高校單片機實驗教學的改革初探

摘要：本文分析了目前高校單片機實驗教學中存在的不足，并從教學內(nèi)容和教學方法兩方面提出了單片機實驗課程改革的一些思路。教師只有不斷豐富教學內(nèi)容，改進教學方法，才能培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力，實現(xiàn)教與學的最佳統(tǒng)一。單片機又稱微控制器，是微型計算機的一個重要分支。由于單片機具有功能強、體積小、可靠性好、價格便宜、應用靈活等特點，因此廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，可以說單片機已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面。目前高校的計算機類、電子類、控制類等專業(yè)都開設了單片機課程。該課程是一門理論性和實踐性都很強的課程，因此實驗教學應該占很重要的地位。然后，目前很多高校中單片機實驗教學存在問題，如何通過改革單片機實驗教學的內(nèi)容和方法，充分調(diào)動學生學習的積極性，進一步發(fā)揮他們的主觀能動性和創(chuàng)新能力，成為了本學科實驗教學的重中之重。
1.單片機實驗教學的現(xiàn)狀：
        大多數(shù)高校在單片機課程的理論教學中，先介紹單片機內(nèi)部結構和引腳、再講匯編指令系統(tǒng)和匯編語言程序設計、然后講存儲器擴展、最后講單片機系統(tǒng)的擴展和各種外圍芯片的應用。實驗課一般在匯編語言程序設計講完之后才開始進行。實驗課設置存在以下問題。
        1.1實驗設備不能鍛煉學生的動手能力；實驗教學一般使用教學用實驗箱，實驗箱在出廠時，已經(jīng)把單片機和外圍芯片的大部分接線連接好了。實驗時，學生按照實驗指導書給出的接線圖、實驗方法和步驟操作，通過安裝在PC機上的仿真軟件，把匯編程序輸?shù)絇C機上，然后通過串口通信，把編譯好的機器碼傳送到單片機實驗箱。實驗結果通過PC機、示波器、萬用表以及其它一些輔助設備觀察。
        這種實驗箱性能穩(wěn)定，避免了學生自己搭建實驗設備帶來的不確定性，從—定程度上可以讓學生盡快熟悉和進入實驗環(huán)境。但是，它缺少培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)新能力和綜合運用知識的能力，也不利于進一步激發(fā)學生的學習興趣和主觀能動性。本來單片機的內(nèi)部結構就看不見摸不到，學生們學起來感覺很抽象，再加上實驗箱中單片機和外圍芯片的連接也早已經(jīng)固定好，所以很不利于學生們掌握單片機和其它芯片的連接。甚至有的同學做完了實驗，竟然不知道單片機在本實驗中起到什么作用。
        1.2實驗課時少；由于課時限制等因素，單片機原理與應用實驗學時很少，一般在8-12個課時左右。其中入門實驗、軟件實驗和驗證性實驗至少要占4個課時，所以設計型和綜合型實驗開出率不高，其結果是學生對所學的知識缺少一個整體的了解與認識。
        1.3學生在思想上不重視；我國目前的文化教育，重視理論輕視實踐，這造成了學生們從小就重視理論知識的學習而輕視動手實踐。另外，在考核方式上，實驗課一般作為理論課考試分值的一部分，即使實驗課單獨考核，往往也只占很少的學分，并且只要寫過實驗報告就基本可以通過。久而久之，大部分學生也滋生了重視理論課程輕視實驗的思想。
        通過以上分析可以看出，目前單片機的實驗教學顯然不利于培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)新能力和綜合運用知識的能力，也不能進一步激發(fā)學生的學習興趣和主觀能動性，學生普遍反映單片機這門課太難學或者沒有收獲。為了適應當今社會對單片機行業(yè)人才的需求，必須對單片機實驗教學進行改革。
2.單片機實驗教學的改革：
        針對單片機實驗教學存在的問題，可以從以下幾個方面進行改革：
        2.1教學內(nèi)容的改革：
        2.1.1增加C5l的編程訓練；目前教學中，單片機的開發(fā)采用匯編語言。匯編語言是一種面向機器的語言，其匯編指令與機器指令一一對應，要想完成某種操作，就必須考慮計算機的硬件如何工作。由于匯編語言程序要安排運算的每一個細節(jié)，這就使得編寫匯編語言程序比較繁瑣、復雜。一個簡單的計算公式或計算方法，也要用一系列匯編指令一步一步來實現(xiàn)。另外，調(diào)試匯編語言程序要比調(diào)試高級語言程序困難得多。
        現(xiàn)在市場上單片機開發(fā)己經(jīng)普遍采用了C51高級語言。和匯編語言相比，C51高級語言具有程序結構清晰、可讀性好、易于維護等優(yōu)點，一條C語言相當于幾條匯編指令，完成同樣功能程序的行數(shù)也大大縮小，更便于復雜算法的實現(xiàn)和調(diào)試。C51與C語言十分類似，通過先修課程C語言的學習，學生已經(jīng)有一定的基礎，學起C51會很快入門。所以為了提高學生的學習興趣和開發(fā)能力，我們可以在實驗中給學生增加C51的編程訓練。
        2.1.2 Protues軟件的學習；Proteus ISIS是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件，運行于Windows操作系統(tǒng)上。它支持主流單片機系統(tǒng)的仿真，如68000系列、8051系列、AVR系列、PI C12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。還可以仿真模擬電路、數(shù)字電路、RS232、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)、各種虛擬儀器等。同時由于在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也具有這些功能。
        在單片機的實驗教學中，可以讓學生自學Proteus：
學生學習了Proteus之后，可以在課余時間利用這些虛擬工具完成一些實驗題目，整個過程如同操作硬件仿真器一樣。過去需要到實驗室操作電子儀器設備、電子元件才能完成單片機等實驗，現(xiàn)在只要一臺電腦，就可在該軟件環(huán)境下快速輕松地實現(xiàn)。對于學習單片機的學生來說，擁有一臺計算機和一套Proteus軟件，就可以隨時隨地開展單片機的學習了。
        2.1.3 實驗內(nèi)容的調(diào)整；目前市場上單片機實驗設備種類繁多，但總的來說，都能夠完成相關的軟件實驗和硬件實驗。在教學中，我們可以把實驗分成入門實驗、軟件實驗、驗證實驗、設計性實驗及綜合性實驗五部分。入門實驗主要是完成對單片機仿真實驗箱的硬件結構及相應的集成開發(fā)環(huán)境的熟悉。軟件實驗可以幫助學生盡快掌握匯編指令，提高編程水平，這類實驗可以選擇外部RAM數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)區(qū)清零、數(shù)據(jù)排序等讓學生們練習。驗證性實驗所用的例子應該與實際生活相結合，實驗指導書給出實驗要求、實驗步驟、相應連線以及軟件程序，讓學生按實驗指導書實現(xiàn)相應功能。比如我們可以給出8155控制交通燈的實驗讓學生們驗證。通過驗證性實驗，學生們可以進一步了解單片機及外圍芯片的作用，提高學生的學習興趣。設計性實驗，可以培養(yǎng)學生實踐動手能力及創(chuàng)新能力。這類實驗可以選擇利用P1口進行輸入輸出、利用定時器進行定時、利用中斷系統(tǒng)進行工業(yè)現(xiàn)場控制、利用A/D，D/A芯片進行轉(zhuǎn)換、利用串口進行兩機通信。實驗指導書只列出各個實驗項目的目的、要求和原理性的說明，學生在實驗過程自行設計完成任務。綜合性實驗要求學生要有廣闊的知識面，要對所學知識有較全面的掌握。開設綜合性實驗的目的，是為了提高學生的實驗技能和和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。實驗的項目包括：電子音響、LED點陣顯示、數(shù)字溫度傳感器、邏輯加密IC存儲卡讀寫等實驗。在進行這部分實驗的過程當中，學生可任意挑選感興趣的實驗項目，自行在課余時間完成。在實現(xiàn)此類實驗過程中，學生們可以利用所學的C51編程和Proteus軟件來幫助完成任務。
2.2教學方法改革：
        2.2.1 提高學生學習單片機的興趣；為了提高學生對單片機課程的學習興趣，可以在剛開課時給學生布置課下作業(yè)，讓他們在網(wǎng)上搜索單片機的用處以及列舉他自己身邊單片機的影子。或者邀請有單片機開發(fā)經(jīng)驗的技術人員來學校作有關單片機的講座，使學生了解單片機在工業(yè)控制、智能化儀器儀表、計算機外部設備、計算機網(wǎng)絡與通訊技術和家用電器等領域的應用。當學生們明白了單片機的作用，尤其是看到廣闊的就業(yè)前景之后，學習興趣自然就會提高。
        2.2.2 用目標教學法促進學生學習；目標教學法是指提出教學目標，通過努力實現(xiàn)目標，達到教學目的的一種教學方法。在教學過程中，教師以教學目標為導向，整個教學過程圍繞教學目標展開。在教學目標的刺激下，學生為實現(xiàn)目標而努力學習。這種方法的突出特點是教學活動過程中確立以理論為實踐服務的指導思想，注重知識的實用性，有的放矢地培養(yǎng)學生，倡導教學過程中師生間的互動性，并以此來確保教學目標的實現(xiàn)。教學過程一般分為制定目標—展示目標—實施目標—檢測目標—矯正深化達成目標等幾個階段。
        將這種方法應用到單片機實驗教學中，可以引起學生的興趣，提高學生獨立思考能力和解決問題的能力。實施時，教師先制定本次實驗要實現(xiàn)的目標，并在實驗室演示目標問題的實際運行過程。然后，讓學生從硬件設計部分入手，再到軟件編程，使軟、硬件相結合，最后，由老師進行檢查，指出軟硬件設計過程中不合理的地方，由學生進行修改，從而完成單片機實驗課的整個過程。在實施的過程中，老師可以引導學生將實際應用與所學的知識點、指令、原理緊緊地聯(lián)系在一起，使學生清楚地了解理論知識在實際應用中的作用。在解決問題的過程中，學生置于實際問題之中，使學生可以清楚地認識到單片機的原理、概念在實際生活中的意義。這對于激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)創(chuàng)造能力及分析、解決問題的能力極有益處。
        2.3 增加實驗學時數(shù)。單片機是實踐性很強的一門課程。單片機實驗是掌握單片機應用技術不可缺少的重要環(huán)節(jié)，對理工科大學生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到至關重要的作用。筆者認為應該增加實驗課學時，讓學生有盡量多的時間在實踐中進行學習，如果再配合目標教學法，很多理論知識點完全可以從課堂上的理論教學轉(zhuǎn)移到實驗教學中。當然這也利于綜合性設計實驗的開展。
        2.4 實驗考核模式的改革。目前，很多高等院校對單片機這門課程只有理論考試沒有實驗考核，有的院校即便有實驗考核，也只是僅看本學期實驗課所做實驗的實驗報告而已，不進行任何考試。要改變單片機實驗教學的現(xiàn)狀，就必須把理論與實驗分開，分別考試。考試雖然不是檢查和促進學生學習的唯—手毆，但是不考試會給學生造成—個誤區(qū)，認為實驗課不重要，因此也就不會認真學習。因而筆者在參考了其他一些高校的做法后認為。在做完所有實驗之后，我們進行一次考試。教師事先擬定好幾個題目，題目的內(nèi)容與本學期所做實驗的內(nèi)容相近，由考生抽簽來決定自己做的題目并當場于規(guī)定的時間內(nèi)完成�？荚嚂r，學生可以帶課本、以前寫好的實驗報告等資料�？荚嚦煽冇山處煓z查實驗結果后給出。期末實驗課成績由實驗課考試成績（占80%）和平時出勤情況、實驗報告提交情況（共占20%）進行綜合評定給出。
         由于單片機本身軟、硬兼?zhèn)涞奶攸c，在單片機課程的教學中，實驗環(huán)節(jié)直接關系到教學效果的好壞。本文分析了目前高校單片機實驗教學中存在的不足，并從教學內(nèi)容和教學方法兩方面提出了單片機實驗課程改革的—些思路。隨著單片機技術的迅速發(fā)展，教師應不斷調(diào)整教學理念，豐富教學內(nèi)容，改進教學模式，調(diào)動學生學習的積極性，培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力，實現(xiàn)教與學的最佳統(tǒng)一，以適應科技時代不斷發(fā)展的需要。

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