基于Proteus的单片机课程教学改革

张子红,刘鑫

(黑龙江科技学院,哈尔滨150027)

引 言

单片机课程是电子、通信、机电等专业的重要基础课,是一门技术性和实践性很强的课程,应用领域非常广泛,实用性很强,且与后续专业课程、课程设计和毕业设计的联系非常紧密。该课程的教学目标是使学生掌握单片机的结构、工作原理、寻址方式、指令系统,能进行硬件接口和应用程序的设计及对常用的单片机设备进行调试,并能设计实际应用产品。但由于多方面原因,大学单片机教学的效果并不理想,该课程的教学目标很难实现。

1 单片机教学改革的必要性分析

1.1 单片机课程的特点

①单片机课程内容丰富,包括硬件资源、软件系统、应用设计三大部分,覆盖了硬件、软件及应用,内容跨度大,但又相互渗透,紧密联系。

②单片机课程应用性和实践性非常强,这就要求单片机课程应采用课堂教学与实践教学相结合的教学方式。

③单片机课程的很多教材内容与工程实践的要求相比相距甚远,这就要求教师在单片机课堂教学中将书本教学内容与工程实践结合起来。

1.2 传统教学存在的问题

长期以来,单片机课程教学由理论课程教学、实验课程教学等环节构成。单片机课程的教学采用“先原理后设计、先理论后实验”的模式,理论教学的学时一般大大多于实验教学的学时,而且实验教学一般在“指令系统”讲授之后才开始进行。这种教学体系的不足之处在于[1]:

①以讲解大量的原理来引导学生入门,不仅使学生理解困难,而且感觉枯燥乏味。

②教学过程中以单片机原理为核心,其应用只是点缀,造成学生应用能力的培养不足。

③软硬件介绍分离,对单片机软硬件结合的系统设计方法强调不够,这使得学生在构建实际的单片机应用系统时缺少系统化的思路。

④学生在学习过程中无法及时地验证单片机的各部分功能,使学生失去了深入学习单片机的兴趣。

⑤通常是在讲授相关的理论之后才可以验证实验,使学生不能很好地掌握相关的理论。

⑥学生的动手经验完全来自于加工成箱的实验设备。学生主要的工作是机械地接孔连线,创造性的思维完全被禁锢在小小的实验箱中,严重挫伤了学生的开发兴趣。

⑦实验箱经长期使用后,有些功能可能出现了故障,学生无法正确地验证实验。

⑧实验箱设备的更新对于实验室来说也是一笔不小的开支。

综合以上因素,我们急需对单片机课程的教学进行改革。

2 单片机教学效果不理想的原因分析

2.1 单片机课程教学情况调查和教改目标

自从参加单片机教学工作以来,对单片机传统教学的情况进行了调查和分析,分别对我校计算机通信学院2003～2007学年单片机课程的教学计划及教学效果进行了调查和统计,见表1和表2。

表1 单片机课程教学计划调查表

表2 单片机课程教学效果调查表

根据调查结果,进行统计和分析,得出各项变化曲线,如图1所示。

图1 传统单片机课程教学的效果柱形图

根据以上调查情况,我们可以得出如下结论:

①理论教学学时逐年减少,理论考试成绩不断下降。

②实验学时逐年增加,实验成绩逐年提高,实验项目成功率也逐年提高。

③课程实训的学时增加较多,因此学生的实验成功率和应用设计作品成功率都在逐年大幅提高,而且参加全国大学生电子设计大赛的学生有多人获得奖项。

总结这些年的变化是由于我校对学生动手能力的重视和培养,但由于总学时数有限,不得不牺牲学生理论教学的学时数,导致学生单片机理论考试成绩逐年下降。综合以上分析,有必要对单片机的教学进行改革,急需找到既能提高学生理论水平又能迅速提高学生的动手实践能力的教学方法,以便进一步提高教学质量,提高学生综合素质,以适应社会的竞争。单片机教改的目标是理论和实验教学获得双赢的教学效果,确定了如下教改目标,如图2所示。

图2 教改单片机课程教学效果目标柱形图

2.2 传统单片机教学效果不理想的诸多原因分析

为了使得单片机的教改活动取得成功,我们分析单片机教学效果不理想的诸多原因并找出主要原因,见图3。

图3 教学效果因果图

经过分析,导致单片机教学效果不理想的原因非常多,其中主要影响因素如下:

①资金不足。不能及时更新和添置实验设备,导致学生的动手实践能力不能得到很好的锻炼。

②学生上课不认真听讲。不能较好理解单片机的教学内容,渐渐失去学习兴趣。

③教学方法不得当。教师的教学方法和手段落后,教学内容枯燥,直接影响了学生的学习热情和兴趣,学生普遍缺乏学习的主动性和积极性。

针对上述影响教学效果的原因,提出利用Proteus软件辅助单片机课程的教学,减少资金投入,提高学生学习兴趣,掌握理论和实践应用技能。

3 基于Proteus的单片机课程教学实施概况

3.1 Proteus软件介绍

英国Labcenter公司的Proteus软件,作为一个完整的电子设计与仿真平台,由于其能实现电路仿真与处理器仿真的有机结合,为单片机的教学与实验提供了革命性的手段,现在已经被越来越多的大学采用为单片机系统实验室平台及创新平台[2]。随着电子技术和计算机技术的迅猛发展,传统的教学模式已经满足不了现代化教学的需要,利用计算机的电子设计自动化EDA(Electronics Design Au tomatic)软件进行多媒体辅助教学,已成为一种必然的发展趋势。Proteus仿真软件可以完成无实物仿真虚拟实验,作为教学手段得到广泛应用。

3.2 Proteus软件在单片机课程教学中的具体应用

单片机教学涉及软件和硬件两方面的知识,在教学中应从单片机应用者的角度来讲述,在工程应用的基础上,理解和掌握单片机的硬件资源。下面以单片机驱动数码管的静态显示为例来说明应用Proteus进行单片机课程教学的改革实践与体会。[4]

单片机的I/O口和数码管的理论知识讲述比较枯燥,老师费尽口舌,学生也难以理解,而且学生自己动手应用的机会也比较少。实际上应从应用的角度出发,将软硬件结合来讲,在理论讲述的同时,设计一个实例,利用Proteus仿真软件设计硬件电路,用Keil软件进行控制程序的编程、编译和软件调试,然后在Proteus中仿真实现。

首先,在Proteus仿真软件中完成硬件电路的设计部分。硬件的设计方案有多种,可以给学生们列举出来,选出一个作为本次课程的例子。其余的方案可以让学生课后回去练习。这里以AT89S51单片机的P0口为例,P0口外接一上拉电阻和一个共阳数码管,进行适当的布线后其结果如图4所示。

其次,在Keil软件中完成程序的设计部分。根据电路要完成的功能画出程序流程图,可以用汇编语言或C语言完成程序的编写。本程序是用C语言编写的,如图5所示。

经过反复的调试可以看到数码管上会循环显示0～F这16个字符。如图6、图7所示。通过多媒体教学设备,

图4 P0口驱动数码管硬件原理图

图5 P0口驱动数码管的程序

图6 数码管显示数字0的效果

图7 数码管显示字符F的效果

学生可以清楚地看到从硬件电路设计、编程以及软件调试到硬件仿真的整个工程实践的过程。学生在理论学习的同时增加了感性认识,进一步激发学生学习的兴趣,更重要的是强调了单片机软硬件结合的系统设计方法。然后在学生理解和掌握单片机并口的基本知识的基础上,继续引导学生在这个例子上做进一步的扩展,如实现数码的动态显示,按键的识别等。学生基本掌握了单片机的I/O口的输入输出功能,教学效果非常好。

同时,在单片机实验室的教学资源比较紧张的情况下,可以使用Proteus仿真软件来完成一些实验的验证[3],学生们可以根据实验的目的和要求,独立设计实验的硬件电路和程序,在Proteus仿真软件里首先调试通过。调试通过后,还可以依据原理图,结合硬件仿真实验箱,搭建实际的硬件实验电路,对软硬件进行联机调试,然后观察实验现象,分析实验结果,写出实验报告。在调试过程中,学生要自己动手分析解决实验中出现的问题,在解决问题的过程中进一步加深对单片机应用系统软硬件设计的理解。这样不仅可以培养学生的动手实践能力,还可以提高学生独立分析和解决实际问题的能力。

4 单片机教学改革效果检查

我校2007～2008学年的单片机课程采用基于Proteus的单片机课程教学方法,统计数据如表3、表4所列。

表3 教改后教学计划表

表4 教改后教学的效果表

将教改后的各项数据指标进行统计分析,并与教改前进行对比,见图8。

图8 教改前后教学效果对照柱形图

以上数据和图表显示,我校2007～2008学年的单片机课程采用基于Proteus的单片机课程教学方法后,提高了学生的学习热情,各项成绩均有所提高,尤其是应用设计作品成功率大幅提高了,达到了教改的既定目标。

结 语

基于Proteus的单片机课程教学改革,从软硬件结合、工程应用的角度讲述理论知识,增强了学生的感性认识,进一步激发学生的学习兴趣和主观能动性。教学实例演示速度快,方便直观而且形象化,体现理论教学与实践教学的有机结合,有利于培养学生的动手能力、创新能力和综合运用知识的能力,使学生受到更为实际、更加全面的科学研究与工程实践训练,提高教学质量。本次教改活动,不仅取得了较好的经济效益,而且对于日后的教学改革提供了的尝试。目前,还需要继续提高学生的学习积极性和创业精神,加大教改的力度和活动范围。

[1]汪宁.PROTEUS软件的单片机仿真方法[J].山东轻工业学院学报,2007,21(1):24-27.

[2]李峻薇.PROTEUS在单片机教学中的应用[J].科技广场,2007(9):179-180.

[3]刘心红.PROTEUS仿真技术在单片机教学中的应用[J].实验室技术与管理,2003,24(3):96-98.

[4]袁峰伟.基于PROTEUS的单片机课程教学与实验改革[J].实验室研究与探索,2007,26(12):75-78.