单片机课程实践教学新方法研究

刘 凤 刘志华 王洪涛 戴俊义 李 军

中国人民解放军理工大学气象学院 江苏南京 211101

单片机课程实践教学新方法研究

刘 凤 刘志华 王洪涛 戴俊义 李 军

中国人民解放军理工大学气象学院 江苏南京 211101

针对单片机课程以实验箱为平台的实践教学方式存在的不足，新增了Proteus与Keil联合仿真实践教学模块，构建了“双实践”教学模式。通过合理组织实践教学内容，充分融合了两种实践教学方式的优点，不仅帮助学生理解课程知识点和提高动手能力，还可提高教师的备课效率和教学效果，并为学生的课后复习和自学提供条件。

单片机；实践教学；Proteus；Keil

Abstrcat: This paper is aimed at defect existed in practical teaching for Single-chip microcomputer which used experiment box as main practical platform, and builts a “dual-practice ”model which adds proteus and keil simulation experiment block. Both practical teaching methods’advantage are performed suff ciency by rational teaching organization. This model not only helps student understand knowledge and improve the practice ability, but also helps teacher improve eff ciency on preparing for lessons and teaching effects,and supplies conditions for student to review and self-study.

Key words: single-chip microcomputer; practical teaching; Proteus: Keil

单片机课程是电子、电气、机电、测控等专业主干课程,是一门应用设计类课程,其内容具有较强的理论性和实践性,目前大多数高校都已针对该课程实践性强的特点,形成“理论+实践”的教学模式,(如图1所示)。

图1 “理论+实践”教学模式

理论教学环节多以单片机结构为主线,形成以硬件原理、指令、软件编程、系统扩展及外围器件四大模块为主线的循序渐进型授课模式,实践教学环节多以单片机实验箱为实践平台,实验箱大多采用总线式结构,不能够直观展现出单片机及其他芯片的连接结构,做实验时只需要按照实验指导书的要求在实验装置上连线即可,通过计算机串口/仿真器将程序下载到目标板中完成验证性实验,使得实验过程变成了对硬件的机械式操作,从而使学生失去了对单片机系统外围电路设计的理解。在2010年我院单片机课程组开展的“单片机课程”教学问卷调查活动中发现,375名学生中, 65.3%能通过参考实验指导书将程序下载到目标板中,完成单片机各功能模块验证性实验；23%的学生因硬件电路调试失败或程序编写错误5%的学生因课程基础不牢、前后知识链断裂等原因无法完成实验；仅有6.7%的学生除参照实验指导书的参考程序完成验证性实验外,重新调整程序结构,通过二次编写程序达到灵活应用单片机软件的学习目标。因此如何在有限的实践课程中,充分提高学生的学习效率,高质量培养学生的发散思维、动手能力等综合素质将成为单片机实践教学的核心内容,也是顺应电路设计的发展和教育信息化的必然,更是培养具有创新能力的高质量专业人才的保证。笔者所在单片机课程组在教学实践改革中发现,Proteus软件在单片机仿真教学中,具有较好的直观性,将Proteus和Keil联合仿真平台与实验箱实践教学相融合的“双实践”教学模式将大幅度提高单片机的实践教学效果。

2 教学模式设计

Proteus与Keil仿真软件作为理论教学的同步实践平台,实验箱作为“二次实践”的教学平台,二者构成的双实践教学模式旨在提高学生动手能力和培养发散思维、创新能力综合素质(如图2所示)。

图2 “双实践”教学模式

仿真实验和理论教学同步阶段应实现两个教学目标：一是传授单片机方面的基本理论、知识和技能,二是培养学习者系统地掌握单片机内部功能模块的工作原理及使用方法,并尝试设计各种单片机应用系统,为以后嵌入式技术打下扎实的基础。Proteus与Keil联合仿真入门简单,硬件调试过程易操作、演示过程损耗小、与工程实践最为接近等优点,可作为理论教学环节的同步实践开发平台,教师可根据教学内容随堂演示相应内部资源的仿真系统,同一系统可作多个单片机内部资源仿真实验演示,教师只需根据教学内容更改部分代码或电路即可。同时,学生需要在课后完成各个功能模块的仿真实验,通过及时讲评实验帮助学生理解课程的基本知识点,并将实验成绩评定作为 “二次实践”的分组参考依据。

利用Proteus的单片机仿真功能让学生进行虚拟实验,有助于学生理解课程基本知识点,但由于仿真与实际硬件存在差别和单一仿真实验的枯燥性让学生感到厌倦,因此需要有效地开展“二次实践”教学。该环节仍采用现有的单片机教学实践方式,以实验室自主开发（购买）实验箱为平台。由于同一门课程、不同学生的原有认知、学习能力、自身素质等各有差异,因此教师应通过理论授课和仿真实验课充分了解学生的上述多元智能情况,参照仿真成绩和多元智能因素的相似度,将学生科学分组,每组成员4～5人,不同组将分配不同的“二次实践”教学内容,实现不同的实现目标。该过程中,教师还应积极促进学生在实验中的分享活动,部分学生本身的学习能力强并通过仿真实验充分掌握该课程,实验中教师应鼓励该部分学生积极去指导其他学生,培养团队合作精神。

3 教学内容组织

3.1 仿真实验教学内容组织

在单片机的理论教学中,所涉及的内容包括单片机系统资源、软件技术和系统扩展三大模块。Proteus仿真教学时,应该充分考虑学生对电路、微机原理等先修课程掌握程度的不同,教师应尽可能用简单、典型的教学实例仿真实验演示每堂课程知识点,从实例提出的问题需求、解决方案和实现过程贯穿到整个教学中,实现仿真实践与理论教学同步。

仿真实践教学内容可划分为内部功能模块和系统扩展模块,内部功能模块以MCS-51系列单片机为例,通过各组实验仿真单片机输入/输出口、定时器、中断等资源的工作情况,由于单片机所提供的资源多以寄存器和存储器的方式体现,因此该过程教师应重点引导学生如何使用寄存器和存储器,包括寄存器内容的修改和查看两部分,系统扩展模块以数码管、按键等基本I/O设备扩展实验为基础,学生通过时钟设计综合课题完整掌握单片机应用系统的设计流程。Proteus仿真实验多以Keil作为软件开发平台,软件教学演示主要涉及具体语句的执行效果验证、算法的具体实现、程序中语法错误的检查和逻辑错误的验证等内容,该环节中教师不可采用纯软件验证设置演示,应将Proteus与Keil进行联调验证演示,让Keil环境中关键语句的修改通过硬件电路实现仿真效果验证,以达到预期的教学效果(如图3所示)。

图3 单片机仿真实验体系结构图

仿真实践教学过程中,教师还应注重学生实验历程反馈。学生在实验过程中,每完成一个实验后必须撰写实验报告,实验教学包括内容包括实验目的、原理/方法、教学步骤及结论4项内容,使教师及时了解学生实验的完成情况。仿真实践课结束后还需填写“仿真实践教学调查表”,调查表主要 包括责任分担、参与程度、完成实验任务的能力以及是否有再次和组内人员合作的意愿等,使教师了解其在实验过程中的表现,通过学生自评、学习伙伴互评、教师评价等3方面给出学生的“仿真实践”表现成绩。

3.2 “二次实践”教学内容组织

“二次实践”教学模式以实验箱及自制电路板为开发平台,参照仿真实践成绩和个人学习能力、兴趣程度多元智能因素的相似度,将学生分为3个层次进行“二次实践”教学组织。

3.2.1 功能性验证实验

以实验室现有实验箱为硬件平台,实验箱集成仿真实验所对应功能模块,仿真实验成绩合格以上者可通过计算机将仿真实验对应的程序下载到目标板中,通过连接硬件电路,不断调试系统完成仿真实验的验证性工作,并撰写实验报告完成对单片机课程的学习。

3.2.2 兴趣型实验

以小型单片机实验箱为开发平台,仿真实验成绩良好以上者通过计算机将自编写程序下载至芯片内部,通过灵活设计程序达到灵活应用软件的目的。小型实验箱集成数码管显示、液晶显示、电机模块、D/A转换、A/D转换等丰富模块,其面积在20cm×15cm内,完全满足兴趣组学生对单片机的学习需求,学生可通过携带实验箱在业余时间完成新的单片机应用系统设计,通过自主设计外围电路和编写程序熟练掌握单片机应用系统的开发流程,高质量地培养了部分学生的发散思维、创新能力等综合素质。

3.2.3 竞赛、应用型实验

学生在熟练掌握单片机应用系统的开发流程和单片机内部各类资源的使用方法后,教师应鼓励兴趣实验阶段中表现突出者积极参加校院、省市的电子类科技竞赛,并从选题、参赛、评奖进行全程指导,通过面包板、PCB板开发单片机应用系统,大幅度提供该类学生的团队合作能力、创新思维、工程应用能力等综合素质。

通过合理组织安排3种不同层次的教学内容,学生参与实验得到不同的提高和收获,大幅度提高课程的学习效率。

4 “双实践”教学模式优点

新教学模式新增了仿真实践教学环节,有助于学生拓展思维、创新能力的培养,改变了以往单一的实验形式,使学生既掌握了一种新的EDA软件技术,又掌握了一种新型的实验分析方法,还可自主展开实验设计,大大提高了学生的学习兴趣。尤其在仿真过程中,学生不再是被动地重复教师的操作,而是主动地去探求解决问题的方法,同样的设计要求可以有不同的实现电路、不同的程序,这能充分发挥学生的主观能动性和创造性,培养他们运用所学知识分析问题和解决实际问题的能力,使学生由被动接受变为主动探索,教师在整个教学过程中是学生的引路人,为学生获得知识提供情景、引导学生自己去学习、设计实验并通过“二次实践”验证实验结果。

新教学模式下的单片机课程赢得学生的好评,学生能够有选择地参加教学实践,有效整合了实验资源。在今年课程组展开的新模式教学改革班级中,90%学生主动参加大学生科技竞赛,30%学生获得不同层次的奖项。

5 结束语

“双实践”教学模式,打破传统循序渐进式的教学方法,以单片机的应用为基础,结合基本的工业控制系统和实践工作中的具体应用,不分先后顺序,将各条指令贯串于各个仿真实验中,通过所见即所得的实验,学生更容易理解各种指令的编程方法和掌握单片机应用系统的开发步骤。通过“二次实践”既有效验证仿真实验,又提高教学内容的直观性、增强学生对教学内容的理解和激发学生的学习兴趣,大大提高设计各种单片机系统的效率,对提高学生实际设计单片机应用系统的工程实践能力都具有很大的辅助作用。

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Research on practical teaching method for Single-chip microcomputer course

Liu Feng, Liu Zhihua, Wang Hongtao, Dai Junyi, Li Jun
Institute of meteorology, PLA university of science and technology, Nanjing, 211101, China

2011-02-11 稿件编号：1102013

刘凤，硕士，讲师。