戴麗佼

(南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，南京 211156)

單片機(jī)課程實驗教學(xué)的改革與實踐

戴麗佼

(南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，南京 211156)

實驗教學(xué)是單片機(jī)課程教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)。南京航空航天大學(xué)針對目前實驗教學(xué)中存在的一系列問題，從豐富教學(xué)方法、調(diào)整實驗內(nèi)容和完善考核制度等方面進(jìn)行了改革的探討。目的是改變學(xué)生輕視實驗的觀念，重視動手能力的訓(xùn)練，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。實踐表明學(xué)生廣泛參與了實驗室開放及創(chuàng)新活動，電路設(shè)計能力得到普遍提高。為更好地適應(yīng)社會需要、提高競爭能力打下良好的基礎(chǔ)。

單片機(jī);實驗教學(xué);教學(xué)改革;實驗設(shè)備；改革

單片機(jī)原理及應(yīng)用是高校電氣、自動化及機(jī)械等專業(yè)學(xué)生必修的一門課程。該課程理論性、邏輯性和應(yīng)用性較強(qiáng)，其實驗教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力、創(chuàng)新能力、綜合思維能力，為學(xué)生后續(xù)進(jìn)行的專業(yè)內(nèi)容，如自動檢測與控制系統(tǒng)以及智能化產(chǎn)品的設(shè)計等打下良好基礎(chǔ)，以便適應(yīng)社會對應(yīng)用型人才的需求[1]。

1 實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.1 實驗學(xué)時較少

1.2 實驗內(nèi)容結(jié)構(gòu)不合理

實驗教學(xué)內(nèi)容是驗證性實驗較多，綜合提高性實驗相對較少[3]。開設(shè)有匯編語言的程序設(shè)計實驗、I/O口控制實驗及中斷實驗：在實驗過程中學(xué)生通常只關(guān)注實驗注意事項和結(jié)果，對涉及的理論知識點(diǎn)往往一知半解；配套的實驗指導(dǎo)書過于詳細(xì)[4]，缺少啟發(fā)性，學(xué)生只要在實驗箱上按部就班地接線、在計算機(jī)端運(yùn)行給定的程序即可觀察到實驗現(xiàn)象；實驗內(nèi)容枯燥、單一，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。這使學(xué)生在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計等綜合性系統(tǒng)設(shè)計時，學(xué)生常常感到吃力，無從下手。

1.3 實驗設(shè)備陳舊、維修不及時

單片機(jī)實驗室配備的實驗設(shè)備有實驗箱、計算機(jī)、萬用表和示波器等。不同專業(yè)開課時間相對比較集中，幾乎每天都有3～4個班的學(xué)生進(jìn)行實驗，實驗室處于高負(fù)荷的運(yùn)作中。在實驗過程中學(xué)生的帶電插拔導(dǎo)線、接錯線等操作不當(dāng)行為造成的芯片燒壞或引腳損壞，再加上儀器旋鈕的松動、設(shè)備的老化，若不及時維修，勢必影響實驗效果，降低學(xué)生對實驗的興趣[5]。而實驗箱使用時間長，許多功能模塊上的芯片已經(jīng)被淘汰，如A/D、D/A轉(zhuǎn)換實驗中用到的AD0809和DA0832芯片，繼續(xù)讓學(xué)生在陳舊老套的設(shè)備上進(jìn)行實驗，無疑與社會脫節(jié)，不利于學(xué)生能力的提高。

2 實驗教學(xué)改革

針對實驗教學(xué)中存在的一些弊端，我們總結(jié)多年的實驗教學(xué)經(jīng)驗及教訓(xùn)，提出以下幾點(diǎn)教學(xué)改革方案。

2.1 增加實驗學(xué)時數(shù)

為突出實驗環(huán)節(jié)的重要性，將單片機(jī)實驗課程開設(shè)為獨(dú)立授課模式，學(xué)生在課程考察結(jié)束后將取得獨(dú)立的實驗成績，不計入理論成績中。學(xué)時數(shù)由原來的10學(xué)時增加到16～20學(xué)時，這就促使學(xué)生對實驗態(tài)度發(fā)生根本轉(zhuǎn)變；實驗內(nèi)容安排也更為靈活、多樣，提高了學(xué)生的積極性和主動性。

2.2 教學(xué)方法、手段多樣化

純粹的理論教學(xué)內(nèi)容抽象、枯燥無味，學(xué)生容易產(chǎn)生厭倦感，削弱學(xué)習(xí)興趣。而在實驗教學(xué)中穿插講授理論知識，利用多媒體課件，將實驗過程、實驗原理及實驗結(jié)果更豐富形象的展示出來，學(xué)生邊學(xué)邊做，實驗過程輕松有趣，在愉悅的氣氛中更好地掌握相關(guān)理論知識。教學(xué)方法側(cè)重于提問式、啟發(fā)式教學(xué)，突出“教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”的教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生通過實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問題，總結(jié)規(guī)律[6]，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。在教學(xué)過程中，采用Proteus虛擬仿真工具及Keil編譯工具相結(jié)合進(jìn)行教學(xué)[7]，通過Keil軟件完成程序的編譯，利用Proteus仿真工具實現(xiàn)系統(tǒng)電路的虛擬仿真，現(xiàn)象直觀，操作方便。學(xué)生在課余時間隨時可仿真實驗過程，提高學(xué)習(xí)興趣。在預(yù)習(xí)時對實驗電路進(jìn)行模擬仿真，課堂上再動手實踐操作，從而達(dá)到事半功倍的效果。

2.3 實驗內(nèi)容層次分明、安排合理

實驗內(nèi)容分為三部分：基礎(chǔ)性實驗、提高性實驗和綜合性實驗?？稍O(shè)計2～3個基礎(chǔ)性實驗，如流水燈實驗、蜂鳴器驅(qū)動實驗及繼電器控制實驗等，通過更直觀的實驗現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生掌握單片機(jī)設(shè)計開發(fā)流程。這類實驗對學(xué)生的理論知識要求不高，學(xué)生更容易動手實踐，可在實驗箱上完成或在面包板上自行搭建電路實現(xiàn)。

提高性實驗項目有外部中斷、定時器中斷、RS232串行口通信、TLC549串行A/D轉(zhuǎn)換實驗等。這部分實驗要求學(xué)生具備扎實的理論基礎(chǔ)，通過實驗現(xiàn)象加深對原理的理解，學(xué)生應(yīng)做到舉一反三。

每次實驗結(jié)束應(yīng)提出相應(yīng)的思考題，引導(dǎo)學(xué)生深入思考。如對于外部中斷實驗，可提問中斷方式和查詢方式有何區(qū)別？如何用查詢方式修改程序？如何設(shè)計電路實現(xiàn)外部中斷方式控制流水燈的亮滅？

最后設(shè)計3～4個綜合性實驗，實驗項目包括16×16點(diǎn)陣顯示屏的控制實驗、PCF8563電子萬年歷實驗，DS18B20溫度傳感器實驗等[8]。這部分實驗實用性較強(qiáng)，可在開發(fā)板或?qū)嶒炏渖贤瓿?，目的是培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)知識綜合運(yùn)用能力。實驗內(nèi)容在安排上可提供詳細(xì)的內(nèi)容說明、完整的電路介紹及程序清單。課堂教學(xué)時利用Proteus仿真軟件演示實驗現(xiàn)象，解釋電路工作原理及程序說明，最后提出思考問題，讓學(xué)生獨(dú)立思考解決問題。

2.4 編寫合適的實驗教材

目前實驗指導(dǎo)書的每個實驗項目編寫模式都包括實驗?zāi)康?、?nèi)容、電路原理圖、步驟及程序清單，造成學(xué)生對實驗指導(dǎo)書的完全依賴性。因此、實驗指導(dǎo)書的編寫應(yīng)富有一定的啟發(fā)性，給學(xué)生留有思考的空間。在部分程序清單中列出匯編語言和C語言兩種程序?qū)φ?。對于基礎(chǔ)性及提高性實驗，程序清單以填空的形式給出，引導(dǎo)學(xué)生分析、思考程序。學(xué)生必須在理解電路原理，讀懂程序的基礎(chǔ)上，才能正確寫出所缺程序語句。能夠模擬仿真的電路原理圖可由Proteus仿真結(jié)果圖替代。在每個實驗項目中附上2～3個思考題，啟發(fā)學(xué)生思考、鼓勵學(xué)生利用實驗室開放時間完成思考題的實驗。

2.5 重視課設(shè)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練

單片機(jī)課程設(shè)計是提高學(xué)生系統(tǒng)綜合設(shè)計能力的重要環(huán)節(jié)，通常安排一周的時間來完成。以往的教學(xué)模式中學(xué)生主要任務(wù)是根據(jù)課題內(nèi)容編寫程序、在實驗箱上接線并調(diào)試，偏重于程序的編寫而忽略了硬件電路的搭建過程。學(xué)生容易眼高手低，在獨(dú)立設(shè)計系統(tǒng)時不知如何下手，甚至連最小的系統(tǒng)都不清楚。因此，在進(jìn)行課設(shè)時必須擺脫實驗箱，要求學(xué)生獨(dú)立完成系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試。課程設(shè)計題目多樣化，開設(shè)如DS1302實現(xiàn)數(shù)字鐘的設(shè)計、超聲波測距儀的設(shè)計、基于ISD4004的錄放系統(tǒng)設(shè)計等課題供學(xué)生選擇。合理安排任務(wù)進(jìn)度，首先介紹課題的要求、難點(diǎn)及注意事項，學(xué)生自行設(shè)計系統(tǒng)電路。其次檢查并分析電路存在問題，配發(fā)所需元器件、導(dǎo)線及面包板等，學(xué)生動手在面包板上搭建電路，編程并進(jìn)行硬件調(diào)試。最后進(jìn)行課設(shè)的驗收，學(xué)生不僅要按要求完成課題，有正確的現(xiàn)象顯示，而且程序也要最優(yōu)化，養(yǎng)成良好的編程習(xí)慣。驗收時可進(jìn)行隨機(jī)提問，了解學(xué)生的掌握情況，也可安排開卷考試，對主要知識點(diǎn)進(jìn)行考查。

整個過程讓學(xué)生體會到系統(tǒng)設(shè)計的開發(fā)流程：首先設(shè)計電路原理圖，其次編寫程序，然后搭建電路，最后調(diào)試程序完成要求。通過搭建實物學(xué)生認(rèn)識了元器件，如三極管的e、b、c三個引腳如何區(qū)分；學(xué)會了硬件電路的布局；掌握了一些芯片的使用方法等。

2.6 完善考核機(jī)制

2.7 豐富實驗設(shè)備、科學(xué)管理實驗室

為每個實驗箱配置一塊面包板，將實驗箱和面包板結(jié)合起來使用，既可在實驗箱上進(jìn)行一些基礎(chǔ)的常規(guī)性實驗，也可在面包板上進(jìn)行較為新穎的應(yīng)用性實驗，能夠開展的實驗項目更為靈活、豐富。單片機(jī)實驗室的儀器設(shè)備、元器件等多而雜，只有科學(xué)、合理地管理實驗室，才能高效地利用這些設(shè)備。實驗所需的元器件分類編號放在器件盒里，導(dǎo)線統(tǒng)一放在實驗桌的抽屜里。每次實驗結(jié)束后，讓學(xué)生及時反饋登記實驗設(shè)備中的問題，收拾整理實驗設(shè)備后方可離開實驗室。通過查詢學(xué)生的登記記錄，可掌握整個實驗室的設(shè)備使用情況，維修更為方便、快速。實驗教師既要指導(dǎo)學(xué)生實驗，又要維護(hù)實驗設(shè)備，時間和精力有限，造成不能及時更換損壞的芯片，設(shè)備得不到及時維修的現(xiàn)象。因此，可組織部分學(xué)生管理和維護(hù)實驗室，維護(hù)工作包括檢查測試芯片的好壞，補(bǔ)齊器件盒中缺失的元器件，更換實驗箱上的芯片等。這些工作可讓學(xué)生提高正確操作意識、積累經(jīng)驗教訓(xùn)、提高實踐能力。

3 結(jié)束語

實驗教學(xué)的改革重點(diǎn)是學(xué)生能力的培養(yǎng)，改革的目標(biāo)應(yīng)符合社會對應(yīng)用型人才的要求。我們通過對“單片機(jī)實驗”課程不斷地改革與探索，逐步完善了教學(xué)方法、實驗內(nèi)容和考核機(jī)制，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生廣泛參與了開放實驗和創(chuàng)新實驗活動，課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量有明顯提高，為進(jìn)一步的學(xué)習(xí)嵌入式等其他專業(yè)課程打下了良好的基礎(chǔ)。

[1]丁保華,張有忠,陳軍,等.單片機(jī)原理與接口技術(shù)實驗教學(xué)改革與實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2010，27(1):117-119.

[2]李潔,李衛(wèi)兵,杜玉杰.《單片機(jī)原理及應(yīng)用》實驗教學(xué)改革與實踐[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2012，10(4):92-94.

[3]孟建,劉瑞祥,劉永啟.“單片機(jī)原理及應(yīng)用”實驗教學(xué)改革研究[J].中國電力教育,2013(11):97-98.

[4]黃云峰,程啟明,劉 剛,等.“MCS-51單片機(jī)原理”課程實驗教學(xué)的現(xiàn)狀及改革[J].中國電力教育,2011(19):124-125.

[5]常淑俊,黃杰勇.單片機(jī)實驗教學(xué)的探討[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2013,11(2):82-83.

[6]曹建樹,代峰燕,俞建榮,等.應(yīng)用型工科院校單片機(jī)課程教學(xué)改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2012，31(3):129-132.

[7]王海燕,楊艷華.Proteus和Keil軟件在單片機(jī)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索,2012,31(5):88-91.

[8]鄧鵬.單片機(jī)課程實驗教學(xué)改革的探索與實踐[J].工業(yè)控制計算機(jī),2012,25(11):108-109.

[9]劉偉.單片機(jī)實驗教學(xué)改革與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2011(19):81-82.

Teaching Reform and Practices of Single-Chip Microprocessor Experiment

DAI Lijiao

(Jincheng College，Nanjing Aeronautics and Astronautics University, Nanjing 211156, China)

Experiment teaching is the important link of single chip microprocessor course.According to the current problems in the teaching of experiment course, reform measure has been discussed on the enriching teaching methods, adjusting experimental content, perfecting evaluation methods and so on.The purpose is to change the student’s concept that experiment has been despised in mind, to value students’practical ability and motivate their enthusiasm.Practice has proved that students take part in activities of lab opening and innovation.Their ability of circuit design has been improved.The foundation has been built well to meet the needs of the society and improve their competition ability.

single chip microprocessor; experiment teaching; teaching reform; experimental equipment

2014-07-16；修改日期:2014-19-19

戴麗佼(1983-)，女，碩士，講師，主要從事單片機(jī)實驗教學(xué)及研究工作。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.035