高校单片机实验教学的改革初探

刘院英 胡爱华 赵宝琴

【摘要】本文分析了目前高校单片机实验教学中存在的不足,并从教学内容和教学方法两方面提出了单片机实验课程改革的一些思路。教师只有不断丰富教学内容,改进教学方法,才能培养学生的动手能力和创新能力,实现教与学的最佳统一。

【关键词】单片机;实验;教学改革

MCU College of Teaching Reform Experiment

Liu YuanyingHu AihuaZhao Baoqin

【Abstract】This paper analyzes the current experimental teaching in colleges and universities MCU shortcomings, and from the teaching content and teaching methods proposed by both the microcontroller experiment ideas for curriculum reform. Only by continuously enrich the content of teacher education, improve teaching methods, in order to develop students practical ability and creative ability to achieve the best unity of teaching and learning.

【Key words】Microcontroller; Experiment; Teaching reform

单片机又称微控制器,是微型计算机的一个重要分支。由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好、价格便宜、应用灵活等特点,因此广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,可以说单片机已经渗透到我们生活的方方面面。目前高校的计算机类、电子类、控制类等专业都开设了单片机课程。该课程是一门理论性和实践性都很强的课程,因此实验教学应该占很重要的地位。然后,目前很多高校中单片机实验教学存在问题,如何通过改革单片机实验教学的内容和方法,充分调动学生学习的积极性,进一步发挥他们的主观能动性和创新能力,成为了本学科实验教学的重中之重。

1.单片机实验教学的现状

大多数高校在单片机课程的理论教学中,先介绍单片机内部结构和引脚、再讲汇编指令系统和汇编语言程序设计、然后讲存储器扩展、最后讲单片机系统的扩展和各种外围芯片的应用。实验课一般在汇编语言程序设计讲完之后才开始进行。实验课设置存在以下问题。

1.1实验设备不能锻炼学生的动手能力;实验教学一般使用教学用实验箱,实验箱在出厂时,已经把单片机和外围芯片的大部分接线连接好了。实验时,学生按照实验指导书给出的接线图、实验方法和步骤操作,通过安装在PC机上的仿真软件,把汇编程序输到PC机上,然后通过串口通信,把编译好的机器码传送到单片机实验箱。实验结果通过PC机、示波器、万用表以及其它一些辅助设备观察。

这种实验箱性能稳定,避免了学生自己搭建实验设备带来的不确定性,从—定程度上可以让学生尽快熟悉和进入实验环境。但是,它缺少培养学生的动手能力、创新能力和综合运用知识的能力,也不利于进一步激发学生的学习兴趣和主观能动性。本来单片机的内部结构就看不见摸不到,学生们学起来感觉很抽象,再加上实验箱中单片机和外围芯片的连接也早已经固定好,所以很不利于学生们掌握单片机和其它芯片的连接。甚至有的同学做完了实验,竟然不知道单片机在本实验中起到什么作用。

1.2实验课时少;由于课时限制等因素,单片机原理与应用实验学时很少,一般在8-12个课时左右。其中入门实验、软件实验和验证性实验至少要占4个课时,所以设计型和综合型实验开出率不高,其结果是学生对所学的知识缺少一个整体的了解与认识。

1.3学生在思想上不重视;我国目前的文化教育,重视理论轻视实践,这造成了学生们从小就重视理论知识的学习而轻视动手实践。另外,在考核方式上,实验课一般作为理论课考试分值的一部分,即使实验课单独考核,往往也只占很少的学分,并且只要写过实验报告就基本可以通过。久而久之,大部分学生也滋生了重视理论课程轻视实验的思想。

通过以上分析可以看出,目前单片机的实验教学显然不利于培养学生的动手能力、创新能力和综合运用知识的能力,也不能进一步激发学生的学习兴趣和主观能动性,学生普遍反映单片机这门课太难学或者没有收获。为了适应当今社会对单片机行业人才的需求,必须对单片机实验教学进行改革。

2.单片机实验教学的改革

针对单片机实验教学存在的问题,可以从以下几个方面进行改革。

2.1教学内容的改革。

2.1.1增加C5l的编程训练;目前教学中,单片机的开发采用汇编语言。汇编语言是一种面向机器的语言,其汇编指令与机器指令一一对应,要想完成某种操作,就必须考虑计算机的硬件如何工作。由于汇编语言程序要安排运算的每一个细节,这就使得编写汇编语言程序比较繁琐、复杂。一个简单的计算公式或计算方法,也要用一系列汇编指令一步一步来实现。另外,调试汇编语言程序要比调试高级语言程序困难得多。

现在市场上单片机开发己经普遍采用了C51高级语言。和汇编语言相比,C51高级语言具有程序结构清晰、可读性好、易于维护等优点,一条C语言相当于几条汇编指令,完成同样功能程序的行数也大大缩小,更便于复杂算法的实现和调试。C51与C语言十分类似,通过先修课程C语言的学习,学生已经有一定的基础,学起C51会很快入门。所以为了提高学生的学习兴趣和开发能力,我们可以在实验中给学生增加C51的编程训练。

2.1.2 Protues软件的学习;Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件,运行于Windows操作系统上。它支持主流单片机系统的仿真,如68000系列、8051系列、AVR系列、PI C12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。还可以仿真模拟电路、数字电路、RS232、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统、各种虚拟仪器等。同时由于在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能,同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态,因此在该软件仿真系统中,也具有这些功能。

在单片机的实验教学中,可以让学生自学Proteus。学生学习了Proteus之后,可以在课余时间利用这些虚拟工具完成一些实验题目,整个过程如同操作硬件仿真器一样。过去需要到实验室操作电子仪器设备、电子元件才能完成单片机等实验,现在只要一台电脑,就可在该软件环境下快速轻松地实现。对于学习单片机的学生来说,拥有一台计算机和一套Proteus软件,就可以随时随地开展单片机的学习了。

2.1.3 实验内容的调整;目前市场上单片机实验设备种类繁多,但总的来说,都能够完成相关的软件实验和硬件实验。在教学中,我们可以把实验分成入门实验、软件实验、验证实验、设计性实验及综合性实验五部分。入门实验主要是完成对单片机仿真实验箱的硬件结构及相应的集成开发环境的熟悉。软件实验可以帮助学生尽快掌握汇编指令,提高编程水平,这类实验可以选择外部RAM数据传送、数据区清零、数据排序等让学生们练习。验证性实验所用的例子应该与实际生活相结合,实验指导书给出实验要求、实验步骤、相应连线以及软件程序,让学生按实验指导书实现相应功能。比如我们可以给出8155控制交通灯的实验让学生们验证。通过验证性实验,学生们可以进一步了解单片机及外围芯片的作用,提高学生的学习兴趣。设计性实验,可以培养学生实践动手能力及创新能力。这类实验可以选择利用P1口进行输入输出、利用定时器进行定时、利用中断系统进行工业现场控制、利用A/D,D/A芯片进行转换、利用串口进行两机通信。实验指导书只列出各个实验项目的目的、要求和原理性的说明,学生在实验过程自行设计完成任务。综合性实验要求学生要有广阔的知识面,要对所学知识有较全面的掌握。开设综合性实验的目的,是为了提高学生的实验技能和和培养学生的创新能力。实验的项目包括:电子音响、LED点阵显示、数字温度传感器、逻辑加密IC存储卡读写等实验。在进行这部分实验的过程当中,学生可任意挑选感兴趣的实验项目,自行在课余时间完成。在实现此类实验过程中,学生们可以利用所学的C51编程和Proteus软件来帮助完成任务。

2.2教学方法改革。

2.2.1 提高学生学习单片机的兴趣;为了提高学生对单片机课程的学习兴趣,可以在刚开课时给学生布置课下作业,让他们在网上搜索单片机的用处以及列举他自己身边单片机的影子。或者邀请有单片机开发经验的技术人员来学校作有关单片机的讲座,使学生了解单片机在工业控制、智能化仪器仪表、计算机外部设备、计算机网络与通讯技术和家用电器等领域的应用。当学生们明白了单片机的作用,尤其是看到广阔的就业前景之后,学习兴趣自然就会提高。

2.2.2 用目标教学法促进学生学习;目标教学法是指提出教学目标,通过努力实现目标,达到教学目的的一种教学方法。在教学过程中,教师以教学目标为导向,整个教学过程围绕教学目标展开。在教学目标的刺激下,学生为实现目标而努力学习。这种方法的突出特点是教学活动过程中确立以理论为实践服务的指导思想,注重知识的实用性,有的放矢地培养学生,倡导教学过程中师生间的互动性,并以此来确保教学目标的实现。教学过程一般分为制定目标—展示目标—实施目标—检测目标—矫正深化达成目标等几个阶段。

将这种方法应用到单片机实验教学中,可以引起学生的兴趣,提高学生独立思考能力和解决问题的能力。实施时,教师先制定本次实验要实现的目标,并在实验室演示目标问题的实际运行过程。然后,让学生从硬件设计部分入手,再到软件编程,使软、硬件相结合,最后,由老师进行检查,指出软硬件设计过程中不合理的地方,由学生进行修改,从而完成单片机实验课的整个过程。在实施的过程中,老师可以引导学生将实际应用与所学的知识点、指令、原理紧紧地联系在一起,使学生清楚地了解理论知识在实际应用中的作用。在解决问题的过程中,学生置于实际问题之中,使学生可以清楚地认识到单片机的原理、概念在实际生活中的意义。这对于激发学生的学习兴趣,培养创造能力及分析、解决问题的能力极有益处。

2.3 增加实验学时数。单片机是实践性很强的一门课程。单片机实验是掌握单片机应用技术不可缺少的重要环节,对理工科大学生实践能力和创新能力的培养起到至关重要的作用。笔者认为应该增加实验课学时,让学生有尽量多的时间在实践中进行学习,如果再配合目标教学法,很多理论知识点完全可以从课堂上的理论教学转移到实验教学中。当然这也利于综合性设计实验的开展。

2.4 实验考核模式的改革。目前,很多高等院校对单片机这门课程只有理论考试没有实验考核,有的院校即便有实验考核,也只是仅看本学期实验课所做实验的实验报告而已,不进行任何考试。要改变单片机实验教学的现状,就必须把理论与实验分开,分别考试。考试虽然不是检查和促进学生学习的唯—手殴,但是不考试会给学生造成—个误区,认为实验课不重要,因此也就不会认真学习。因而笔者在参考了其他一些高校的做法后认为。在做完所有实验之后,我们进行一次考试。教师事先拟定好几个题目,题目的内容与本学期所做实验的内容相近,由考生抽签来决定自己做的题目并当场于规定的时间内完成。考试时,学生可以带课本、以前写好的实验报告等资料。考试成绩由教师检查实验结果后给出。期末实验课成绩由实验课考试成绩(占80%)和平时出勤情况、实验报告提交情况(共占20%)进行综合评定给出。

3.结束语

由于单片机本身软、硬兼备的特点,在单片机课程的教学中,实验环节直接关系到教学效果的好坏。本文分析了目前高校单片机实验教学中存在的不足,并从教学内容和教学方法两方面提出了单片机实验课程改革的—些思路。随着单片机技术的迅速发展,教师应不断调整教学理念,丰富教学内容,改进教学模式,调动学生学习的积极性,培养学生的动手能力和创新能力,实现教与学的最佳统一,以适应科技时代不断发展的需要。

参考文献

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收稿日期:2009-11-04