戴麗佼

(南京航空航天大學 金城學院，南京 211156)

單片機課程實驗教學的改革與實踐

戴麗佼

(南京航空航天大學 金城學院，南京 211156)

實驗教學是單片機課程教學中的重要環(huán)節(jié)。南京航空航天大學針對目前實驗教學中存在的一系列問題，從豐富教學方法、調(diào)整實驗內(nèi)容和完善考核制度等方面進行了改革的探討。目的是改變學生輕視實驗的觀念，重視動手能力的訓練，激發(fā)學生的學習熱情。實踐表明學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;實驗教學;教學改革;實驗設(shè)備；改革

單片機原理及應(yīng)用是高校電氣、自動化及機械等專業(yè)學生必修的一門課程。該課程理論性、邏輯性和應(yīng)用性較強，其實驗教學目的是培養(yǎng)學生的動手實踐能力、創(chuàng)新能力、綜合思維能力，為學生后續(xù)進行的專業(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 實驗教學現(xiàn)狀分析

1.1 實驗學時較少

1.2 實驗內(nèi)容結(jié)構(gòu)不合理

實驗教學內(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往往一知半解；配套的實驗指導書過于詳細[4]，缺少啟發(fā)性，學生只要在實驗箱上按部就班地接線、在計算機端運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)學生的學習興趣和熱情。這使學生在進行畢業(yè)設(shè)計等綜合性系統(tǒng)設(shè)計時，學生常常感到吃力，無從下手。

1.3 實驗設(shè)備陳舊、維修不及時

單片機實驗室配備的實驗設(shè)備有實驗箱、計算機、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個班的學生進行實驗，實驗室處于高負荷的運作中。在實驗過程中學生的帶電插拔導線、接錯線等操作不當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)讓學生在陳舊老套的設(shè)備上進行實驗，無疑與社會脫節(jié)，不利于學生能力的提高。

2 實驗教學改革

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

2.1 增加實驗學時數(shù)

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

2.2 教學方法、手段多樣化

純粹的理論教學內(nèi)容抽象、枯燥無味，學生容易產(chǎn)生厭倦感，削弱學習興趣。而在實驗教學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，學生邊學邊做，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。教學方法側(cè)重于提問式、啟發(fā)式教學，突出“教師為主導、學生為主體”的教學模式，引導學生通過實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問題，總結(jié)規(guī)律[6]，提高學生分析問題、解決問題的能力。在教學過程中，采用Proteus虛擬仿真工具及Keil編譯工具相結(jié)合進行教學[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。學生在課余時間隨時可仿真實驗過程，提高學習興趣。在預(yù)習時對實驗電路進行模擬仿真，課堂上再動手實踐操作，從而達到事半功倍的效果。

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)象引導學生掌握單片機設(shè)計開發(fā)流程。這類實驗對學生的理論知識要求不高，學生更容易動手實踐，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，引導學生深入思考。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，可在開發(fā)板或?qū)嶒炏渖贤瓿桑康氖桥囵B(yǎng)學生相關(guān)知識綜合運用能力。實驗內(nèi)容在安排上可提供詳細的內(nèi)容說明、完整的電路介紹及程序清單。課堂教學時利用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，讓學生獨立思考解決問題。

2.4 編寫合適的實驗教材

目前實驗指導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，造成學生對實驗指導書的完全依賴性。因此、實驗指導書的編寫應(yīng)富有一定的啟發(fā)性，給學生留有思考的空間。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，引導學生分析、思考程序。學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)學生思考、鼓勵學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)的訓練

單片機課程設(shè)計是提高學生系統(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。以往的教學模式中學生主要任務(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。學生容易眼高手低，在獨立設(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，在進行課設(shè)時必須擺脫實驗箱，要求學生獨立完成系統(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)計等課題供學生選擇。合理安排任務(wù)進度，首先介紹課題的要求、難點及注意事項，學生自行設(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、導線及面包板等，學生動手在面包板上搭建電路，編程并進行硬件調(diào)試。最后進行課設(shè)的驗收，學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)成良好的編程習慣。驗收時可進行隨機提問，了解學生的掌握情況，也可安排開卷考試，對主要知識點進行考查。

整個過程讓學生體會到系統(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。通過搭建實物學生認識了元器件，如三極管的e、b、c三個引腳如何區(qū)分；學會了硬件電路的布局；掌握了一些芯片的使用方法等。

2.6 完善考核機制

2.7 豐富實驗設(shè)備、科學管理實驗室

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，既可在實驗箱上進行一些基礎(chǔ)的常規(guī)性實驗，也可在面包板上進行較為新穎的應(yīng)用性實驗，能夠開展的實驗項目更為靈活、豐富。單片機實驗室的儀器設(shè)備、元器件等多而雜，只有科學、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，導線統(tǒng)一放在實驗桌的抽屜里。每次實驗結(jié)束后，讓學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。實驗教師既要指導學生實驗，又要維護實驗設(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，可組織部分學生管理和維護實驗室，維護工作包括檢查測試芯片的好壞，補齊器件盒中缺失的元器件，更換實驗箱上的芯片等。這些工作可讓學生提高正確操作意識、積累經(jīng)驗教訓、提高實踐能力。

3 結(jié)束語

實驗教學的改革重點是學生能力的培養(yǎng)，改革的目標應(yīng)符合社會對應(yīng)用型人才的要求。我們通過對“單片機實驗”課程不斷地改革與探索，逐步完善了教學方法、實驗內(nèi)容和考核機制，提高了學生的學習興趣。學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，為進一步的學習嵌入式等其他專業(yè)課程打下了良好的基礎(chǔ)。

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

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

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

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

[5]常淑俊,黃杰勇.單片機實驗教學的探討[J].實驗科學與技術(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課程教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2012，31(3):129-132.

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

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

[9]劉偉.單片機實驗教學改革與實踐[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，主要從事單片機實驗教學及研究工作。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.035