主頁 > 技術文章 > 試論高職單片機課程實驗教學改革初探 2017-12-28

試論高職單片機課程實驗教學改革初探

摘要：單片機實驗教學改革的必要性和實驗教學改革的多個措施，探討了如何通過強化單片機實驗教學，培養學生面向工程的應用能力和創新實踐能力。
　　　　單片機技術是現代電子工程領域一門迅速發展的技術，應用于各種嵌入式系統中。單片機技術的發展極大地推動了電子工業的發展，無論在教育界還是在產業界，單片機技術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，但是很多學校的實驗教學現狀卻不容樂觀。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，學生很難參與到其中的細節設計中去，學生的實踐能力很難得到鍛煉和提高，學生也很難建立起單片機系統開發的整體概念。并且，這種實驗設備的配置方式局限了實驗項目數量，還存在設備維護工作量大的現實問題。（3）由于實驗設備僅適用于某一系列的單片機，若開設新的單片機課程，則需要重新配置實驗設備，增加了學校的投入。
　　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實行開放式管理，在不影響正常實驗教學任務的前提下，面向全校學生，在課余時間向學生提供實驗所需要的場所、儀器設備等。開放范圍除了實驗開放項目、課程設計外，也包括學生興趣愛好、第二課堂活動、創新活動等。開放性實驗管理模式是在注重知識、能力和素質協調發展的同時，貫徹因材施教、注重個性培養的教學原則，目的是激發學生的學習興趣和熱情。在實施過程中，要注意實驗內容不應與教學計劃及教學大綱所規定的實驗教學內容相重復，應屬于課程教學內容的拓展性實驗；還要注意綜合性和針對性，強化基礎，拓寬知識覆蓋面，注重培養知識的綜合運用能力。此外，還要根據科技的發展及其實際應用，結合實際工作，加強對學生科學研究思維和建立工程概念的訓練，培養學生的創新能力和動手能力。開放性實驗的組織中要突出學生的自主性，要全方位體現以學生為主體的自主式學習方式。在實驗方案設計、操作、實驗結果的分析處理等方面最大限度地發揮學生的主體作用，教師布置任務、講解及指導等要點到為止，留有余地，給學生獨立思考、獨立操作、獨立分析、獨立解決問題的空間，充分調動學生的積極性和主動性。
利用Proteus與Keil整合構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。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集成環境實現聯機同步調試。而Keil是德國開發的一個51單片機開發軟件平臺，是目前應用最廣泛的、最重要的單片機開發平臺。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對項目程序進行實時仿真。uVision調試器的調試功能也很豐富，具有常規源極調試、符號特性調試、歷史跟蹤，代碼覆蓋，復雜斷點等功能。構建虛擬實驗室主要是利用Proteus進行硬件電路的設計，用Keil進行軟件設計。硬件電路的設計主要有兩個方面：系統擴展（包括ROM、RAM、I/O口、定時器等功能單元的擴展）和系統的配置（即根據系統的要求進行外圍設備的配置，如鍵盤、顯示器、A/D轉換器、D/A轉換器、打印機等的接口電路的設計），通過該軟件的使用，可以使學生掌握硬件電路的設計方法。軟件設計主要是應用程序的編制、調試，使學生掌握軟件開發的步驟、方法和技巧。而軟硬件的設計完成之后，還需要進行系統的總調，將這兩大執行環境組合起來構成聯合的仿真系統，其中，KEIL作為軟件的調試界面，而Proteus作為硬件的仿真和調試界面。這樣，就可以像仿真器一樣調試程序了。
開設大型綜合設計實驗，培養學生的創新能力大型綜合的設計實驗需要在學生完成基礎實驗之后視學生掌握程度而開設，這個環節在整個單片機教學中非常重要，只有經過完整的項目訓練，學生才會建立起完整的系統的概念。學生需要根據設計任務書上的要求（包括軟硬件的資源配置、實驗要求達到的效果）進行設計實驗。這樣的訓練可以將科技方法的訓練、機電綜合設計、創新設計及畢業設計等實踐內容融合到大型綜合設計實驗項目中，使原來分散的小規模設計和訓練集成為一個大型的系統設計項目，從而培養學生的創新能力。此外，在單片機實驗開發的基礎上，在學生參與下開發一些應用板，組成機電一體化的實驗平臺，如我院已經開發出的步進電機的單片機控制實驗平臺。這些訓練可以使學生更加熟悉單片機的組成、工作原理、程序開發、系統的擴展。更重要的是，學生可以積累自己實踐的經驗，增強工程意識，為將來順利進入實際的工程環境打下堅實的基礎。
　　建立單片機網絡互動實驗系統，作為傳統實驗教學的補充傳統的實驗教學是近距離的，由于實驗設備緊缺，設備普遍比較昂貴，加之時間和空間上的限制，已成為制約教學質量的一個重要因素。為滿足培養具有高素質創新人才的要求，實驗教學要不斷地進行改革，實驗要向綜合型、設計型轉變，但這種新型教學模式的實現必須有高技術化的手段和條件支持，因而網絡虛擬實驗教學成為現代教育技術應用的大趨勢。單片機網絡互動實驗室系統是針對單片機實驗而開發的內容全面、結構完整的單片機網絡實驗室系統。單片機網絡互動實驗室的構建基于Internet遠程智能化虛擬系統，充分發揮了網絡教學的特有優勢，使學生的學習與交流不受時間、地點和實驗儀器設備的限制，甚至可以聯機協作完成實驗。實驗內容以圖形、文字、動畫等方式呈現在客戶端的瀏覽器上，具有較強的交互性和真實性。同時，也提高了實驗教學的伸縮性和適應性，有助于提高分散教學資源的利用率，形成科學的實驗管理體系。單片機網絡互動實驗室可作為傳統理論與實驗教學的補充模式。我院在設計中采用服務器和客戶端模式，可以實現客戶端與服務器的交互通訊。我院自主開發了網絡系統，學生只需到我院的網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。
以電子技術競賽為契機，深化單片機實驗教學改革課程與教學改革一直是高職院校所關注的熱門話題，實驗教學改革的效果直接影響著應用型人才培養的質量。目前，以單片機控制技術為核心的電子信息技術的飛速發展和應用領域之廣是其他技術無法比擬的。但是學校教學內容卻滯后于科技的高速發展。在高職院校開展電子技術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課程內容的整合和實驗教學內容的更新。一方面，所有參加競賽的學生都要經過嚴格的賽前培訓和賽中訓練，學生普遍反映受益匪淺。實踐證明，這樣的學生在就業時也普遍受到企業青睞。此外，為了能夠使沒有參賽的學生也得到同樣的訓練，我院還開設了電子專業課程的設計訓練課程，作為傳統單片機實驗教學的補充。課程完全按照電子競賽的要求進行。這樣的訓練有效地提高了學生的工程設計能力和綜合素質。另一方面，以競賽為契機，改革單片機實驗課程內容和實驗方法。由于競賽中涉及的單片機內容能夠跟隨科技發展的步伐，競賽的題目具有實際意義，所以對目前的單片機理論教學改革和實驗教學改革起了一定的引導作用。

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