張 巖 張 鑫 裴楠楠 劉 偉

山東工商學院信息與電子工程學院 山東煙臺 264005

單片機原理及應用課程是電類、機電類及計算機類等本?？茖I(yè)的一門必修課。該課程具有理論性、實踐性和靈活性強的特點[1]。微控制器技術的發(fā)展日新月異，如何以學生為主體，根據(jù)學習者特征，使其掌握基本理論，引導激發(fā)其創(chuàng)新思維，培養(yǎng)工程開發(fā)綜合能力和再學習創(chuàng)新能力，是單片機教學中需要認真思考的問題。通過對單片機教學目標的深入分析和教學過程中面臨諸多問題的探究，本文探索了單片機課程“教師教學—學生學習—仿真模擬—實踐訓練—創(chuàng)新提高”的五位一體化同步互動式教學模式，并對教學方法和教學手段等進行了深入探究。

1 同步互動“五位一體化”教學模式構建

1.1 教學做一體化

單片機課程的學習，既要使學生掌握基本原理和基礎知識，又要注重學生的實踐訓練與實際應用，因此在教育教學過程中，應當以學生為主體，能力培養(yǎng)優(yōu)先，邊學習邊實踐，注重學思結合，鼓勵創(chuàng)新應用[2]。采用邊學邊練的互動式教學方法，在實驗室上課，講完一個知識點、程序、器件或應用系統(tǒng)設計后，學生現(xiàn)場直接進行實驗驗證與應用設計，方便學生理解、應用與探究[3]。充分利用啟發(fā)式、類比法、實例法、總結歸納法等實施教學，啟發(fā)學生與教師同步思維，使學生理解重點，幫助學生突破難點。引導帶著問題學習、類比學習，總結歸納、積累、擴散、創(chuàng)新。注重學生思維方式的建立、規(guī)律的總結、系統(tǒng)概念的建立、工程師的基本訓練。新型的工程教學模式強調(diào)“學中做”“做中學”，改變課堂理論授課和獨立實驗分離的教學模式，基于單片機實驗教學互動平臺，真正實現(xiàn)單片機學以致用的目標，并且大幅度提高學生的興趣度、參與度和挑戰(zhàn)度。

1.2 虛擬仿真與實際實驗相結合

基于Proteus，Keil軟件平臺和實踐物理實驗設備，共同搭建虛擬仿真與實際實驗相結合的實驗平臺，將理論知識、模擬仿真和實踐應用有效地融為一個整體。Proteus仿真環(huán)境具有多種類型的虛擬儀器，電路可以實時互動仿真，學生先基于虛擬平臺設計并繪制電路原理圖，然后在此基礎上，編寫并調(diào)試源代碼，經(jīng)過模擬仿真，功能實現(xiàn)得到驗證后再搭建實際物理硬件電路，制作樣機測試。通過虛擬實驗和實際的實驗過程及實驗結果對比，提高學生對虛擬實驗的認識和對具體實驗的理解。虛擬平臺的建立讓學生有了隨時隨地都可以使用的開發(fā)實驗室，解決了學生數(shù)量、實驗室空間和工作時間等的沖突與矛盾。虛擬的實驗平臺可以加強學生對單片機工作過程的學習和理解，實際的物理實驗室又加強了實際開發(fā)應用過程的實踐，避免了模擬情境脫離硬件的不利方面。虛實結合是行之有效的方法，兩者相輔相成，互相補充，也有利于促進課程和教學改革，從而非常有利于應用型人才的培養(yǎng)。

1.3 創(chuàng)新訓練與提高

學生綜合實踐能力、創(chuàng)新再學習能力和團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)需要課內(nèi)教學與課外實踐相結合[4]。單片機課程配有綜合性的集中實訓，學生根據(jù)綜合性設計任務實施項目調(diào)研、資料查詢、功能設計、方案比較、器件選擇、可行性分析與論證、工藝設計與制作、聯(lián)合系統(tǒng)調(diào)試、數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化系統(tǒng)及結論等過程，學習并實踐一個完整的單片機系統(tǒng)開發(fā)過程[5]?；谲浻布脚_進行綜合設計與調(diào)試，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集獲取、信號分析處理、執(zhí)行控制監(jiān)測、人機界面交互等功能，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)分析與設計、項目分工與管理、創(chuàng)新性思維的能力等綜合素質。除了課內(nèi)學習，吸收更多的學生利用課外時間進入創(chuàng)新實驗室，并提供軟硬件支持和教師輔導。同時，還開展課外科技訓練，鼓勵組織學生參加與單片機相關的各類學科競賽，以參加全國大學生電子設計、智能汽車競賽、互聯(lián)網(wǎng)+、ICAN物聯(lián)網(wǎng)及挑戰(zhàn)杯等競賽為契機，充分調(diào)動學生自主學習的積極性，訓練學生的實踐技能，提高學生的創(chuàng)新能力。同時注重產(chǎn)學研結合，將科研項目、基地培訓和企業(yè)實習交叉結合，使學生走向工作崗位之前就能得到實踐鍛煉的機會，充分挖掘學生的動手能力和創(chuàng)造性思維。

1.4 同步互動式教學實驗環(huán)境

單片機同步互動式教學實驗平臺為教師教學的實施提供更多樣化的形式，網(wǎng)絡系統(tǒng)與多媒體技術相結合，具有集成性、交互性、控制性特點，為學生創(chuàng)建更真實、更豐富的學習情境，實現(xiàn)硬件電路設計過程、工作過程的動畫表述，使學生感受系統(tǒng)的實際工作工程，可視化教學過程使學生從理性認識轉變?yōu)楦行哉J識。教學與實踐相結合，實現(xiàn)了同步教學、實驗，有助于學生正確理解知識并將其轉換為工程應用開發(fā)能力。同時，平臺提供了試卷庫、題庫編輯、考核結果審核等功能，可實現(xiàn)多級考核，搭建了工程學習考核平臺，教學資源整合更加優(yōu)化。

2 單片機教學的幾點思考

2.1 合理安排教學內(nèi)容

在教學內(nèi)容安排中注重各部分的完整性和前后的連續(xù)性，正確處理教學典型性、教學示范內(nèi)容與實現(xiàn)產(chǎn)品系統(tǒng)設計之間的關系，注重以點帶面，重點、難點突出，使學生容易掌握規(guī)律性，為學生學習和利用其他類型嵌入式系統(tǒng)打下基礎。以單片機內(nèi)部資源為核心、指令和程序設計為基礎，突出常用芯片和典型電路的學習應用，具有較強的實用價值。在外圍接口芯片擴展中，每一項都介紹幾種方案，并比較各種方案的優(yōu)缺點、軟硬件設計技巧及其相應的適用場合，注重學生工程設計思維的培養(yǎng)，引導學生在工程實踐中正確合理地進行各種外圍接口擴展，使學生學會怎樣設計一個合理的單片機應用系統(tǒng)，培養(yǎng)學生工程意識和創(chuàng)新意識。在內(nèi)容安排上，注重各門課程之間的聯(lián)系、融合。關注單片機技術的發(fā)展，注重新技術和新器件的引入，注重單片機應用系統(tǒng)工程應用開發(fā)的能力，注重培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新能力。

2.2 教學方法豐富多樣

單片機教學要鉆研課程特點、教學目標、學習者特征和認知規(guī)律。采用“Teaching - Learning -Simulation - Training - Innovation”的教學方法，形成了理論與實踐融合的同步互動式教學模式。教學過程中采用啟發(fā)探索式、演繹辯證法、典型案例式、虛實結合等多種教學方法，以學生為主體多向性傳遞知識，鍛煉學生的開發(fā)實踐能力，激發(fā)學生的學習主動性，挖掘學生的創(chuàng)造潛能。

互動式邊學邊練的教學方法是在學習完一個知識點、程序、器件或應用系統(tǒng)設計后，學生現(xiàn)場直接進行實驗驗證與應用設計，方便學生理解、應用與探究。充分利用啟發(fā)式、類比法、實例法、總結歸納法等實施教學，啟發(fā)學生與教師同步思維，使學生理解重點，幫助學生突破難點。注重學生思維方式的建立、規(guī)律的總結、系統(tǒng)概念的建立、工程師的基本訓練。

基礎理論以對、準為原則。硬件設計基于三總線的連接：片選、數(shù)據(jù)總線、地址總線(數(shù)據(jù)地址分時復用的鎖存信號、鎖存器)、控制總線(讀、寫、復位)?？偨Y規(guī)律，在總的框架下突出個性，培養(yǎng)學生的發(fā)散思維，引導學生積累硬件設計的方法與技巧。軟件設計基于入口、中斷、堆棧、初始化、主程序的連續(xù)運行，從數(shù)據(jù)傳送的3種形式(內(nèi)部、外部數(shù)據(jù)、外部程序)、控制信號的設置引導學生注意具體程序的設計方法的積累，如循環(huán)的基本設計框架、次數(shù)設計、間接尋址、位操作、移位的應用。與學生一起總結歸納程序設計的主框架、多種基本問題的程序設計思想及其應用，引導學生總結—發(fā)散—提高。應用系統(tǒng)設計基于典型系統(tǒng)設計，強調(diào)系統(tǒng)概念的建立。從系統(tǒng)設計的一般方法總結規(guī)律，發(fā)散到具體設計過程。引導學生積累系統(tǒng)設計的方法與技巧。注重新技術的引入，注重引導學生主動學習。在教學過程中給學生指出了單片機的最新技術、幾個著名的單片機網(wǎng)站，引導學生利用網(wǎng)絡學習單片機，了解單片機的發(fā)展動向和前沿，激發(fā)學生學習的積極性。

2.3 教學手段生動具體

在單片機教學過程中，充分利用單片機同步互動教學實驗平臺，利用其集成性、交互性、控制性等特點輔助教學。充分利用現(xiàn)代教育媒體技術手段，實現(xiàn)硬件電路設計過程、工作過程的動畫表述，使學生感受系統(tǒng)的實際工作過程。通過動畫幫助學生了解系統(tǒng)的工作過程、時序，信號流向，加深基本理論的理解與掌握。硬件設計時，學生了解各芯片的管腳，但不知道如何連線。從各芯片時序、地址總線、數(shù)據(jù)總線、片選、讀寫等硬件設計的基本方法總結規(guī)律，針對具體芯片幫助學生積累特殊信號硬件處理方法。按照時序通過動畫把硬件電路的設計及工作過程展示給學生，通過設問與解決問題，激發(fā)學生的學習積極性與創(chuàng)新性。為了使學生軟件設計有思路，采用Flash動畫播放框圖，循序漸進啟發(fā)思維，帶領學生按照框圖把語句一條一條寫出來，并通過演示程序的實際執(zhí)行來驗證結果的正確性，使學生成為課堂教學的主體。系統(tǒng)設計主要是硬軟件設計的綜合利用。以總體設計為主線，通過單片擴展到多片擴展，引導學生建立系統(tǒng)概念，設計與優(yōu)化應用系統(tǒng)。虛擬仿真與實際實驗相結合使學生更好地了解單片機系統(tǒng)的開發(fā)過程，掌握系統(tǒng)設計方法、工作過程及功能實現(xiàn)。同時通過教學網(wǎng)站為學生提供了豐富的學習資料，為學生搭建自學、師生課下互動、交流單片機技術的平臺。

3 結語

同步互動五位一體化單片機教學模式兼顧了教學與實踐應用，并遵循“理論—實踐—再理論—再實踐”的認知學習規(guī)律，引導和鼓勵學生通過實踐和自學獲取知識，注重培養(yǎng)學生的知識應用能力、綜合開發(fā)設計能力和創(chuàng)新再學習能力。同時，教學過程要緊隨教學發(fā)展的新要求，突出個性化和創(chuàng)造性。