主頁 > 技術(shù)文章 > 高校單片機實驗教學(xué)的改革初探 2024-10-12

高校單片機實驗教學(xué)的改革初探

摘要：本文分析了目前高校單片機實驗教學(xué)中存在的不足，并從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)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(xué)內(nèi)容，改進教學(xué)方法，才能培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，實現(xiàn)教與學(xué)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(yīng)用靈活等特點，因此廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)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(shè)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(xué)應(yīng)該占很重要的地位。然后，目前很多高校中單片機實驗教學(xué)存在問題，如何通過改革單片機實驗教學(xué)的內(nèi)容和方法，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)科實驗教學(xué)的重中之重。
1.單片機實驗教學(xué)的現(xiàn)狀：
        大多數(shù)高校在單片機課程的理論教學(xué)中，先介紹單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳、再講匯編指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)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(yīng)用。實驗課一般在匯編語言程序設(shè)計講完之后才開始進行。實驗課設(shè)置存在以下問題。
        1.1實驗設(shè)備不能鍛煉學(xué)生的動手能力；實驗教學(xué)一般使用教學(xué)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(xué)生按照實驗指導(dǎo)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(jié)果通過PC機、示波器、萬用表以及其它一些輔助設(shè)備觀察。
        這種實驗箱性能穩(wěn)定，避免了學(xué)生自己搭建實驗設(shè)備帶來的不確定性，從—定程度上可以讓學(xué)生盡快熟悉和進入實驗環(huán)境。但是，它缺少培養(yǎng)學(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性。本來單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就看不見摸不到，學(xué)生們學(xué)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(xué)生們掌握單片機和其它芯片的連接。甚至有的同學(xué)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(yīng)用實驗學(xué)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(shè)計型和綜合型實驗開出率不高，其結(jié)果是學(xué)生對所學(xué)的知識缺少一個整體的了解與認(rèn)識。
        1.3學(xué)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(xué)生們從小就重視理論知識的學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)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(xué)顯然不利于培養(yǎng)學(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性，學(xué)生普遍反映單片機這門課太難學(xué)或者沒有收獲。為了適應(yīng)當(dāng)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(xué)進行改革。
2.單片機實驗教學(xué)的改革：
        針對單片機實驗教學(xué)存在的問題，可以從以下幾個方面進行改革：
        2.1教學(xué)內(nèi)容的改革：
        2.1.1增加C5l的編程訓(xùn)練；目前教學(xué)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(yīng)，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(fù)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(jié)構(gòu)清晰、可讀性好、易于維護等優(yōu)點，一條C語言相當(dāng)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(fù)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(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)有一定的基礎(chǔ)，學(xué)起C51會很快入門。所以為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和開發(fā)能力，我們可以在實驗中給學(xué)生增加C51的編程訓(xùn)練。
        2.1.2 Protues軟件的學(xué)習(xí)；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(shè)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(dāng)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(xué)中，可以讓學(xué)生自學(xué)Proteus：
學(xué)生學(xué)習(xí)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(shè)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(xué)習(xí)單片機的學(xué)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(xué)習(xí)了。
        2.1.3 實驗內(nèi)容的調(diào)整；目前市場上單片機實驗設(shè)備種類繁多，但總的來說，都能夠完成相關(guān)的軟件實驗和硬件實驗。在教學(xué)中，我們可以把實驗分成入門實驗、軟件實驗、驗證實驗、設(shè)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(jié)構(gòu)及相應(yīng)的集成開發(fā)環(huán)境的熟悉。軟件實驗可以幫助學(xué)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(xué)生們練習(xí)。驗證性實驗所用的例子應(yīng)該與實際生活相結(jié)合，實驗指導(dǎo)書給出實驗要求、實驗步驟、相應(yīng)連線以及軟件程序，讓學(xué)生按實驗指導(dǎo)書實現(xiàn)相應(yīng)功能。比如我們可以給出8155控制交通燈的實驗讓學(xué)生們驗證。通過驗證性實驗，學(xué)生們可以進一步了解單片機及外圍芯片的作用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。設(shè)計性實驗，可以培養(yǎng)學(xué)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(dǎo)書只列出各個實驗項目的目的、要求和原理性的說明，學(xué)生在實驗過程自行設(shè)計完成任務(wù)。綜合性實驗要求學(xué)生要有廣闊的知識面，要對所學(xué)知識有較全面的掌握。開設(shè)綜合性實驗的目的，是為了提高學(xué)生的實驗技能和和培養(yǎng)學(xué)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(dāng)中，學(xué)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(xué)生們可以利用所學(xué)的C51編程和Proteus軟件來幫助完成任務(wù)。
2.2教學(xué)方法改革：
        2.2.1 提高學(xué)生學(xué)習(xí)單片機的興趣；為了提高學(xué)生對單片機課程的學(xué)習(xí)興趣，可以在剛開課時給學(xué)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�；蛘哐堄袉纹瑱C開發(fā)經(jīng)驗的技術(shù)人員來學(xué)校作有關(guān)單片機的講座，使學(xué)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(shè)備、計算機網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)和家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用。當(dāng)學(xué)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(xué)習(xí)興趣自然就會提高。
        2.2.2 用目標(biāo)教學(xué)法促進學(xué)生學(xué)習(xí)；目標(biāo)教學(xué)法是指提出教學(xué)目標(biāo)，通過努力實現(xiàn)目標(biāo)，達到教學(xué)目的的一種教學(xué)方法。在教學(xué)過程中，教師以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，整個教學(xué)過程圍繞教學(xué)目標(biāo)展開。在教學(xué)目標(biāo)的刺激下，學(xué)生為實現(xiàn)目標(biāo)而努力學(xué)習(xí)。這種方法的突出特點是教學(xué)活動過程中確立以理論為實踐服務(wù)的指導(dǎo)思想，注重知識的實用性，有的放矢地培養(yǎng)學(xué)生，倡導(dǎo)教學(xué)過程中師生間的互動性，并以此來確保教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。教學(xué)過程一般分為制定目標(biāo)—展示目標(biāo)—實施目標(biāo)—檢測目標(biāo)—矯正深化達成目標(biāo)等幾個階段。
        將這種方法應(yīng)用到單片機實驗教學(xué)中，可以引起學(xué)生的興趣，提高學(xué)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(biāo)，并在實驗室演示目標(biāo)問題的實際運行過程。然后，讓學(xué)生從硬件設(shè)計部分入手，再到軟件編程，使軟、硬件相結(jié)合，最后，由老師進行檢查，指出軟硬件設(shè)計過程中不合理的地方，由學(xué)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(dǎo)學(xué)生將實際應(yīng)用與所學(xué)的知識點、指令、原理緊緊地聯(lián)系在一起，使學(xué)生清楚地了解理論知識在實際應(yīng)用中的作用。在解決問題的過程中，學(xué)生置于實際問題之中，使學(xué)生可以清楚地認(rèn)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(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)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(yīng)用技術(shù)不可缺少的重要環(huán)節(jié)，對理工科大學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到至關(guān)重要的作用。筆者認(rèn)為應(yīng)該增加實驗課學(xué)時，讓學(xué)生有盡量多的時間在實踐中進行學(xué)習(xí)，如果再配合目標(biāo)教學(xué)法，很多理論知識點完全可以從課堂上的理論教學(xué)轉(zhuǎn)移到實驗教學(xué)中。當(dāng)然這也利于綜合性設(shè)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(xué)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(xué)的現(xiàn)狀，就必須把理論與實驗分開，分別考試�？荚囯m然不是檢查和促進學(xué)生學(xué)習(xí)的唯—手毆，但是不考試會給學(xué)生造成—個誤區(qū)，認(rèn)為實驗課不重要，因此也就不會認(rèn)真學(xué)習(xí)。因而筆者在參考了其他一些高校的做法后認(rèn)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(xué)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(dāng)場于規(guī)定的時間內(nèi)完成�？荚嚂r，學(xué)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(jié)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(xué)中，實驗環(huán)節(jié)直接關(guān)系到教學(xué)效果的好壞。本文分析了目前高校單片機實驗教學(xué)中存在的不足，并從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)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(shù)的迅速發(fā)展，教師應(yīng)不斷調(diào)整教學(xué)理念，豐富教學(xué)內(nèi)容，改進教學(xué)模式，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，實現(xiàn)教與學(xué)的最佳統(tǒng)一，以適應(yīng)科技時代不斷發(fā)展的需要。

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