处理芯片类课程的教学法改革初探

许强 重庆交通大学信息科学与工程学院 400074

处理芯片类课程的教学法改革初探

许强 重庆交通大学信息科学与工程学院 400074

针对电类专业涉及处理芯片类的专业课程，如《单片机及应用》等，根据学生学习的阶段特点，设计“三步”教学法，第一步以基础仿真教学法为主，注重初期学生的理论扎实性和生动性；第二步突出集成仿真教学法，引导学生工程系统集成设计的培养；第三步虚实结合教学法，突显实作技能培养的目的性，提高学生实际设计、调试和各仪器运用综合能力。此套教学法，减少了教学的抽象性、复杂性、节省了教学成本、增强了趣味性，提高了学习信心。

仿真;集成仿真;虚实结合;教学改革;

1、引言

处理芯片类课程涉及《单片机原理及应用》《微机原理接口技术》《嵌入式系统原理及应用》《EDA原理及应用》等课程，受众学生多，在各大专院校、 职业培训学校均开设，且开设的专业也多，如电子信息、计算机应用、通信工程、机电一体、仪器仪表、自动控制等专业，这类课程的共同特点是注重理论，更重视实训，是专业职业教育的终端课，是对电气信息类专业学生的职业生涯有巨大帮助的课程。

通过走访调查，发现许多高校、职校和培训机构就这类课程采用传统式的教学法还有一定比例，课堂上少量的板书和大量的PPT文档和图文施以教学，缺乏直观生动的教学方法，而且少有集成大系统在课堂上进行图示分析和系统设计过程的解析，在实验课上，还局限于实验箱上的实训，实验单一、简单手工化，无法得到实质训练，也有少量采用芯片搭建训练，但消耗成本高、单一实验周期长、内容单一、缺少真正系统集成[1][2]。针对这些不足，探索符合这类课程的教学理念、内容、方法和手段，是非常迫切的。笔者提出了基础仿真教学法、集成仿真教学法和虚实结合教学法为一体的三步骤教学法，此处称“三步”法，就是以基础仿真为基础训练，集成仿真为深度训练，虚实结合为工程系统综合设计性演练的教学套路。经过笔者多年的教学实践证明，该教学法是行之有效的，学生学习效果、创新能力明显得到加强。

2、“三步”教学法在教学过程中的应用

2.1 基础仿真法的应用

在众多仿真及开发软件，如Protues、Labview、EWB、MATLAB、ORCAD、Protel、PSPIC、Multisim、VB、VC等，选中适合处理芯片类课程的仿真软件Protues，适合数据处理分析的仿真软件MATLAB，在处理芯片类课程的理论教学中，以MATLAB对公式、处理算法的仿真分析，目的是支持应用环节的算法编程，比如类似自动控制PID调节算法等，让学生真正撑握应用中的高尖知识。但最重要的是采用Protues软件，由于软件本身提供了上千种虚拟器件，包括多种类型的处理芯片，并可在其上搭建虚拟系统，逼真模仿实际系统逻辑的运行，教师在施教前，必须备好对应章节的虚拟系统，比如就《单片机原理及应用》课程，我们建立好了虚拟实验库，所涉如接口扩展、8255/8279/8253、键盘、LED动态显示、LCD显示、A/D转换、D/A转换以及串行口和MAX232、阵列键盘与显示组织、步进电机、直流电机控制等实验内容，充分覆盖教材各章节的理论、公式和芯片模块内容。在实验课上，采用广泛覆盖原则，编排基础仿真设计讲解的项目，但基础仿真系统项目突出第二步提到的集成仿真项目的各部件内容。比如，为了达到图1的综合平台系统的设计，在基础仿真实验项目安排上，选择了接口扩展、8255、键盘、LED动态显示、A/D转换、D/A转换以及串行口和MAX232等实验内容作为基础仿真设计讲解，并安排实验在8个课时左右，每个课时要让学生完成一个老师指导下的设计演示验证小实验，通过动手设计电路图、程序，并与课堂讲解内容相结合，从而巩固学生的基础知识。

基础仿真法一定在入门阶段使用（即各章节讲解段）。由于电路图与程序逼真地结合，动感十足，让课堂教学更生动直观，学生易理解、互动性强，让课堂教学与实验课既是可行的，又具有吸引性和挑战性。

2.2 集成仿真教学法的应用

由于芯片类课程教材大多数特点是：按章节，孤立解析相应模块的原理，加上传统教学中一般很难作到，将实际工程产品再结合章节内容，实施直观详细全面解析。不少学生把这类课程仅作为功能原理学习课，学完课程后很难将所学融入自主工程设计中去，更谈不上创造了，其后果是学生仅为考试而学，因考试的本身又以功能原理的知识点为主。调查发现，学生所学离实际工程应用相差甚远，为此学生常常产生怨言、社会对大学生职业能力产生质疑。

如何摆脱这种只顾原理知识点，不顾工程职业素质训练的缺陷教学，我们制定了第二阶段教学法：集成仿真教学法。即集成前期多项单一仿真项目为一体（即：应用系统）的过程实施教学法。

Protues为集成仿真教学法的开展提供了可能，在教学实践过程中，笔者总结了如下实施过程：

1）、建立好与理论、公式相结合的单一仿真项目；其项目本身一定要是集成系统的部件内容。如2.1所述例举，讲到哪里，添加相应模块到集成环境中，如图1，并添加必要的程序(程序略)，注重添加修改的每一步分析比较。

2）、所讲项目内容要设计成多个小设计作业和演示验证性实验，布置给学生，借助学生的参与体验，互动性地讲解这些内容，分析系统环境的这些内容硬件集成和软件组合的过程和原理。

图1 集成综合平台

图2：0～5电压测量表功能

图3 波形发生器图

图4 简易交通灯控制器

3）、随时变换工程集成仿真思路，比较思路的效果，来扩大学生创新意识。

比如就“单片机”课程，在数据显示操作上，采用LCD：AMPIRE128*64来替代LED显示数据；将PID智能化的算法[3]通过编程，加载到A/D到D/A的温度、压力控制课题等等。通过一系列比较创新式的现身传授，学生的创新思维被透导激发出来，由此带来学生自信心，并愿积极主动参与各类学科的创新活动，如“全国电子大赛”，“盛群杯”以及各种“社团”。

4）、建立多套基于工程应用的集成仿真实验库，选择一套作为学生的动手综合设计性实验，安排6个学时来设计调试。比如“单片机”课程，其中一套如图1的多功能的集成综合平台，有电压表功能（图2，LED数字显示电压值）、波形发生功能（图3）、交通信号灯功能（图4，LED每两位显示例计时时间），通过左列按键设定功能键进行按键选择，并指导学生如何集成虚拟器件，如何掌握按键选择下的多功能集成编程技巧等。

2.3 虚实结合教学法的应用

集成仿真可以锻炼学生的模块集成和逻辑开发能力，能保障实际系统制作的快速顺利进行。

但是，我们也不能将实验教学完全建立在仿真的基础上。仿真实验不是万能的，它也有自己的缺陷：降低学生对真实器件的认知程度；降低学生对实际出现问题的分析、解决能力，缺乏实际系统调试经验和真实调试仪器的运用能力。为此教学过程中，采用第三步虚实结合教学法。

理论课上，教师利用实际学生制作过程中的问题，交流、讨论和归纳。实验课上，学生动手将虚拟集成系统转换制作成实际系统，获取调试经验。安排上，进入集成仿真阶段时，就将集成仿真上所用到的芯片、必要的工具和消耗品按组发放到每组学生手中，让学生明白按自己独立设计的集成仿真系统来完成实作，给出实作在考核中的份量，实践中我们采用实作占考核总成绩的30%考核比例方案，课时安排上集中2课时为评判课，按制作布局、功能完成程度，按比例加以考核。

3、结论

按照“三步教学法”，首先合理规划虚拟仿真项目与实作项目、内容，以虚拟项目训练学生的理论分析、逻辑设计、程序编制、虚拟逻辑调试和虚拟创新等能力，以实作训练学生的实际布版、芯片焊接和系统调试等能力。

通过实施改革，在理论教学、实验教学中，出现让教师颇感意外一些新气象：

第一，工程内容的理论与实际结合的讲解更生动，更丰富，学生理解掌握更容易，目的性更明确；

第二，学生参与性更强，无论是课堂上、实验室还是课堂外，都在互相比拼、更有激情，常常学生为一些问题的解决而通宵达旦地工作，这种现象是以前没有看到过的；

第三，学生主动性加强，常常在课后主动查阅大量的相关资料，主动与同学、教师探讨问题，学习不再是被动的、实验不再是简单的手工课，自主学习的潜力得到充分挖掘和发挥；

第四，学生创新意识得到激发，利用仿真的个性化、易操作化、易集成化和低成本化的特点，不断优化算法、不断改变系统结构、不断优化程序并调试，实现不同的应用创新版本；

第五，虚实结合也训练了学生的使用仪器的能力，如示波器、逻辑分析仪和开发器使用，并积累了系统调试经验，培养和提高学生工程设计与创新能力；

第六，参与课外科研社团活动更积极，更有信心，为此学生还获得过全国创业大赛金奖和“盛群杯”单片机大赛多个奖项。

第七，实验项目的深度加深、广度加大，长期训练后，改变了因学生“无技术”、“无经验”而在就业职业道路上被抛弃的局面。

本文提出的教学改革，提升了电气信息类专业课堂教学趣味性，推进了实验室发展，提供了工程人才的更快培养的变革，是培养工程创新人才的新模式。

[1]吴志祥等.Proteus仿真软件在单片机教学和科研中的应用[J].电子工程师.2007, 33 (11):45-48. [2]周润景,袁伟停.基于PROTEUS的ARM虚拟开发技术[M].北京:北京航空航天大学出版社.2007 [3]徐凯,许强.仿真技术在电气信息类专业中的应用 [J].电力系统及其自动化学报.2009,21(1)113-117.作者简介许强（1964-），男，高级工程师，主要研究方向：单片机应用系统，嵌入式系统，测量与控制，智能交通，系统结构。

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.14.130

本文系重庆交通大学教改基金项目（编号SYJ200918）