張子紅,劉鑫

(黑龍江科技學(xué)院,哈爾濱150027)

引 言

單片機(jī)課程是電子、通信、機(jī)電等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課,是一門技術(shù)性和實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,實(shí)用性很強(qiáng),且與后續(xù)專業(yè)課程、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的聯(lián)系非常緊密。該課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、尋址方式、指令系統(tǒng),能進(jìn)行硬件接口和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)及對常用的單片機(jī)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試,并能設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品。但由于多方面原因,大學(xué)單片機(jī)教學(xué)的效果并不理想,該課程的教學(xué)目標(biāo)很難實(shí)現(xiàn)。

1 單片機(jī)教學(xué)改革的必要性分析

1.1 單片機(jī)課程的特點(diǎn)

①單片機(jī)課程內(nèi)容豐富,包括硬件資源、軟件系統(tǒng)、應(yīng)用設(shè)計(jì)三大部分,覆蓋了硬件、軟件及應(yīng)用,內(nèi)容跨度大,但又相互滲透,緊密聯(lián)系。

②單片機(jī)課程應(yīng)用性和實(shí)踐性非常強(qiáng),這就要求單片機(jī)課程應(yīng)采用課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式。

③單片機(jī)課程的很多教材內(nèi)容與工程實(shí)踐的要求相比相距甚遠(yuǎn),這就要求教師在單片機(jī)課堂教學(xué)中將書本教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)踐結(jié)合起來。

1.2 傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題

長期以來,單片機(jī)課程教學(xué)由理論課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)等環(huán)節(jié)構(gòu)成。單片機(jī)課程的教學(xué)采用“先原理后設(shè)計(jì)、先理論后實(shí)驗(yàn)”的模式,理論教學(xué)的學(xué)時(shí)一般大大多于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)時(shí),而且實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般在“指令系統(tǒng)”講授之后才開始進(jìn)行。這種教學(xué)體系的不足之處在于[1]:

①以講解大量的原理來引導(dǎo)學(xué)生入門,不僅使學(xué)生理解困難,而且感覺枯燥乏味。

②教學(xué)過程中以單片機(jī)原理為核心,其應(yīng)用只是點(diǎn)綴,造成學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)不足。

③軟硬件介紹分離,對單片機(jī)軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法強(qiáng)調(diào)不夠,這使得學(xué)生在構(gòu)建實(shí)際的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)缺少系統(tǒng)化的思路。

④學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中無法及時(shí)地驗(yàn)證單片機(jī)的各部分功能,使學(xué)生失去了深入學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣。

⑤通常是在講授相關(guān)的理論之后才可以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),使學(xué)生不能很好地掌握相關(guān)的理論。

⑥學(xué)生的動(dòng)手經(jīng)驗(yàn)完全來自于加工成箱的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。學(xué)生主要的工作是機(jī)械地接孔連線,創(chuàng)造性的思維完全被禁錮在小小的實(shí)驗(yàn)箱中,嚴(yán)重挫傷了學(xué)生的開發(fā)興趣。

⑦實(shí)驗(yàn)箱經(jīng)長期使用后,有些功能可能出現(xiàn)了故障,學(xué)生無法正確地驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

⑧實(shí)驗(yàn)箱設(shè)備的更新對于實(shí)驗(yàn)室來說也是一筆不小的開支。

綜合以上因素,我們急需對單片機(jī)課程的教學(xué)進(jìn)行改革。

2 單片機(jī)教學(xué)效果不理想的原因分析

2.1 單片機(jī)課程教學(xué)情況調(diào)查和教改目標(biāo)

自從參加單片機(jī)教學(xué)工作以來,對單片機(jī)傳統(tǒng)教學(xué)的情況進(jìn)行了調(diào)查和分析,分別對我校計(jì)算機(jī)通信學(xué)院2003～2007學(xué)年單片機(jī)課程的教學(xué)計(jì)劃及教學(xué)效果進(jìn)行了調(diào)查和統(tǒng)計(jì),見表1和表2。

表1 單片機(jī)課程教學(xué)計(jì)劃調(diào)查表

表2 單片機(jī)課程教學(xué)效果調(diào)查表

根據(jù)調(diào)查結(jié)果,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,得出各項(xiàng)變化曲線,如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)單片機(jī)課程教學(xué)的效果柱形圖

根據(jù)以上調(diào)查情況,我們可以得出如下結(jié)論:

①理論教學(xué)學(xué)時(shí)逐年減少,理論考試成績不斷下降。

②實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)逐年增加,實(shí)驗(yàn)成績逐年提高,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成功率也逐年提高。

③課程實(shí)訓(xùn)的學(xué)時(shí)增加較多,因此學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成功率和應(yīng)用設(shè)計(jì)作品成功率都在逐年大幅提高,而且參加全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽的學(xué)生有多人獲得獎(jiǎng)項(xiàng)。

總結(jié)這些年的變化是由于我校對學(xué)生動(dòng)手能力的重視和培養(yǎng),但由于總學(xué)時(shí)數(shù)有限,不得不犧牲學(xué)生理論教學(xué)的學(xué)時(shí)數(shù),導(dǎo)致學(xué)生單片機(jī)理論考試成績逐年下降。綜合以上分析,有必要對單片機(jī)的教學(xué)進(jìn)行改革,急需找到既能提高學(xué)生理論水平又能迅速提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力的教學(xué)方法,以便進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量,提高學(xué)生綜合素質(zhì),以適應(yīng)社會(huì)的競爭。單片機(jī)教改的目標(biāo)是理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)獲得雙贏的教學(xué)效果,確定了如下教改目標(biāo),如圖2所示。

圖2 教改單片機(jī)課程教學(xué)效果目標(biāo)柱形圖

2.2 傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)效果不理想的諸多原因分析

為了使得單片機(jī)的教改活動(dòng)取得成功,我們分析單片機(jī)教學(xué)效果不理想的諸多原因并找出主要原因,見圖3。

圖3 教學(xué)效果因果圖

經(jīng)過分析,導(dǎo)致單片機(jī)教學(xué)效果不理想的原因非常多,其中主要影響因素如下:

①資金不足。不能及時(shí)更新和添置實(shí)驗(yàn)設(shè)備,導(dǎo)致學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力不能得到很好的鍛煉。

②學(xué)生上課不認(rèn)真聽講。不能較好理解單片機(jī)的教學(xué)內(nèi)容,漸漸失去學(xué)習(xí)興趣。

③教學(xué)方法不得當(dāng)。教師的教學(xué)方法和手段落后,教學(xué)內(nèi)容枯燥,直接影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣,學(xué)生普遍缺乏學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

針對上述影響教學(xué)效果的原因,提出利用Proteus軟件輔助單片機(jī)課程的教學(xué),減少資金投入,提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,掌握理論和實(shí)踐應(yīng)用技能。

3 基于Proteus的單片機(jī)課程教學(xué)實(shí)施概況

3.1 Proteus軟件介紹

英國Labcenter公司的Proteus軟件,作為一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái),由于其能實(shí)現(xiàn)電路仿真與處理器仿真的有機(jī)結(jié)合,為單片機(jī)的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)提供了革命性的手段,現(xiàn)在已經(jīng)被越來越多的大學(xué)采用為單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)及創(chuàng)新平臺(tái)[2]。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代化教學(xué)的需要,利用計(jì)算機(jī)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA(Electronics Design Au tomatic)軟件進(jìn)行多媒體輔助教學(xué),已成為一種必然的發(fā)展趨勢。Proteus仿真軟件可以完成無實(shí)物仿真虛擬實(shí)驗(yàn),作為教學(xué)手段得到廣泛應(yīng)用。

3.2 Proteus軟件在單片機(jī)課程教學(xué)中的具體應(yīng)用

單片機(jī)教學(xué)涉及軟件和硬件兩方面的知識(shí),在教學(xué)中應(yīng)從單片機(jī)應(yīng)用者的角度來講述,在工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上,理解和掌握單片機(jī)的硬件資源。下面以單片機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的靜態(tài)顯示為例來說明應(yīng)用Proteus進(jìn)行單片機(jī)課程教學(xué)的改革實(shí)踐與體會(huì)。[4]

單片機(jī)的I/O口和數(shù)碼管的理論知識(shí)講述比較枯燥,老師費(fèi)盡口舌,學(xué)生也難以理解,而且學(xué)生自己動(dòng)手應(yīng)用的機(jī)會(huì)也比較少。實(shí)際上應(yīng)從應(yīng)用的角度出發(fā),將軟硬件結(jié)合來講,在理論講述的同時(shí),設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)例,利用Proteus仿真軟件設(shè)計(jì)硬件電路,用Keil軟件進(jìn)行控制程序的編程、編譯和軟件調(diào)試,然后在Proteus中仿真實(shí)現(xiàn)。

首先,在Proteus仿真軟件中完成硬件電路的設(shè)計(jì)部分。硬件的設(shè)計(jì)方案有多種,可以給學(xué)生們列舉出來,選出一個(gè)作為本次課程的例子。其余的方案可以讓學(xué)生課后回去練習(xí)。這里以AT89S51單片機(jī)的P0口為例,P0口外接一上拉電阻和一個(gè)共陽數(shù)碼管,進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟季€后其結(jié)果如圖4所示。

其次,在Keil軟件中完成程序的設(shè)計(jì)部分。根據(jù)電路要完成的功能畫出程序流程圖,可以用匯編語言或C語言完成程序的編寫。本程序是用C語言編寫的,如圖5所示。

經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試可以看到數(shù)碼管上會(huì)循環(huán)顯示0～F這16個(gè)字符。如圖6、圖7所示。通過多媒體教學(xué)設(shè)備,

圖4 P0口驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管硬件原理圖

圖5 P0口驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的程序

圖6 數(shù)碼管顯示數(shù)字0的效果

圖7 數(shù)碼管顯示字符F的效果

學(xué)生可以清楚地看到從硬件電路設(shè)計(jì)、編程以及軟件調(diào)試到硬件仿真的整個(gè)工程實(shí)踐的過程。學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)增加了感性認(rèn)識(shí),進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,更重要的是強(qiáng)調(diào)了單片機(jī)軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。然后在學(xué)生理解和掌握單片機(jī)并口的基本知識(shí)的基礎(chǔ)上,繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生在這個(gè)例子上做進(jìn)一步的擴(kuò)展,如實(shí)現(xiàn)數(shù)碼的動(dòng)態(tài)顯示,按鍵的識(shí)別等。學(xué)生基本掌握了單片機(jī)的I/O口的輸入輸出功能,教學(xué)效果非常好。

同時(shí),在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)資源比較緊張的情況下,可以使用Proteus仿真軟件來完成一些實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證[3],學(xué)生們可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的和要求,獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的硬件電路和程序,在Proteus仿真軟件里首先調(diào)試通過。調(diào)試通過后,還可以依據(jù)原理圖,結(jié)合硬件仿真實(shí)驗(yàn)箱,搭建實(shí)際的硬件實(shí)驗(yàn)電路,對軟硬件進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試,然后觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在調(diào)試過程中,學(xué)生要自己動(dòng)手分析解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題,在解決問題的過程中進(jìn)一步加深對單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的理解。這樣不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力,還可以提高學(xué)生獨(dú)立分析和解決實(shí)際問題的能力。

4 單片機(jī)教學(xué)改革效果檢查

我校2007～2008學(xué)年的單片機(jī)課程采用基于Proteus的單片機(jī)課程教學(xué)方法,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3、表4所列。

表3 教改后教學(xué)計(jì)劃表

表4 教改后教學(xué)的效果表

將教改后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并與教改前進(jìn)行對比,見圖8。

圖8 教改前后教學(xué)效果對照柱形圖

以上數(shù)據(jù)和圖表顯示,我校2007～2008學(xué)年的單片機(jī)課程采用基于Proteus的單片機(jī)課程教學(xué)方法后,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,各項(xiàng)成績均有所提高,尤其是應(yīng)用設(shè)計(jì)作品成功率大幅提高了,達(dá)到了教改的既定目標(biāo)。

結(jié) 語

基于Proteus的單片機(jī)課程教學(xué)改革,從軟硬件結(jié)合、工程應(yīng)用的角度講述理論知識(shí),增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí),進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性。教學(xué)實(shí)例演示速度快,方便直觀而且形象化,體現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合,有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和綜合運(yùn)用知識(shí)的能力,使學(xué)生受到更為實(shí)際、更加全面的科學(xué)研究與工程實(shí)踐訓(xùn)練,提高教學(xué)質(zhì)量。本次教改活動(dòng),不僅取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益,而且對于日后的教學(xué)改革提供了的嘗試。目前,還需要繼續(xù)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)業(yè)精神,加大教改的力度和活動(dòng)范圍。

[1]汪寧.PROTEUS軟件的單片機(jī)仿真方法[J].山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2007,21(1):24-27.

[2]李峻薇.PROTEUS在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技廣場,2007(9):179-180.

[3]劉心紅.PROTEUS仿真技術(shù)在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室技術(shù)與管理,2003,24(3):96-98.

[4]袁峰偉.基于PROTEUS的單片機(jī)課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2007,26(12):75-78.