主頁 > 技術(shù)文章 > 高校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革初探 2024-10-12

高校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革初探

摘要：本文分析了目前高校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)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(jī)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)教與學(xué)的最佳統(tǒng)一。單片機(jī)又稱微控制器，是微型計(jì)算機(jī)的一個重要分支。由于單片機(jī)具有功能強(qiáng)、體積小、可靠性好、價(jià)格便宜、應(yīng)用靈活等特點(diǎn)，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(jī)已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面。目前高校的計(jì)算機(jī)類、電子類、控制類等專業(yè)都開設(shè)了單片機(jī)課程。該課程是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，因此實(shí)驗(yàn)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(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在問題，如何通過改革單片機(jī)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的重中之重。
1.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀：
        大多數(shù)高校在單片機(jī)課程的理論教學(xué)中，先介紹單片機(jī)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(jì)、然后講存儲器擴(kuò)展、最后講單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展和各種外圍芯片的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)課一般在匯編語言程序設(shè)計(jì)講完之后才開始進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)課設(shè)置存在以下問題。
        1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備不能鍛煉學(xué)生的動手能力；實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般使用教學(xué)用實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)箱在出廠時，已經(jīng)把單片機(jī)和外圍芯片的大部分接線連接好了。實(shí)驗(yàn)時，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書給出的接線圖、實(shí)驗(yàn)方法和步驟操作，通過安裝在PC機(jī)上的仿真軟件，把匯編程序輸?shù)絇C機(jī)上，然后通過串口通信，把編譯好的機(jī)器碼傳送到單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過PC機(jī)、示波器、萬用表以及其它一些輔助設(shè)備觀察。
        這種實(shí)驗(yàn)箱性能穩(wěn)定，避免了學(xué)生自己搭建實(shí)驗(yàn)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(jìn)入實(shí)驗(yàn)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(yùn)用知識的能力，也不利于進(jìn)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(jī)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(shí)驗(yàn)箱中單片機(jī)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(jī)和其它芯片的連接。甚至有的同學(xué)做完了實(shí)驗(yàn)，竟然不知道單片機(jī)在本實(shí)驗(yàn)中起到什么作用。
        1.2實(shí)驗(yàn)課時少；由于課時限制等因素，單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)學(xué)時很少，一般在8-12個課時左右。其中入門實(shí)驗(yàn)、軟件實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)至少要占4個課時，所以設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)踐。另外，在考核方式上，實(shí)驗(yàn)課一般作為理論課考試分值的一部分，即使實(shí)驗(yàn)課單獨(dú)考核，往往也只占很少的學(xué)分，并且只要寫過實(shí)驗(yàn)報(bào)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(shí)驗(yàn)的思想。
        通過以上分析可以看出，目前單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)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(yùn)用知識的能力，也不能進(jìn)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(jī)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(jī)行業(yè)人才的需求，必須對單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革。
2.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革：
        針對單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，可以從以下幾個方面進(jìn)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(jī)的開發(fā)采用匯編語言。匯編語言是一種面向機(jī)器的語言，其匯編指令與機(jī)器指令一一對應(yīng)，要想完成某種操作，就必須考慮計(jì)算機(jī)的硬件如何工作。由于匯編語言程序要安排運(yùn)算的每一個細(xì)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(jì)算公式或計(jì)算方法，也要用一系列匯編指令一步一步來實(shí)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(jī)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(hù)等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)物仿真軟件，運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上。它支持主流單片機(jī)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(diǎn)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(jī)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)題目，整個過程如同操作硬件仿真器一樣。過去需要到實(shí)驗(yàn)室操作電子儀器設(shè)備、電子元件才能完成單片機(jī)等實(shí)驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)。對于學(xué)習(xí)單片機(jī)的學(xué)生來說，擁有一臺計(jì)算機(jī)和一套Proteus軟件，就可以隨時隨地開展單片機(jī)的學(xué)習(xí)了。
        2.1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的調(diào)整；目前市場上單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備種類繁多，但總的來說，都能夠完成相關(guān)的軟件實(shí)驗(yàn)和硬件實(shí)驗(yàn)。在教學(xué)中，我們可以把實(shí)驗(yàn)分成入門實(shí)驗(yàn)、軟件實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)及綜合性實(shí)驗(yàn)五部分。入門實(shí)驗(yàn)主要是完成對單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生盡快掌握匯編指令，提高編程水平，這類實(shí)驗(yàn)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(yàn)證性實(shí)驗(yàn)所用的例子應(yīng)該與實(shí)際生活相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書給出實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)步驟、相應(yīng)連線以及軟件程序，讓學(xué)生按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。比如我們可以給出8155控制交通燈的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生們驗(yàn)證。通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們可以進(jìn)一步了解單片機(jī)及外圍芯片的作用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動手能力及創(chuàng)新能力。這類實(shí)驗(yàn)可以選擇利用P1口進(jìn)行輸入輸出、利用定時器進(jìn)行定時、利用中斷系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)現(xiàn)場控制、利用A/D，D/A芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換、利用串口進(jìn)行兩機(jī)通信。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書只列出各個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的、要求和原理性的說明，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程自行設(shè)計(jì)完成任務(wù)。綜合性實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的目的，是為了提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目包括：電子音響、LED點(diǎn)陣顯示、數(shù)字溫度傳感器、邏輯加密IC存儲卡讀寫等實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行這部分實(shí)驗(yàn)的過程當(dāng)中，學(xué)生可任意挑選感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，自行在課余時間完成。在實(shí)現(xiàn)此類實(shí)驗(yàn)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(jī)的興趣；為了提高學(xué)生對單片機(jī)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(jī)的用處以及列舉他自己身邊單片機(jī)的影子。或者邀請有單片機(jī)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員來學(xué)校作有關(guān)單片機(jī)的講座，使學(xué)生了解單片機(jī)在工業(yè)控制、智能化儀器儀表、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、計(jì)算機(jī)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(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)目標(biāo)，達(dá)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(shí)現(xiàn)目標(biāo)而努力學(xué)習(xí)。這種方法的突出特點(diǎn)是教學(xué)活動過程中確立以理論為實(shí)踐服務(wù)的指導(dǎo)思想，注重知識的實(shí)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(shí)現(xiàn)。教學(xué)過程一般分為制定目標(biāo)—展示目標(biāo)—實(shí)施目標(biāo)—檢測目標(biāo)—矯正深化達(dá)成目標(biāo)等幾個階段。
        將這種方法應(yīng)用到單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以引起學(xué)生的興趣，提高學(xué)生獨(dú)立思考能力和解決問題的能力。實(shí)施時，教師先制定本次實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，并在實(shí)驗(yàn)室演示目標(biāo)問題的實(shí)際運(yùn)行過程。然后，讓學(xué)生從硬件設(shè)計(jì)部分入手，再到軟件編程，使軟、硬件相結(jié)合，最后，由老師進(jìn)行檢查，指出軟硬件設(shè)計(jì)過程中不合理的地方，由學(xué)生進(jìn)行修改，從而完成單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課的整個過程。在實(shí)施的過程中，老師可以引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)際應(yīng)用與所學(xué)的知識點(diǎn)、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(shí)際應(yīng)用中的作用。在解決問題的過程中，學(xué)生置于實(shí)際問題之中，使學(xué)生可以清楚地認(rèn)識到單片機(jī)的原理、概念在實(shí)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(shí)驗(yàn)學(xué)時數(shù)。單片機(jī)是實(shí)踐性很強(qiáng)的一門課程。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)是掌握單片機(jī)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(shí)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(shí)驗(yàn)課學(xué)時，讓學(xué)生有盡量多的時間在實(shí)踐中進(jìn)行學(xué)習(xí)，如果再配合目標(biāo)教學(xué)法，很多理論知識點(diǎn)完全可以從課堂上的理論教學(xué)轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。當(dāng)然這也利于綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的開展。
        2.4 實(shí)驗(yàn)考核模式的改革。目前，很多高等院校對單片機(jī)這門課程只有理論考試沒有實(shí)驗(yàn)考核，有的院校即便有實(shí)驗(yàn)考核，也只是僅看本學(xué)期實(shí)驗(yàn)課所做實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告而已，不進(jìn)行任何考試。要改變單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，就必須把理論與實(shí)驗(yàn)分開，分別考試。考試雖然不是檢查和促進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)之后，我們進(jìn)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(shí)驗(yàn)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。考試時，學(xué)生可以帶課本、以前寫好的實(shí)驗(yàn)報(bào)告等資料�？荚嚦煽冇山處煓z查實(shí)驗(yàn)結(jié)果后給出。期末實(shí)驗(yàn)課成績由實(shí)驗(yàn)課考試成績（占80%）和平時出勤情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交情況（共占20%）進(jìn)行綜合評定給出。
         由于單片機(jī)本身軟、硬兼?zhèn)涞奶攸c(diǎn)，在單片機(jī)課程的教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)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(jī)實(shí)驗(yàn)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(jī)實(shí)驗(yàn)課程改革的—些思路。隨著單片機(jī)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(jìn)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(shí)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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高校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革初探

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