李有光， 聞 新， 南 英

(南京航空航天大學 航天學院，江蘇 南京210016)

0 引 言

AVR 單片機采用雙總線的哈弗結(jié)構(gòu)，其RAM 中的前32 個單元作為通用寄存器，直接與運算邏輯單元相連，可實現(xiàn)寄存器文件的快速存取。AVR 單片機還采用精簡指令集，且具有高速低功耗等優(yōu)點，目前已被包括我校航天學院在內(nèi)的眾多院校選定為本科生必修課程，AVR 單片機實驗起著舉足輕重的作用［1-2］。開設(shè)實驗的目的是提高學生實踐和創(chuàng)新能力［3-4］。

在教學方法和手段方面，為提高學生學習效率，需要采用合理的教學方法和手段［5-6］，對于初學單片機的本科生適合采用以C 語言學習為主，匯編語言學習為輔的方針，以避免枯燥的匯編指令困擾。C 語言編譯器目前流行的主要有CVAVR、WinAVR、AVR Studio 和ICCAVR 等，同時采用可以對AVR 單片機及接口芯片實現(xiàn)硬件仿真功能的軟件Proteus 進行教學［7-9］。以學生作為認知主體，在實驗環(huán)節(jié)中設(shè)計和開發(fā)面向?qū)嶋H應(yīng)用的實驗項目，激發(fā)學生學習興趣，啟發(fā)探索精神，使學生在學到扎實的專業(yè)實驗技能的同時，掌握項目開發(fā)的基本方法，逐步培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，這對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和實踐動手能力有著極為重要的指導意義。

在專業(yè)差異性方面，不同專業(yè)本科學生所需的實踐技能側(cè)重點也有所差異。對于控制專業(yè)的學生，主要側(cè)重于直流無刷電機、各種壓力、溫度、電壓和電流傳感器等控制對象的使用方面［10-12］。對于信息專業(yè)的學生，則主要注重各種通信協(xié)議和代碼生成及轉(zhuǎn)換等［13］。以往，在實驗項目的開發(fā)和研制上沒有考慮學生所學專業(yè)的差異性，沒有設(shè)計不同的實驗實踐項目以滿足本科生自身及專業(yè)差異性發(fā)展的要求。

目前已開始了大規(guī)模的實驗教學，并在培養(yǎng)自主意識、創(chuàng)新素質(zhì)和團隊協(xié)作等方面，取得良好的教學效果。同時，面對眾多實驗，不同專業(yè)的教學也出現(xiàn)一些新問題。本文討論了在實驗教學中出現(xiàn)的問題，并在“面向工程的軟硬件整合”方面做了一些探索和研究。

1 當前實驗教學中存在的問題

(1)有些程序代碼工程實用性不足。針對目前

AVR 單片機實驗教學編寫的代碼功能不全，有些代碼只實現(xiàn)了部分硬件功能，且這些代碼與硬件的關(guān)系論述不清楚，例如在字符式LCD1602 液晶顯示實驗里，延遲函數(shù)設(shè)定的延遲時間由內(nèi)部芯片HD44780 和HD44100 響應(yīng)時間決定，不同指令執(zhí)行時間不同，用很長的延遲時間雖然可以完成功能，但相應(yīng)的查詢“忙”狀態(tài)的時間也相應(yīng)增加，而且在復(fù)雜的工程應(yīng)用中很容易被中斷，增加MCU 負擔，實際應(yīng)用的程序還需處理很多其他任務(wù)，因此需要充分了解指令與硬件的關(guān)系，以及同時進行的其他任務(wù)特點，相應(yīng)修改程序，例如為節(jié)省資源盡量用4 位總線，最少的延遲時間。

(2)Proteus 軟件并未被普遍采用。Proteus 軟件是英國Lab Center Electronics 公司開發(fā)的EDA 軟件，于1989 年問世，已發(fā)展25 年，得到全世界范圍的廣泛應(yīng)用。Proteus 軟件具有通用EDA 軟件的原理圖編輯、制板和數(shù)模電仿真功能，除此外還是目前世界上唯一能進行單片機應(yīng)用系統(tǒng)虛擬設(shè)計與仿真功能的軟件，它可以對基于單片機應(yīng)用系統(tǒng)及眾多的外圍接口芯片、電子元器件以及外部的各種測試儀器一起仿真。Proteus 提供了30 多個元件庫，涉及到8086、51、AVR和Cortex-M3 等各種嵌入式處理器芯片、數(shù)字和模擬等上萬種元器件，并提供了各種激勵源和虛擬儀器(示波器、信號發(fā)生器、邏輯分析儀和計數(shù)定時器等等)，為單片機應(yīng)用系統(tǒng)的虛擬仿真提供了各種方便的硬件電路和軟件的調(diào)試手段。該軟件使得單片機系統(tǒng)的調(diào)試方法與設(shè)計思想發(fā)生根本性的變革，克服了傳統(tǒng)實驗教學模式存在的諸多不足［14-16］，對提高本科生的設(shè)計與調(diào)試能力以及實踐能力有了一個質(zhì)的飛躍。但此軟件目前只在學院個別班級使用，并未全面普及。

(3)課程考核方式不全面。該實驗課和理論課作為一門課進行教學，考核方式采用期末試卷成績占70%，平時成績占30%的方法，把大作業(yè)和基礎(chǔ)實驗的考核計入平時成績里，這樣導致后者比重太小，學生的學習重點還是放在書本上，會出現(xiàn)死記硬背的現(xiàn)象。

2 軟硬件整合的改革與實踐

分析上述問題，不難發(fā)現(xiàn)問題關(guān)鍵在于以工程需求為背景，有效提高學生的應(yīng)用設(shè)計能力。解決的根本辦法是設(shè)置大量具體的工程項目，充分利用Proteus軟件與硬件實驗平臺進行深入整合。

2.1 與工程應(yīng)用相結(jié)合

用傳統(tǒng)方法學習AVR 單片機過程中，各個章節(jié)單獨講授，講授的目的是使學生掌握基本概念、基本知識和基本設(shè)計方法。在初學時往往是“只見樹木不見森林”，但使用AVR 單片機完成實際工程項目時，一定要使各章節(jié)有機結(jié)合。因此為使學生能夠融會貫通地使用AVR 單片機，需要設(shè)置大量基于工程的實驗項目，每人一題，使題目都不相同。以“拋錨式法”提出，激發(fā)學生的學習動力，由學生從資料查詢、收集、整理，消化吸收現(xiàn)有成果，直至完成既定目標，讓學生在真實的工程環(huán)境中去感受和體驗該實驗所應(yīng)用的知識點以及知識點之間的聯(lián)系，通過學生的自主學習和協(xié)助學習，來完成對所學知識的意義建構(gòu)，這也是今后完成本科畢業(yè)設(shè)計或?qū)砜蒲泻凸ぷ髦兴扇〉姆椒ā?/p>

這一過程的考核適宜以大作業(yè)的形式進行，每個大作業(yè)盡量涵蓋課堂講授的AVR 單片機的基本概念、基本知識以及基本設(shè)計方法，每個作業(yè)要盡量涉及較多的片內(nèi)功能部件與各種擴展，這可以鍛煉學生的硬件系統(tǒng)設(shè)計能力，軟硬件聯(lián)調(diào)能力。在理論教學一開始就給學生分配下來，使他們能夠有充足的時間去完成任務(wù)。實際上大作業(yè)題目完成的過程，就是學生設(shè)計與實踐能力提高的過程。對大作業(yè)的考核是看其運行是否通過，功能是否達到設(shè)計要求，對大作業(yè)中不足之處和精彩的地方也要予以指出，最好學生和老師一起討論，使班級每個人都能從自己和其他人的大作業(yè)中受益，相互促進，相互提高，起到事半功倍的效果。這樣才真正有利于學生設(shè)計水平的不斷提高。因此，大作業(yè)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)提高學生設(shè)計與工程實踐能力的一個重要舉措。

2.2 實驗教學方法的改革

隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，新理論和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，AVR 單片機和Proteus 軟件的出現(xiàn)便是最好的例證。Proteus 軟件在單片機課程中的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的教學模式，它用軟件模擬了真實的實驗平臺，這使得單片機系統(tǒng)的調(diào)試可以先于實驗平臺的建立，使單片機的設(shè)計理念發(fā)生了根本的變革，這是傳統(tǒng)的教學模式所無法比擬的，對提高學生的系統(tǒng)設(shè)計與聯(lián)合調(diào)試能力以及工程實踐能力有了一個質(zhì)的飛躍。

建議Proteus 在單片機教學中的使用方法如下:

(1)在講授單片機內(nèi)容前大致介紹Proteus ISIS軟件和C 語言編譯軟件，并提供學習視頻資料，限定學習范圍。

(2)在講授前幾章內(nèi)容時，詳細給出程序的編譯和.HEX 或.coff 文件的生成過程，演示Proteus ISIS 中元器件查找的方法和常用庫文件分類，演示原理圖的繪制、熔絲位配置、.hex 文件或.coff 文件的加載、仿真調(diào)試和波形觀察等。在學生熟練掌握軟件使用后上述操作可僅做演示或讓學生自行完成。

(3)因Proteus 設(shè)計不受時間、地點以及硬設(shè)備、儀器的限制，可以布置課后作業(yè)，讓學生逐步掌握Proteus ISIS 及編譯軟件?；A(chǔ)實驗要求先在Proteus ISIS 下仿真通過，然后再在相應(yīng)的硬件實驗系統(tǒng)調(diào)試通過。

(4)可以根據(jù)需要講授Proteus ARES。

在基礎(chǔ)實驗環(huán)節(jié)中，需建立一套基于Proteus 和硬件實驗箱相結(jié)合的實驗平臺，設(shè)計與課程教學內(nèi)容緊密結(jié)合的實驗題目，包括必做題目5 個:I/O 中斷和數(shù)碼管顯示、定時/計數(shù)器、串行通信、鍵盤和顯示、A/D和D/A 等基本實驗;選做題目5 個:溫度及壓力測量、電動機控制、繼電器以各種擴展功能等。上述實驗可根據(jù)不同專業(yè)特點適當修改。需向?qū)W生強調(diào)，由于時延和噪聲等因素，仿真不能完全代替實際實驗驗證。

從軟硬件結(jié)合和工程應(yīng)用的角度布置實驗，增強了學生的單片機的理解深度，使學生脫離了硬件實驗平臺的束縛，降低了學習成本，提高了學習效率，激發(fā)學生的學習興趣，提高了教學質(zhì)量，目前已取得了很好的效果。

2.3 考核方式的改革

目前，單片機課程的考核是試卷成績占70%，平時成績占30%，大作業(yè)和基礎(chǔ)實驗成績計入平時成績。閉卷考試重點考核理論知識，學生經(jīng)常是在考試前一周死記硬背基本概念，對基本概念和概念間的聯(lián)系不甚理解，考試結(jié)束一段時間后很容易忘記。單片機是實用性很強的課程，其應(yīng)用靈活多樣，這種考核方式很難考察出學生的應(yīng)用水平，甚至有可能使學生誤解單片機只要會背例程和概念就可以了，并不深究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)本質(zhì)和周圍接口芯片特點，這對他們今后的發(fā)展極為不利。既然Proteus 軟件已在單片機課程中廣泛應(yīng)用，使得課程的教學理念、教學方法以及實驗手段都產(chǎn)生了變革，因此相應(yīng)的考核方式也應(yīng)變革。

應(yīng)采取多樣化的考核方式，考核包括三個方面，理論知識的考核，占總成績的50%，基礎(chǔ)實驗的考核，占總成績的30%，大作業(yè)的考核占總成績的15%，平時成績占總成績的5%。對基礎(chǔ)實驗和大作業(yè)中的實驗，全部要求學生先在Proteus 中仿真通過，然后在實驗平臺上驗證。平時成績可以作為課堂表現(xiàn)的考核分數(shù)。通過這種方式既可以了解學生理論知識的掌握程度，也可以考查學生的動手實踐和創(chuàng)新能力。

3 結(jié) 語

以AVR 單片機應(yīng)用為基礎(chǔ)，以提高學生實踐和創(chuàng)新能力為目標，結(jié)合航天學院各專業(yè)本科生實驗教學的實際情況，整合了軟硬件教學方法和考核手段，優(yōu)化了實驗資源配置，節(jié)約硬件開發(fā)成本和周期。經(jīng)過3年的改革實踐表明，通過軟硬件教學方法和考核方式改革的實施，增加了學生學習的興趣，減輕了學生學習壓力，學生不但掌握教學大綱要求的軟硬件基礎(chǔ)知識，而且對單片機及外圍芯片的內(nèi)部電路拓撲結(jié)構(gòu)也有深入的了解。從本學院本科生畢業(yè)設(shè)計過程中可以看出，學生在實際工程應(yīng)用項目的開發(fā)質(zhì)量和數(shù)量上都有較大幅度提高，并且改革措施已面向全院本科生推廣開來。

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