基于学生应用能力和实践能力培养的单片机教学改革
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作者: 张娟梅 付春仙
摘要针对高等院校《单片机原理及应用》的教学现状,从教学内容,教学手段和模式以及教学方法等方面分析现状,提出有效可行的改革方案,以实现培养学生应用能力和实践能力的目标。
关键词单片机教学 应用能力 实践能力 教学改革
中图分类号:G420文献标识码:A
目前在许多高校里,《单片机原理及应用》这门课程是应用电子、计算机、自动化甚至机电一体化等专业学生的必修课,尤其从学生就业方面来考虑,由于单片机是一门实践性很强的课程,因此对学生的应用能力和实践能力的培养是必要的。笔者结合多年单片机教学的实际情况和学生平时上课的表现以及考试的结果,仔细分析学生的反馈意见,发现目前的单片机教学当中存在着诸多问题和不足亟待解决和改革。为了保证教学质量和教学效果,让学生毕业后能够尽快适应工作岗位,基于应用能力和实践能力培养的教学改革势在必行。
1 明确教学目标,合理组织教学内容
目前有些高校开设本课程的目标并不明确。目标不明确主要表现在三个方面:一是“为什么要学?”,二是“学什么?”,三是“如何学?”。教学目标不仅要让学生在他的求职简历中反映这门课程的成绩,而且要使学生在招聘企业的有关单片机的软硬件设计的笔试或面试中,能够反映学生的应用能力和实践能力。考虑到单片机的概念多、专有名词多、内容抽象、编程语言指令多、综合性强和解决实际问题的能力强等特点,在教学时数的限制下对于单片机的教学内容的选择和组织至关重要。
目前《单片机原理及应用》的教学内容分为理论教学和实践教学两部分,理论教学内容主要包括:单片机硬件结构,汇编语言指令系统和程序设计,系统扩展, 接口技术及应用系统设计;实践教学主要包括实验和课程设计。
长期以来,单片机的教学都是以汇编语言为主,而汇编语言的学习和单片机抽象的内部硬件结构密切相关,其程序涉及到存储器、寄存器、状态标志等,使学生在学习的过程中难阅读、难理解、难编程,容易感觉枯燥乏味从而失去了学习的激情和兴趣,致使教学质量和效果都不尽人意。而C语言是一种结构化的高级语言,它具有丰富的库函数,可以减少大量的代码编写负担,可以轻松实现复杂的数值计算。同时,C语言较汇编语言有可读性、可维护性好,便于维护、调试以及移植容易等优点,越来越多的单片机编程人员转向使用C语言开发程序。另外,一般学生在学习单片机之前刚刚学习过标准C语言,而且单片机的C语言KEIL C的大部分和标准C是一样的,这样有利于学生在短期内掌握单片机的C语言编程。
在实践教学中,由于Proteus具有强大的仿真功能以及原理图和PCB设计能力,而且可以与Keil C整合构建完整的实验开发平台,①完全可以替代硬件电路相对固定的实验箱或实验台,让学生进行丰富灵活的实践。使用Proteus进行实践教学既可以激发学生的学习兴趣,又能锻炼学生的动手能力,培养学生从原理图制作,程序开发,仿真验证和测试以及PCB制作等一系列的全面且完备的能力。另一方面,学校实验室引入Proteus,可以减少大量由于实验设备的损坏和维护带来的资金投入。因此,在单片机的教学中引入单片机C语言开发工具Keil C51和仿真工具Proteus的相关内容,增加一些具体应用实例的教学和实践,以培养学生单片机的应用能力和实践能力为目标,将有助于提高单片机教学的质量和教学效果。
2 充分利用现有优势资源,改革教学手段,构建新的教学模式
目前大多数院校的单片机教学手段都是以板书讲授为主,缺乏生动、直观的一些辅助手段,实验教学大多以单片机实验箱或实验台为实验平台,而且实验时间一般安排在“汇编指令系统”讲完之后,理论学习和实验进行时间的不对应,无法实现课堂上理论教学和实验室的实践相联系。另外实验的内容也多为验证性实验,很少进行开放性和设计性的实验,导致学生过度追求实验结果,而忽略了软硬件设计和调试等过程,单片机的应用能力、开发技巧得不到很好的锻炼。因此,在教学手段方面引入多媒体教学,在单片机C语言开发工具Keil C51和仿真工具Proteus的平台支持下,②先利用Proteus可以快速地完成元器件的放置和原理图的设计,然后在Keil C51开发环境下编写程序,把源程序编译连接后,学生可从窗口中清楚地看到程序每条指令的地址、机器码和源代码。而且还可以通过单步运行,还可看到单片机内部特殊功能寄存器的变化。这样不仅可以帮助学生比较直观地学习单片机的内部硬件结构,而且容易理解堆栈、定时器、中断向量、中断调用等抽象的概念。在Keil C51下生成一个可运行的目标文件(如HEX文件),再添加到Proteus的平台下就可以进行系统仿真了。Proteus所进行的是一种交互式仿真,在仿真进行中可以对各控制按钮和按键等进行操作,系统实时地输出对输入的响应。这样在课堂教学中配合多媒体手段,可以节约大量的绘图时间,而且可快速灵活地修改硬件设计和软件编程,实现不同功能的应用设计。
利用多媒体不仅可以增加知识的传授量,使教学更直观,教学内容更加丰富多彩、形象、生动,而且可以激发学生的学习兴趣,促进学生对知识的理解和应用。这样实验教学可以和理论教学同步进行,在教室中教师利用仿真软件和学生一起做验证性实验,③课下让学生提前在Keil C51和仿真工具Proteus的平台下做设计性、动手性实验,最后到实验室进行验证和实践,这样就可增强他们自主分析问题和解决问题的能力。课程学完之后通过单片机课程设计这一实践环节,使学生从单片机的选型、外围接口电路设计、编程及调试等各环节进行一次系统的综合训练,例如电子钟、步进电机控制器、单片机交通灯控制器等的软、硬件设计,使学生具有单片机应用系统的初步设计能力。
在教学手段方面,采用板书和多媒体相结合进行直观教学以及学生通过实验室实践操作外,还应充分发挥校园网、Internet在教学中的作用。教师可以引导学生学会查阅、消化和运用一些网络资源,如厂家提供的芯片技术资料、单片机论坛和教学网站里面大量的设计案例、技术文章和单片机软硬件资源,为自己进行单片机软硬件设计打下良好基础。
3 综合运用多种教学方法,提高教学质量和效果
在单片机的教学中根据不同的教学对象和教学内容采用不同的教学方法,如演示法、实物法、互动法、类比法、启发法、讨论法、任务驱动法等,可以起到事半功倍的教学效果。上单片机第一堂课,教师可以带一个单片机实验板的实物到教室,为学生演示一个单片机控制的“走马灯”实例,其它上课时间也可以根据需要通过实物或多媒体向学生演示单片机的工作过程,这不仅可以有效激发学生学习单片机的兴趣,而且使学生对单片机及外围电路有一个感性认识,为其逐步学会应用单片机进行软硬件设计打下一定的基础。讲课过程中要有师生间的交流互动,鼓励学生质疑,并为学生提供自由提问、质疑、探究、讨论问题的机会,让学生通过个人、小组、集体等多种形式解难释疑。作为教师,要密切注意学生在教学活动中的表现,适当适时启发学生思考,充分挖掘不同层次学生的潜力,这是取得良好教学效果的保证。另外,对重点概念却比较抽象的知识可采用类比法进行教学。比如中断、定时器溢出概念,可分别用接电话和闹钟等生活中的事例来类比讲解,有助于学生理解和掌握这些难懂的概念。当学生对单片片机的应用有了初步了解后,可以针对某个知识块采用任务驱动法对学生提出具体的设计要求,比如对并行I/O口的使用这部分内容,可以给出这样一个任务,单片机的P1口连接8个按键,P0口通过上拉电阻接8个发光二极管,编程实现按下某个按键对应发光二极管亮的程序。运行成功后可以改变硬件连接,比如断开上拉电阻,观察运行结果;或者改变P1口为P2口,如何修改程序等,通过对任务的实现过程,可以达到对并行I/O口的灵活使用。
4 结束语
本文基于学生单片机应用能力和实践能力的培养,从教学内容、教学手段、教学模式和教学方法等多方面提出了单片机改革的必要性和具体措施,在单片机的教学中引入单片机C语言开发工具Keil C51和仿真工具Proteus,在实际教学过程中取得良好的教学效果,值得其他院校借鉴。
注释
①房惠龙.基于Proteus的单片机实验平台的创建[J].常州:常州信息职业技术学院学报,2007(6).
②林志琦等.基于Proteus的单片机可视化软硬件仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.
③张玉均.基于Proteus的单片机实践教学研究与探讨[J].太原:太原城市职业技术学院学报,2007(76).
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