主頁(yè) > 技術(shù)文章 > 簡(jiǎn)論單片機(jī)課程中單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究 2024-10-09

簡(jiǎn)論單片機(jī)課程中單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究

摘要：單片機(jī)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用、學(xué)習(xí)將造就一批計(jì)算機(jī)智能化控制的工程師、科學(xué)家。一些中等院校也相繼開(kāi)設(shè)了單片機(jī)課程設(shè)計(jì)及相關(guān)的課程。在單片機(jī)及接口技術(shù)課程的教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是重要的組成部分。針對(duì)單片機(jī)課程的教學(xué)改革，不斷加強(qiáng)單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，改革教學(xué)方法，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用，實(shí)踐表明，該方法有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，提高了教學(xué)效果。
　　“單片機(jī)原理”是一門理論性、邏輯性、實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，是電類專業(yè)一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，把微機(jī)接口部分、匯編語(yǔ)言部分、通信技術(shù)部分的知識(shí)點(diǎn)等綜合在一起，屬于邏輯性、工程性、技術(shù)性、實(shí)踐性很強(qiáng)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(dòng)控制類知識(shí)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(jī)教學(xué)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(xué)科體系為出發(fā)點(diǎn)，忽略了“可學(xué)性”，致使學(xué)生學(xué)得吃力，老師教得辛苦，教學(xué)效果卻沒(méi)有顯現(xiàn)出來(lái)。
一、研究背景及意義：
　　目前，全國(guó)將單片機(jī)列入單獨(dú)的比賽項(xiàng)目，在考查中注重學(xué)生的能力培養(yǎng)，學(xué)生的技能素養(yǎng)教育成為重中之重，加之社會(huì)需求高技能人才，許多學(xué)校為了適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展和市場(chǎng)需求在不同的專業(yè)開(kāi)設(shè)了單片機(jī)課程，然而單片機(jī)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，要想在教學(xué)過(guò)程中取得很好的效果，就必須要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中多動(dòng)手實(shí)踐，但有的學(xué)校教學(xué)設(shè)備有限，怎樣解決這個(gè)問(wèn)題。仿真實(shí)驗(yàn)課可以讓學(xué)生在單片機(jī)工作室里做中學(xué)，真正玩轉(zhuǎn)單片機(jī)，也同時(shí)解決了學(xué)生學(xué)起來(lái)枯燥，老師教起來(lái)吃力的尷尬局面。
　　目前單片機(jī)教學(xué)中存在諸多問(wèn)題。如單片機(jī)課程理論為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)多是進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室存在場(chǎng)地和時(shí)間限制，學(xué)生除了課上，很難有機(jī)會(huì)接觸到所需要的設(shè)備，如仿真器、實(shí)驗(yàn)板等，個(gè)人配備成本太高，個(gè)體無(wú)法承擔(dān)。而且實(shí)驗(yàn)箱只能驗(yàn)證試驗(yàn)的基本作用和意義，就無(wú)從談起學(xué)生動(dòng)手能力的訓(xùn)練和提升。單片機(jī)在當(dāng)今社會(huì)中的應(yīng)用速度發(fā)展迅速，然而單片機(jī)教材陳舊，實(shí)驗(yàn)設(shè)備很容易落后、老化等問(wèn)題，必然會(huì)帶來(lái)耗資等問(wèn)題。由此可見(jiàn)，構(gòu)建成本低廉的單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)于單片機(jī)教學(xué)意義重大。它不僅可以降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資，而且能培提高學(xué)生的工程素質(zhì)，養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。在單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們不單要突出設(shè)備的自動(dòng)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(wú)法體現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。
　　由于單片機(jī)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(gè)非常突出的問(wèn)題。單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用必須長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，否則將導(dǎo)致控制誤差加大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)失靈，甚至造成巨大的損失。
　　影響單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的可靠、安全運(yùn)行的主要因素是來(lái)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(jì)、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(duì)控制系統(tǒng)造成的干擾后果主要表現(xiàn)在下述幾個(gè)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(yùn)行失常。
　　由于受到干擾后計(jì)數(shù)器的值是隨機(jī)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(wú)意義的指令，最后進(jìn)入“死循環(huán)”，這將使輸出嚴(yán)重混亂或系統(tǒng)失靈。
　　隨著單片機(jī)及其接口技術(shù)的飛速發(fā)展，目前面對(duì)職業(yè)教育存在的突出問(wèn)題：質(zhì)量能力與規(guī)模能力不相適應(yīng)，教學(xué)信息化程度低，古老的填鴨式課堂教學(xué)模式仍應(yīng)用普遍，“雙師型”教師隊(duì)伍建設(shè)機(jī)制缺乏完善性，科學(xué)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(xué)校基本辦學(xué)規(guī)范不健全，科學(xué)的職業(yè)教育評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)機(jī)制達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生成長(zhǎng)的“通道”不暢通。
　　從新的教學(xué)要求來(lái)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(xué)中加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，開(kāi)出一定數(shù)量的高質(zhì)量的配套實(shí)驗(yàn)課活獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課程，讓學(xué)生有足夠的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)。那么對(duì)于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境建設(shè)就相應(yīng)提出了高要求。怎樣解決這個(gè)問(wèn)題，單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生。
二、“單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)”初探：
　　伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域都出現(xiàn)了各種仿真系統(tǒng)，為各種實(shí)際系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了準(zhǔn)確可靠的保證，同時(shí)為很多學(xué)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(jiàn)的電子應(yīng)用仿真軟件，數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的Fundation、Maxplus II、Expert等。
　　所謂“仿真”，就是通過(guò)開(kāi)發(fā)工具真實(shí)地模擬用戶系統(tǒng)的運(yùn)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(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)和結(jié)果，仿真實(shí)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(kāi)發(fā)的效率。
　　用通俗的話來(lái)描述“單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)”就是在一塊虛擬電路板上按照真實(shí)電路的設(shè)計(jì)構(gòu)想放置一些虛擬的元器件，并模擬實(shí)際燒ROM的過(guò)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(jì)要求為止。
　　仿真實(shí)驗(yàn)的好處是顯而易見(jiàn)的。在沒(méi)有仿真實(shí)驗(yàn)的年代，每架構(gòu)一個(gè)真實(shí)的電路都需要費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢，稍有不慎還有可能前功盡棄，再加上單片機(jī)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(wú)形中減少了ROM芯片的使用壽命。仿真實(shí)驗(yàn)是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的（可能會(huì)費(fèi)點(diǎn)兒電），以上問(wèn)題都不存在，而且就現(xiàn)在的仿真軟件來(lái)說(shuō)，仿真出來(lái)的電路效果與真實(shí)電路一模一樣，毫不夸張地說(shuō)，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(jī)仿真實(shí)驗(yàn)效果：
新課程的核心理念是：“關(guān)注每位學(xué)生的進(jìn)步與發(fā)展，使每位學(xué)生在課堂上都能積極主動(dòng)地參與交流、參與探索、參與匯報(bào)，都能動(dòng)起來(lái)，使每位學(xué)生都能進(jìn)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(shí)，經(jīng)過(guò)近一段時(shí)間的教學(xué)實(shí)踐，逐漸發(fā)現(xiàn)單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)是一種較為有效的教學(xué)手段。不僅解決了學(xué)生的只學(xué)不練的矛盾，也緩解了部分學(xué)校的單片機(jī)實(shí)訓(xùn)設(shè)備建設(shè)壓力。
首先，學(xué)生有濃厚的興趣。職業(yè)學(xué)校專業(yè)不一樣，男女比例天差地別，在上課過(guò)程中的反應(yīng)也不盡相同，但是，由于在仿真實(shí)驗(yàn)里所見(jiàn)即所得，同學(xué)們學(xué)習(xí)的熱情高漲。仿真實(shí)驗(yàn)中減少了實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)板，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不能更改的局限性，可以擴(kuò)展學(xué)生的思路和為不同層次的學(xué)生提供良好的實(shí)驗(yàn)虛擬基地。在教學(xué)中，要努力創(chuàng)造適合學(xué)生發(fā)展的情境，讓學(xué)生主動(dòng)發(fā)展，關(guān)注學(xué)生的獨(dú)特感受，以此培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維。其次，學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，鍛煉了解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。實(shí)驗(yàn)?zāi)芰驮O(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，也是職業(yè)學(xué)校學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力中較為重要的。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中往往忽略學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，只是一個(gè)驗(yàn)證的過(guò)程，學(xué)生學(xué)習(xí)的理論無(wú)法真正應(yīng)用到實(shí)際的工作實(shí)踐中，有一些學(xué)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(jì)理念融合到軟件中，投入少，實(shí)際問(wèn)題卻能得到驗(yàn)證和推敲，節(jié)省了硬件的損耗。再次，硬件投入少，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯。單片機(jī)的課程除了開(kāi)設(shè)8051系列單片機(jī)課程之外，還開(kāi)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(hào)的單片機(jī)。要想保證相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)，必須要有配套的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)而且要保證一定的實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備套數(shù)，那么這將是一筆非常大的經(jīng)濟(jì)支出。所以這將使單位和企業(yè)面臨著很大的經(jīng)濟(jì)壓力，硬件設(shè)備的更新和硬件設(shè)備的維護(hù)等工作�？紤]經(jīng)濟(jì)和其他方面的種種因素，引入單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)，就可以大大降低經(jīng)濟(jì)的支出，減少硬件設(shè)備的購(gòu)置，同時(shí)也大大降低了對(duì)硬件設(shè)備維護(hù)的工作量。為單位和企業(yè)減少了不必要的麻煩和經(jīng)費(fèi)，緩解了很大的壓力。
　　先通過(guò)軟件模擬成功后再投入硬件，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯改善，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)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(hù)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(jì)優(yōu)勢(shì)很明顯。
　　單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)的瓶頸之痛。長(zhǎng)時(shí)間的課程教學(xué)之余，總覺(jué)得留下了許多遺憾。雖然單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)讓筆者和學(xué)生們獲得了一些成功的體驗(yàn)，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(duì)著這些毫無(wú)生氣的電路圖，無(wú)法接觸電路實(shí)物的痛苦與日俱增。
　　有鑒于此，兼顧教學(xué)設(shè)備的投資現(xiàn)實(shí)，儀器老化問(wèn)題及國(guó)家對(duì)職業(yè)教育的投入，在下面兩個(gè)方面學(xué)�？梢詤⒖几母�。
　　一是改革辦學(xué)形式。通過(guò)“聯(lián)合辦學(xué)、合并小的機(jī)構(gòu)、多校共建”等方式推動(dòng)規(guī)�；k學(xué)，加強(qiáng)建設(shè)，建成規(guī)模大、實(shí)力強(qiáng)、聲譽(yù)好的示范學(xué)校；組建職教集團(tuán)，發(fā)揮對(duì)農(nóng)村和民族地區(qū)薄弱學(xué)校及西部的幫扶作用。
　　改革教學(xué)形式，積極采取場(chǎng)景教學(xué)、案例教學(xué)、項(xiàng)目教學(xué)、模擬教學(xué)等多種教育教學(xué)方式，增強(qiáng)教育教學(xué)的實(shí)效性和教學(xué)形式的針對(duì)性。
　　改革培養(yǎng)形式，深入推行校企一體、頂崗實(shí)習(xí)、工學(xué)結(jié)合；改變單一，強(qiáng)調(diào)連續(xù)學(xué)習(xí)，為連續(xù)學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)模式。
　　創(chuàng)新專業(yè)設(shè)置。建立專業(yè)設(shè)置動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制，重點(diǎn)建設(shè)面向先進(jìn)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(qiáng)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(xué)環(huán)境。重點(diǎn)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(xué)環(huán)境，使學(xué)生感受到課堂和企業(yè)的文化和專業(yè)的融合。改革教學(xué)形式，建立導(dǎo)向性的學(xué)校評(píng)價(jià)模式和能力性的學(xué)生評(píng)價(jià)模式；努力探索職業(yè)教育質(zhì)量評(píng)價(jià)的新措施、新途徑，引導(dǎo)學(xué)生向更高的目標(biāo)全面發(fā)展。
　　創(chuàng)新教學(xué)方法，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)的導(dǎo)向性；更新教學(xué)手段，構(gòu)建自己的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，能夠支撐隨時(shí)學(xué)習(xí)；創(chuàng)設(shè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)的模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置，特別是通過(guò)模擬流程、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字仿真等方式生動(dòng)直觀地展示知識(shí)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(kāi)發(fā)延伸性、補(bǔ)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(shí)現(xiàn)多種教材的立體化融合，使學(xué)生用發(fā)散的思維去思考問(wèn)題。
　　改革隊(duì)伍建設(shè)，聘用企業(yè)工程技術(shù)人員、有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的行業(yè)專家和社會(huì)中的能工巧匠等擔(dān)任兼職教師；落實(shí)教師在職進(jìn)修和企業(yè)實(shí)踐制度的可行性和有效性，加強(qiáng)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(jī)制和教育教學(xué)質(zhì)量監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)；創(chuàng)新人事分配制度；完善招生、教學(xué)、資助、免費(fèi)、就業(yè)、財(cái)務(wù)和資產(chǎn)等學(xué)校業(yè)務(wù)管理辦法。
　　虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是單片機(jī)教學(xué)的優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)的不足，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性，提高了教學(xué)效果，降低了實(shí)驗(yàn)成本，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與先進(jìn)的教學(xué)理論在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用，有著廣泛的應(yīng)用前景。
通過(guò)一段時(shí)間的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，電子專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、認(rèn)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(kāi)發(fā)時(shí)間和開(kāi)發(fā)成本；利用仿真系統(tǒng)，具有很大的靈活性和可擴(kuò)展性；減少了成本，也是學(xué)校提升實(shí)驗(yàn)室建設(shè)水平有益的嘗試，不必為了比賽換新機(jī)型而惶惶然，更不必為時(shí)間的局限性，地點(diǎn)的局限性而擔(dān)憂。有利于促進(jìn)課程和教學(xué)改革，更有利于人才的培養(yǎng)；從經(jīng)濟(jì)性、可移植性、可推廣性角度講，建立這樣的實(shí)驗(yàn)室是非常有意義的。

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