通過(guò)多媒體電子教室軟件可將教師端的顯示器窗口廣播給學(xué)生端，端口引腳及導(dǎo)線連接更清晰，教師可以用不同顏色的線進(jìn)行標(biāo)識(shí)，解除了投影儀解析力不夠、學(xué)生看不清楚連線的難題。

每堂課50 min，講課時(shí)間控制在35 min左右，學(xué)生用留下的15 min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)期開(kāi)始將課程規(guī)劃發(fā)給學(xué)生，每次課的內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)要進(jìn)行預(yù)習(xí)。如果不預(yù)習(xí)在15 min內(nèi)順利完成實(shí)驗(yàn)會(huì)有一定難度，在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中教師巡回檢查實(shí)驗(yàn)情況，很容易發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)和教學(xué)中存在的問(wèn)題。

把實(shí)驗(yàn)時(shí)間打散融入教學(xué)，使教學(xué)和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式既合理的利用了時(shí)間，又提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。根據(jù)調(diào)查，學(xué)生的注意力是有限的，一般學(xué)生每堂課大概能集中注意力20～25 min左右。做試驗(yàn)時(shí)，學(xué)生有了動(dòng)手和思考空間，一般都能全神貫注地投入。如果每堂課講50 min，時(shí)間利用率只有50%左右，而講課35 min+實(shí)驗(yàn)15 min，時(shí)間利用率可提高到80%以上。

另外，課程教學(xué)計(jì)劃中添加了C51編程與Proteus仿真[3]，圖2所示為Proteus學(xué)習(xí)資源，大概占用4～6學(xué)時(shí)。鼓勵(lì)學(xué)生從實(shí)踐中學(xué)習(xí)，同時(shí)采用匯編和C51進(jìn)行編程，更好地體會(huì)兩者的優(yōu)缺點(diǎn)。建立Proteus仿真實(shí)驗(yàn)中心，從簡(jiǎn)單實(shí)例開(kāi)始到常見(jiàn)的應(yīng)用都建立了模板，學(xué)生練習(xí)起來(lái)就像沖關(guān)玩游戲，積極性大大提高。Proteus仿真實(shí)驗(yàn)室克服了實(shí)驗(yàn)設(shè)備集成度高的缺點(diǎn)，可以從零開(kāi)始自主搭建系統(tǒng)，能更深入地了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程[4]。

圖2 Proteus學(xué)習(xí)資源

2.3 實(shí)訓(xùn)及考核環(huán)節(jié)

在完成教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，還增加了實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目如表1所示。實(shí)訓(xùn)由之前的課程設(shè)計(jì)演變而來(lái)，但包含的內(nèi)容更廣泛，形式也更靈活。結(jié)合學(xué)校的教學(xué)任務(wù)和發(fā)展規(guī)劃。實(shí)訓(xùn)需要完成1～2個(gè)比較完整的項(xiàng)目。根據(jù)項(xiàng)目的難度評(píng)分。學(xué)生可自由選擇難度不同的項(xiàng)目選做。做的形式也較為靈活，可通過(guò)Proteus進(jìn)行模擬和仿真，也可選擇做出實(shí)物，通常做出實(shí)物的組都能得到較高的分?jǐn)?shù)。

學(xué)校還推出了以賽代練的活動(dòng)，可以比賽的作品來(lái)代替課程設(shè)計(jì)，對(duì)于一些喜歡硬件設(shè)計(jì)的同學(xué)是個(gè)福音，這些同學(xué)對(duì)于硬件設(shè)計(jì)介入較早，參加過(guò)電子設(shè)計(jì)比賽或機(jī)器人大賽，可將他們的時(shí)間從課程設(shè)計(jì)中解放出來(lái)參加更多的比賽活動(dòng)。

2.4 教學(xué)實(shí)例

現(xiàn)就實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中：“步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制與實(shí)現(xiàn)”討論單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)的具體實(shí)施過(guò)程。

表1 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目列表

(1) 設(shè)計(jì)目標(biāo)。使用AT89C51單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、換擋控制、顯示控制狀態(tài)等要求。考慮單拍運(yùn)行和雙拍運(yùn)行兩種方式顯示。

(2) 方法分析和相關(guān)知識(shí)點(diǎn)講解。此項(xiàng)目中涉及到了按鍵控制、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理及控制方法、顯示器顯示等內(nèi)容。教師可以引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)思實(shí)現(xiàn)方法，比如顯示是使用數(shù)碼管還是LCD，按鍵采用中斷處理還是掃描處理等，然后教師講解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單拍、單雙拍及雙拍運(yùn)行方式的區(qū)別、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路等。

(3) 學(xué)生分組討論實(shí)施方案。學(xué)生2至3人1組，討論實(shí)施具體方案，得出各小組的設(shè)計(jì)方案。

(4) 硬件設(shè)計(jì)方案。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)與設(shè)計(jì)方案在Proteus仿真軟件中畫出如圖3所示的電路圖。各小組方案不一樣，硬件設(shè)計(jì)圖有一些差別。

圖3 Proteus仿真工作界面

(5) 軟件設(shè)計(jì)及聯(lián)合調(diào)試。根據(jù)圖4所示的程序流程圖，在Keil uvision中編寫源程序，對(duì)源程序編譯，產(chǎn)生可執(zhí)行Hex文件。將通過(guò)調(diào)試的程序加載到Proteus仿真電路中，聯(lián)合調(diào)試。

圖4 數(shù)字電壓表程序流程圖

(6) 實(shí)際作品制作。仿真調(diào)試通過(guò)后，學(xué)生在Altium Designer軟件中繪制原理圖并設(shè)計(jì)PCB，Proteus中也有類似的功能，可直接由仿真原理圖生成PCB圖。一般情況下，由于是練習(xí)作品，推薦學(xué)生用面包板或萬(wàn)用板實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的功能。

(7) 測(cè)試與評(píng)價(jià)。項(xiàng)目完成后，由學(xué)生之間互相檢查項(xiàng)目的完成情況，展示學(xué)生的成果，交流心得體會(huì)及經(jīng)驗(yàn)，推薦最佳作品，并進(jìn)行公開(kāi)匯報(bào)，最后由教師總結(jié)并進(jìn)行評(píng)價(jià)。在項(xiàng)目完成后，學(xué)生以項(xiàng)目組為單位，完成資料的編寫與整理工作，以便查詢和存檔。

3 結(jié) 語(yǔ)

在實(shí)施教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)三位一體的教學(xué)方法中也給教師提出了新的挑戰(zhàn)。① 授課時(shí)間減少，要突出重點(diǎn)，抓住學(xué)生理解的難點(diǎn)。② 要在實(shí)踐過(guò)程中對(duì)各種器件和常見(jiàn)的應(yīng)用了然于胸，對(duì)調(diào)試過(guò)程比較熟悉，而不僅僅是紙上談兵。③ 課程、實(shí)驗(yàn)及實(shí)訓(xùn)中，考核環(huán)節(jié)增多，增加了教師的工作量。

對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣也有新的要求。課前必須進(jìn)行預(yù)習(xí)，帶著問(wèn)題和任務(wù)來(lái)聽(tīng)課，否則在有限的時(shí)間內(nèi)掌握不了課程內(nèi)容。課前要把實(shí)驗(yàn)程序準(zhǔn)備好，否則有可能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完不成實(shí)驗(yàn)。課程內(nèi)容當(dāng)堂理解，實(shí)驗(yàn)過(guò)程促使學(xué)生積極思考教學(xué)內(nèi)容，而且動(dòng)手也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

將教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)合為一體，基本上解決了單片機(jī)教學(xué)中理論和實(shí)踐統(tǒng)一的問(wèn)題。在進(jìn)行本課程的過(guò)程中，學(xué)生將數(shù)字電路、模擬電路及微機(jī)原理、單片機(jī)的知識(shí)融會(huì)貫通，并對(duì)日常開(kāi)發(fā)軟件Proteus、Keil C、Altium designer等都能熟練掌握，在全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)比賽、飛思卡爾智能車比賽和其他大學(xué)生創(chuàng)新比賽中都起到了積極的作用。