主頁 > 技術(shù)文章 > 簡論單片機課程中單片機實驗教學探究 2024-10-09

簡論單片機課程中單片機實驗教學探究

摘要：單片機的開發(fā)與應(yīng)用、學習將造就一批計算機智能化控制的工程師、科學家。一些中等院校也相繼開設(shè)了單片機課程設(shè)計及相關(guān)的課程。在單片機及接口技術(shù)課程的教學過程中，實驗教學是重要的組成部分。針對單片機課程的教學改革，不斷加強單片機課程實驗環(huán)節(jié)，改革教學方法，虛擬仿真實驗在單片機教學中的應(yīng)用，實踐表明，該方法有利于激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，提高了教學效果。
　　“單片機原理”是一門理論性、邏輯性、實踐性很強的學科，是電類專業(yè)一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，把微機接口部分、匯編語言部分、通信技術(shù)部分的知識點等綜合在一起，屬于邏輯性、工程性、技術(shù)性、實踐性很強的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程作為電類專業(yè)最重要的核心課程之一，它是電類專業(yè)高素質(zhì)技能型人才所需全部自動控制類知識結(jié)構(gòu)的載體，占據(jù)著非常重要的位置。
　　然而，傳統(tǒng)的單片機教學一般注重課程本身的體系結(jié)構(gòu)和前后的邏輯聯(lián)系，均以學科體系為出發(fā)點，忽略了“可學性”，致使學生學得吃力，老師教得辛苦，教學效果卻沒有顯現(xiàn)出來。
一、研究背景及意義：
　　目前，全國將單片機列入單獨的比賽項目，在考查中注重學生的能力培養(yǎng)，學生的技能素養(yǎng)教育成為重中之重，加之社會需求高技能人才，許多學校為了適應(yīng)社會的發(fā)展和市場需求在不同的專業(yè)開設(shè)了單片機課程，然而單片機課程是一門實踐性很強的課程，要想在教學過程中取得很好的效果，就必須要求學生在學習過程中多動手實踐，但有的學校教學設(shè)備有限，怎樣解決這個問題。仿真實驗課可以讓學生在單片機工作室里做中學，真正玩轉(zhuǎn)單片機，也同時解決了學生學起來枯燥，老師教起來吃力的尷尬局面。
　　目前單片機教學中存在諸多問題。如單片機課程理論為主，實驗教學多是進行驗證性實驗。單片機實驗室存在場地和時間限制，學生除了課上，很難有機會接觸到所需要的設(shè)備，如仿真器、實驗板等，個人配備成本太高，個體無法承擔。而且實驗箱只能驗證試驗的基本作用和意義，就無從談起學生動手能力的訓練和提升。單片機在當今社會中的應(yīng)用速度發(fā)展迅速，然而單片機教材陳舊，實驗設(shè)備很容易落后、老化等問題，必然會帶來耗資等問題。由此可見，構(gòu)建成本低廉的單片機仿真實驗系統(tǒng)對于單片機教學意義重大。它不僅可以降低實驗設(shè)備投資，而且能培提高學生的工程素質(zhì)，養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。在單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程中，我們不單要突出設(shè)備的自動化程度及智能性，另一方面也要重視控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，否則就無法體現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。
　　由于單片機控制系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)的工作環(huán)境往往是比較惡劣和復(fù)雜的，其應(yīng)用的可靠性、安全性就成為一個非常突出的問題。單片機控制系統(tǒng)應(yīng)用必須長期穩(wěn)定、可靠地運行，否則將導(dǎo)致控制誤差加大，嚴重時會使系統(tǒng)失靈，甚至造成巨大的損失。
　　影響單片機控制系統(tǒng)應(yīng)用的可靠、安全運行的主要因素是來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，以及系統(tǒng)結(jié)果設(shè)計、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環(huán)境條件等。這些因素對控制系統(tǒng)造成的干擾后果主要表現(xiàn)在下述幾個方面。（1）數(shù)據(jù)采集誤差加大。（2）控制狀態(tài)失靈。（3）數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化。（4）程序運行失常。
　　由于受到干擾后計數(shù)器的值是隨機的，因而導(dǎo)致程序混亂。通常的情況是程序?qū)?zhí)行一系列毫無意義的指令，最后進入“死循環(huán)”，這將使輸出嚴重混亂或系統(tǒng)失靈。
　　隨著單片機及其接口技術(shù)的飛速發(fā)展，目前面對職業(yè)教育存在的突出問題：質(zhì)量能力與規(guī)模能力不相適應(yīng)，教學信息化程度低，古老的填鴨式課堂教學模式仍應(yīng)用普遍，“雙師型”教師隊伍建設(shè)機制缺乏完善性，科學管理水平和改革創(chuàng)新能力就提到了日程，管理制度不健全，學�；巨k學規(guī)范不健全，科學的職業(yè)教育評價標準和評價機制達不到標準，學生成長的“通道”不暢通。
　　從新的教學要求來看，這類課程僅在課堂上講授基本原理是不夠的，必須在教學中加強實踐環(huán)節(jié)，開出一定數(shù)量的高質(zhì)量的配套實驗課活獨立的實驗課程，讓學生有足夠的實驗機會。那么對于單片機實驗教學環(huán)境建設(shè)就相應(yīng)提出了高要求。怎樣解決這個問題，單片機仿真實驗應(yīng)運而生。
二、“單片機仿真實驗”初探：
　　伴隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，在各個領(lǐng)域都出現(xiàn)了各種仿真系統(tǒng)，為各種實際系統(tǒng)的開發(fā)提供了準確可靠的保證，同時為很多學校、企業(yè)等節(jié)約了大量的人力和物力。在電子信息技術(shù)領(lǐng)域也同樣出現(xiàn)了大量的仿真工具，如課堂上用到的各種EDA工具；模數(shù)混合仿真的Protel、Multisim等常見的電子應(yīng)用仿真軟件，數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的Fundation、Maxplus II、Expert等。
　　所謂“仿真”，就是通過開發(fā)工具真實地模擬用戶系統(tǒng)的運行環(huán)境，使用戶能夠在透明和可控的條件下觀察系統(tǒng)運行過程中的狀態(tài)和結(jié)果，仿真實際上也是一種軟件和硬件的綜合調(diào)試手段，它能提高應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的效率。
　　用通俗的話來描述“單片機仿真實驗”就是在一塊虛擬電路板上按照真實電路的設(shè)計構(gòu)想放置一些虛擬的元器件，并模擬實際燒ROM的過程鏈接上程序代碼，“接通”電路觀察效果，如果不理想的話可以反復(fù)修改電路或程序代碼，直至符合設(shè)計要求為止。
　　仿真實驗的好處是顯而易見的。在沒有仿真實驗的年代，每架構(gòu)一個真實的電路都需要費時費力費錢，稍有不慎還有可能前功盡棄，再加上單片機中的ROM芯片是有擦寫次數(shù)的，而一段程序可能需要修改擦寫多次，無形中減少了ROM芯片的使用壽命。仿真實驗是在計算機上進行的（可能會費點兒電），以上問題都不存在，而且就現(xiàn)在的仿真軟件來說，仿真出來的電路效果與真實電路一模一樣，毫不夸張地說，只要仿真是成功的，就可以直接下工廠的流水線生產(chǎn)了。
三、單片機仿真實驗效果：
新課程的核心理念是：“關(guān)注每位學生的進步與發(fā)展，使每位學生在課堂上都能積極主動地參與交流、參與探索、參與匯報，都能動起來，使每位學生都能進入最近發(fā)展區(qū)，都能有所收獲，具有成功感。”為使這一核心理念能得到有效落實，經(jīng)過近一段時間的教學實踐，逐漸發(fā)現(xiàn)單片機仿真實驗是一種較為有效的教學手段。不僅解決了學生的只學不練的矛盾，也緩解了部分學校的單片機實訓設(shè)備建設(shè)壓力。
首先，學生有濃厚的興趣。職業(yè)學校專業(yè)不一樣，男女比例天差地別，在上課過程中的反應(yīng)也不盡相同，但是，由于在仿真實驗里所見即所得，同學們學習的熱情高漲。仿真實驗中減少了實驗中實驗板，實驗內(nèi)容不能更改的局限性，可以擴展學生的思路和為不同層次的學生提供良好的實驗虛擬基地。在教學中，要努力創(chuàng)造適合學生發(fā)展的情境，讓學生主動發(fā)展，關(guān)注學生的獨特感受，以此培養(yǎng)學生的發(fā)散思維。其次，學生可以自行設(shè)計實驗，鍛煉了解決實際工程問題的能力，提高了學生的動手能力。實驗?zāi)芰驮O(shè)計能力的培養(yǎng)，也是職業(yè)學校學生解決實際問題的能力中較為重要的。傳統(tǒng)的實驗中往往忽略學生的設(shè)計能力，只是一個驗證的過程，學生學習的理論無法真正應(yīng)用到實際的工作實踐中，有一些學生有些許的遺憾。采用仿真后，采用建設(shè)工程的形式將設(shè)計理念融合到軟件中，投入少，實際問題卻能得到驗證和推敲，節(jié)省了硬件的損耗。再次，硬件投入少，經(jīng)濟優(yōu)勢明顯。單片機的課程除了開設(shè)8051系列單片機課程之外，還開設(shè)AVR系列與MCS51等系列的課程，三菱、西門子等不同系列和型號的單片機。要想保證相應(yīng)實驗的開設(shè)，必須要有配套的實驗系統(tǒng)而且要保證一定的實驗硬件設(shè)備套數(shù)，那么這將是一筆非常大的經(jīng)濟支出。所以這將使單位和企業(yè)面臨著很大的經(jīng)濟壓力，硬件設(shè)備的更新和硬件設(shè)備的維護等工作�？紤]經(jīng)濟和其他方面的種種因素，引入單片機軟件仿真系統(tǒng)，就可以大大降低經(jīng)濟的支出，減少硬件設(shè)備的購置，同時也大大降低了對硬件設(shè)備維護的工作量。為單位和企業(yè)減少了不必要的麻煩和經(jīng)費，緩解了很大的壓力。
　　先通過軟件模擬成功后再投入硬件，經(jīng)濟優(yōu)勢明顯改善，在傳統(tǒng)的實驗教學中實驗板的投入，接口的投入，系列的不同，儀器的投入等，僅儀器的維護也是非常繁瑣的，更何況資金的投入了。因此采用軟件仿真，其經(jīng)濟優(yōu)勢很明顯。
　　單片機仿真實驗的瓶頸之痛。長時間的課程教學之余，總覺得留下了許多遺憾。雖然單片機仿真實驗讓筆者和學生們獲得了一些成功的體驗，但久而久之，也產(chǎn)生了一絲厭倦，畢竟假的成不了真的，整天面對著這些毫無生氣的電路圖，無法接觸電路實物的痛苦與日俱增。
　　有鑒于此，兼顧教學設(shè)備的投資現(xiàn)實，儀器老化問題及國家對職業(yè)教育的投入，在下面兩個方面學�？梢詤⒖几母铩�
　　一是改革辦學形式。通過“聯(lián)合辦學、合并小的機構(gòu)、多校共建”等方式推動規(guī)�；k學，加強建設(shè)，建成規(guī)模大、實力強、聲譽好的示范學校；組建職教集團，發(fā)揮對農(nóng)村和民族地區(qū)薄弱學校及西部的幫扶作用。
　　改革教學形式，積極采取場景教學、案例教學、項目教學、模擬教學等多種教育教學方式，增強教育教學的實效性和教學形式的針對性。
　　改革培養(yǎng)形式，深入推行校企一體、頂崗實習、工學結(jié)合；改變單一，強調(diào)連續(xù)學習，為連續(xù)學習和分階段培養(yǎng)相結(jié)合，探索以就業(yè)為導(dǎo)向的職業(yè)人繼續(xù)學習模式。
　　創(chuàng)新專業(yè)設(shè)置。建立專業(yè)設(shè)置動態(tài)調(diào)整機制，重點建設(shè)面向先進制造業(yè)特別是裝備制造業(yè)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)、新興產(chǎn)業(yè)的精品專業(yè)；加強貼近區(qū)域產(chǎn)業(yè)、民族藝術(shù)、民間工藝等領(lǐng)域的特色專業(yè)。
　　二是創(chuàng)新教學環(huán)境。重點建設(shè)現(xiàn)代化的專業(yè)技能性教室，創(chuàng)設(shè)功能齊全、校園文化和企業(yè)文化都并存的，緊密結(jié)合的教學環(huán)境，使學生感受到課堂和企業(yè)的文化和專業(yè)的融合。改革教學形式，建立導(dǎo)向性的學校評價模式和能力性的學生評價模式；努力探索職業(yè)教育質(zhì)量評價的新措施、新途徑，引導(dǎo)學生向更高的目標全面發(fā)展。
　　創(chuàng)新教學方法，強化實踐教學的導(dǎo)向性；更新教學手段，構(gòu)建自己的網(wǎng)絡(luò)學習平臺，能夠支撐隨時學習；創(chuàng)設(shè)生產(chǎn)實習的模擬現(xiàn)場設(shè)置，特別是通過模擬流程、虛擬現(xiàn)實、數(shù)字仿真等方式生動直觀地展示知識性、技術(shù)性和生產(chǎn)服務(wù)崗位的可行性。
　　創(chuàng)新教材的應(yīng)用能力，開發(fā)延伸性、補充性的教輔資料；依托企業(yè)研發(fā)適應(yīng)新興產(chǎn)業(yè)、新職業(yè)和崗位的校本教材；實現(xiàn)多種教材的立體化融合，使學生用發(fā)散的思維去思考問題。
　　改革隊伍建設(shè)，聘用企業(yè)工程技術(shù)人員、有實踐經(jīng)驗的行業(yè)專家和社會中的能工巧匠等擔任兼職教師；落實教師在職進修和企業(yè)實踐制度的可行性和有效性，加強專業(yè)帶頭人和骨干教師的培養(yǎng)方向和多元化。
　　改革管理制度，建立多方參與的決策機制和教育教學質(zhì)量監(jiān)測機構(gòu)；創(chuàng)新人事分配制度；完善招生、教學、資助、免費、就業(yè)、財務(wù)和資產(chǎn)等學校業(yè)務(wù)管理辦法。
　　虛擬仿真實驗系統(tǒng)是單片機教學的優(yōu)秀實驗平臺，很好地彌補了傳統(tǒng)單片機教學的不足，激發(fā)了學生的學習積極性與主動性，提高了教學效果，降低了實驗成本，是現(xiàn)代計算機技術(shù)與先進的教學理論在單片機教學中的應(yīng)用，有著廣泛的應(yīng)用前景。
通過一段時間的虛擬仿真實驗，電子專業(yè)的學生學習主動性、認知水平、專業(yè)技能等有了明顯提高。利用仿真系統(tǒng)，可以節(jié)約開發(fā)時間和開發(fā)成本；利用仿真系統(tǒng)，具有很大的靈活性和可擴展性；減少了成本，也是學校提升實驗室建設(shè)水平有益的嘗試，不必為了比賽換新機型而惶惶然，更不必為時間的局限性，地點的局限性而擔憂。有利于促進課程和教學改革，更有利于人才的培養(yǎng)；從經(jīng)濟性、可移植性、可推廣性角度講，建立這樣的實驗室是非常有意義的。

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