主頁 > 技術(shù)文章 > 試論高職單片機課程實驗教學(xué)改革初探 2024-10-12

試論高職單片機課程實驗教學(xué)改革初探

摘要：單片機實驗教學(xué)改革的必要性和實驗教學(xué)改革的多個措施，探討了如何通過強化單片機實驗教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生面向工程的應(yīng)用能力和創(chuàng)新實踐能力。
　　　　單片機技術(shù)是現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域一門迅速發(fā)展的技術(shù)，應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中。單片機技術(shù)的發(fā)展極大地推動了電子工業(yè)的發(fā)展，無論在教育界還是在產(chǎn)業(yè)界，單片機技術(shù)的推廣仍然是一個熱點。目前，各個高校都建立了單片機實驗室，但是很多學(xué)校的實驗教學(xué)現(xiàn)狀卻不容樂觀。就我院而言，主要存在以下問題：（1）實驗場地和時間不足。學(xué)生除了上實驗課外，平時難得有機會實踐。（2）以驗證性實驗為主。實驗室所配備的實驗箱只能滿足驗證性實驗的要求。由于實驗箱是成品，學(xué)生很難參與到其中的細節(jié)設(shè)計中去，學(xué)生的實踐能力很難得到鍛煉和提高，學(xué)生也很難建立起單片機系統(tǒng)開發(fā)的整體概念。并且，這種實驗設(shè)備的配置方式局限了實驗項目數(shù)量，還存在設(shè)備維護工作量大的現(xiàn)實問題。（3）由于實驗設(shè)備僅適用于某一系列的單片機，若開設(shè)新的單片機課程，則需要重新配置實驗設(shè)備，增加了學(xué)校的投入。
　　為此，筆者進行了長時間的探索，提出了一些解決辦法。
　　建立開放式的實驗室管理模式單片機實驗室應(yīng)實行開放式管理，在不影響正常實驗教學(xué)任務(wù)的前提下，面向全校學(xué)生，在課余時間向?qū)W生提供實驗所需要的場所、儀器設(shè)備等。開放范圍除了實驗開放項目、課程設(shè)計外，也包括學(xué)生興趣愛好、第二課堂活動、創(chuàng)新活動等。開放性實驗管理模式是在注重知識、能力和素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的同時，貫徹因材施教、注重個性培養(yǎng)的教學(xué)原則，目的是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。在實施過程中，要注意實驗內(nèi)容不應(yīng)與教學(xué)計劃及教學(xué)大綱所規(guī)定的實驗教學(xué)內(nèi)容相重復(fù)，應(yīng)屬于課程教學(xué)內(nèi)容的拓展性實驗；還要注意綜合性和針對性，強化基礎(chǔ)，拓寬知識覆蓋面，注重培養(yǎng)知識的綜合運用能力。此外，還要根據(jù)科技的發(fā)展及其實際應(yīng)用，結(jié)合實際工作，加強對學(xué)生科學(xué)研究思維和建立工程概念的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力。開放性實驗的組織中要突出學(xué)生的自主性，要全方位體現(xiàn)以學(xué)生為主體的自主式學(xué)習(xí)方式。在實驗方案設(shè)計、操作、實驗結(jié)果的分析處理等方面最大限度地發(fā)揮學(xué)生的主體作用，教師布置任務(wù)、講解及指導(dǎo)等要點到為止，留有余地，給學(xué)生獨立思考、獨立操作、獨立分析、獨立解決問題的空間，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性。
利用Proteus與Keil整合構(gòu)建單片機虛擬實驗室Proteus是Labcenter公司推出的一款基于標準仿真引擎SPICE3F5的電路分析、實驗仿真系統(tǒng)。該軟件有交互式動畫仿真、基于圖形的仿真和基于微控制器的仿真等三種模式，其最大的特點就在于它能夠仿真單片機及其外圍芯片。Proteus軟件支持MCS-51及其派生系列、Motorola68HC11系列，以及AVR系列和PIC12、PIC16、PIC18系列的單片機。Proteus軟件支持的外圍器件有74LS373、8255、矩陣式鍵盤、LCD及多種A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等。另外，用戶還可以建立新的元器件模型。對于MCS-51系列單片機而言，Proteus還能夠與Keilc51集成環(huán)境實現(xiàn)聯(lián)機同步調(diào)試。而Keil是德國開發(fā)的一個51單片機開發(fā)軟件平臺，是目前應(yīng)用最廣泛的、最重要的單片機開發(fā)平臺。它的界面簡單，操作容易。Keil的uVision2可以進行純粹的軟件仿真，也可以利用硬件仿真器，搭接上單片機硬件電路，在仿真器中載入項目程序后進行實時仿真。此外，還可以使用Keil Monitor-51在不需要額外硬件仿真器的條件下，搭接單片機硬件系統(tǒng)對項目程序進行實時仿真。uVision調(diào)試器的調(diào)試功能也很豐富，具有常規(guī)源極調(diào)試、符號特性調(diào)試、歷史跟蹤，代碼覆蓋，復(fù)雜斷點等功能。構(gòu)建虛擬實驗室主要是利用Proteus進行硬件電路的設(shè)計，用Keil進行軟件設(shè)計。硬件電路的設(shè)計主要有兩個方面：系統(tǒng)擴展（包括ROM、RAM、I/O口、定時器等功能單元的擴展）和系統(tǒng)的配置（即根據(jù)系統(tǒng)的要求進行外圍設(shè)備的配置，如鍵盤、顯示器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、打印機等的接口電路的設(shè)計），通過該軟件的使用，可以使學(xué)生掌握硬件電路的設(shè)計方法。軟件設(shè)計主要是應(yīng)用程序的編制、調(diào)試，使學(xué)生掌握軟件開發(fā)的步驟、方法和技巧。而軟硬件的設(shè)計完成之后，還需要進行系統(tǒng)的總調(diào)，將這兩大執(zhí)行環(huán)境組合起來構(gòu)成聯(lián)合的仿真系統(tǒng)，其中，KEIL作為軟件的調(diào)試界面，而Proteus作為硬件的仿真和調(diào)試界面。這樣，就可以像仿真器一樣調(diào)試程序了。
開設(shè)大型綜合設(shè)計實驗，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力大型綜合的設(shè)計實驗需要在學(xué)生完成基礎(chǔ)實驗之后視學(xué)生掌握程度而開設(shè)，這個環(huán)節(jié)在整個單片機教學(xué)中非常重要，只有經(jīng)過完整的項目訓(xùn)練，學(xué)生才會建立起完整的系統(tǒng)的概念。學(xué)生需要根據(jù)設(shè)計任務(wù)書上的要求（包括軟硬件的資源配置、實驗要求達到的效果）進行設(shè)計實驗。這樣的訓(xùn)練可以將科技方法的訓(xùn)練、機電綜合設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計等實踐內(nèi)容融合到大型綜合設(shè)計實驗項目中，使原來分散的小規(guī)模設(shè)計和訓(xùn)練集成為一個大型的系統(tǒng)設(shè)計項目，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。此外，在單片機實驗開發(fā)的基礎(chǔ)上，在學(xué)生參與下開發(fā)一些應(yīng)用板，組成機電一體化的實驗平臺，如我院已經(jīng)開發(fā)出的步進電機的單片機控制實驗平臺。這些訓(xùn)練可以使學(xué)生更加熟悉單片機的組成、工作原理、程序開發(fā)、系統(tǒng)的擴展。更重要的是，學(xué)生可以積累自己實踐的經(jīng)驗，增強工程意識，為將來順利進入實際的工程環(huán)境打下堅實的基礎(chǔ)。
　　建立單片機網(wǎng)絡(luò)互動實驗系統(tǒng)，作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的補充傳統(tǒng)的實驗教學(xué)是近距離的，由于實驗設(shè)備緊缺，設(shè)備普遍比較昂貴，加之時間和空間上的限制，已成為制約教學(xué)質(zhì)量的一個重要因素。為滿足培養(yǎng)具有高素質(zhì)創(chuàng)新人才的要求，實驗教學(xué)要不斷地進行改革，實驗要向綜合型、設(shè)計型轉(zhuǎn)變，但這種新型教學(xué)模式的實現(xiàn)必須有高技術(shù)化的手段和條件支持，因而網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)成為現(xiàn)代教育技術(shù)應(yīng)用的大趨勢。單片機網(wǎng)絡(luò)互動實驗室系統(tǒng)是針對單片機實驗而開發(fā)的內(nèi)容全面、結(jié)構(gòu)完整的單片機網(wǎng)絡(luò)實驗室系統(tǒng)。單片機網(wǎng)絡(luò)互動實驗室的構(gòu)建基于Internet遠程智能化虛擬系統(tǒng)，充分發(fā)揮了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的特有優(yōu)勢，使學(xué)生的學(xué)習(xí)與交流不受時間、地點和實驗儀器設(shè)備的限制，甚至可以聯(lián)機協(xié)作完成實驗。實驗內(nèi)容以圖形、文字、動畫等方式呈現(xiàn)在客戶端的瀏覽器上，具有較強的交互性和真實性。同時，也提高了實驗教學(xué)的伸縮性和適應(yīng)性，有助于提高分散教學(xué)資源的利用率，形成科學(xué)的實驗管理體系。單片機網(wǎng)絡(luò)互動實驗室可作為傳統(tǒng)理論與實驗教學(xué)的補充模式。我院在設(shè)計中采用服務(wù)器和客戶端模式，可以實現(xiàn)客戶端與服務(wù)器的交互通訊。我院自主開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，學(xué)生只需到我院的網(wǎng)站注冊一個用戶名并下載客戶端，便可以在自己的計算機上進行單片機實驗。
以電子技術(shù)競賽為契機，深化單片機實驗教學(xué)改革課程與教學(xué)改革一直是高職院校所關(guān)注的熱門話題，實驗教學(xué)改革的效果直接影響著應(yīng)用型人才培養(yǎng)的質(zhì)量。目前，以單片機控制技術(shù)為核心的電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域之廣是其他技術(shù)無法比擬的。但是學(xué)校教學(xué)內(nèi)容卻滯后于科技的高速發(fā)展。在高職院校開展電子技術(shù)競賽正是解決這一問題的有效途徑。競賽有力地促進了專業(yè)課程內(nèi)容的整合和實驗教學(xué)內(nèi)容的更新。一方面，所有參加競賽的學(xué)生都要經(jīng)過嚴格的賽前培訓(xùn)和賽中訓(xùn)練，學(xué)生普遍反映受益匪淺。實踐證明，這樣的學(xué)生在就業(yè)時也普遍受到企業(yè)青睞。此外，為了能夠使沒有參賽的學(xué)生也得到同樣的訓(xùn)練，我院還開設(shè)了電子專業(yè)課程的設(shè)計訓(xùn)練課程，作為傳統(tǒng)單片機實驗教學(xué)的補充。課程完全按照電子競賽的要求進行。這樣的訓(xùn)練有效地提高了學(xué)生的工程設(shè)計能力和綜合素質(zhì)。另一方面，以競賽為契機，改革單片機實驗課程內(nèi)容和實驗方法。由于競賽中涉及的單片機內(nèi)容能夠跟隨科技發(fā)展的步伐，競賽的題目具有實際意義，所以對目前的單片機理論教學(xué)改革和實驗教學(xué)改革起了一定的引導(dǎo)作用。

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