“单片机原理及应用”课程改革实践和探索

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  摘要:“单片机原理及应用”是电气工程及其自动化专业的一门重要学科基础课,是信息技术目前在电力系统中应用的入门级课程和基础课程。随着国家教学改革的推进和社会单位对人才需求的变化,单片机课程改革和实践需不断深入,不断创新。从单片机课程教学现状分析入手,从课程内容优化、实践教学创新、教学方法改革、考核体系完善及创新人才培养等几个方面进行了论述,探讨了新时期单片机课程的改革实践方向和采取的措施。教学创新是课程生命力的动力和源泉,教学改革实践是课程永葆青春的法寶。只有不断教学创新,才能培养出一批又一批的高素质创新型人才,为国家发展和教育事业推进做出了贡献。
  关键词:单片机;课程改革;课程探索
  作者简介:许景辉(1978-),男,河北藁城人,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,讲师;张成凤(1978-),女,山东安丘人,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,讲师。(陕西 杨凌 712100)
  基金项目:本文系西北农林科技大学本科优质课程建设项目(项目编号:2013-53)的研究成果。
  中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2013)35-0074-02
  “单片机原理及应用”是电气工程及其自动化专业的一门重要学科基础课,是专业建设方向中“强弱电结合、软硬件结合”的重要体现课程之一。该课程帮助学生理解嵌入式控制系统的原理、工作模式和常用芯片参数,是目前信息技术在电力系统中应用的入门级课程和基础课程。
  “单片机原理及应用”经过多年的教学实践和改革,从教学方法和教学手段上进行了不断创新,教学效果日益提高。但在新科技时代背景下,随着现代科学技术的飞速发展,更多的技术和方法可应用到“单片机原理及应用”教学中,为课程改革的不断推进注入了活力。[1]2012年新的专业目录调整后,专业课程设置及学时要求发生了一定变化,这也为该课程的改革提出了新的要求。
  一、单片机课程教学现状
  单片机课程是目前高校电类专业的骨干课程,虽然从课程名字上有所不同,但教学内容基本为MCS-51单片机基本原理及其应用方法,故课程名字多为“单片机原理”、“单片机原理及应用”、“单片机原理与接口技术”等。根据教学任务要求及课程设置不同,单片机课程学时从32学时到64学时不等。结合现在专业培养方案变化,目前该课程以48学时居多,同时根据教学需要增设1~2周的课程设计。从教学形式上来看,各校基本延续课堂讲授和课程实验相结合的传统教学模式。由于多媒体的推广及实验设备价格的降低,学生知识掌握和实践动手能力都较过去有了很大进步。以单片机为主的应用电路设计一直是各个学校学生科技创新活动的主流,通过各类实践活动,学生在毕业时的理论和实践能力显著增强,为学生进入工作单位打下了坚实的基础,受到社会各个用人单位的青睐。
  然而,目前单片机教学中也存在很多问题,需要不断进行教学研究,进一步提高该课程的教学效果。首先,该课程的教学内容需要适度更新,以适应当前社会对单片机技术人才的需求。在课程教学内容上,多年来该课程以MCS-51系列单片机为例,从单片机硬件结构、常用指令、编程方法和单片机硬件扩展等方面进行单片机的教学和实践锻炼。但实践中发现,单片机汇编语句部分应增加C51对照程序以加强学生实际应用开发的能力和水平。在单片机知识结构上,应对目前普遍使用的I2C、SPI、ICP和ISP等加以介绍,让学生了解目前广泛采用的单片机技术。除了MCS-51单片机外,还应对日常广泛采用的PIC和AVR系列单片机进行适当介绍,使学生不至于与实际脱节,降低课程教学效果。在实践环节中,很多学校仍采用传统的试验箱,这虽然在一定程度上方便了学生实验,但与学生进行单片机系统开发脱节,容易造成学生眼高手低的教学弊病。实践教学中,应将具有在线可编程功能的单片机引入到实验课程之中,让学生真正体验单片机开发的实际环境,更好地了解系统设计过程及调试过程。结合现代虚拟仿真技术,应将PROTEUS等仿真软件引入到教学和实践体系之中,让学生能够在理想的环境下进行软硬件调试,增强学习兴趣。
  二、单片机课程教学改革实践
  “单片机原理及应用”课程改革主要包括课程内容优化、实践教学创新、教学方法改革、考核体系完善及创新人才培养等几个部分,通过不同部分的教学改革实践,可优化教学内容体系,提高学生综合素质,培养学生具有“理论基础扎实、实践创新能力强”的创新型人才。
  1.明确培养目标,优化教学内容
  单片机课程是一门理论和实践性都比较强的课程。由于该课程较为抽象,需要学生用“有限硬件资源”的思想去考虑各类复杂的自动控制问题,这就要求课程的理论教学和实践教学内容合理,能通过相互补充的方式提高教学效果。目前,“重基础、宽口径、重应用、高素质”是电气专业培养的原则,在这个培养目标下,学生应该掌握坚实的课程基础,建立较为全面的课程知识结构,在实践教学环节的基础上,具有较强的动手实践和科技创新能力。但在新的专业培养大纲修订中,专业学时不断压缩,因此更需要认真考虑教学内容,满足现在培养目标的要求。
  单片机教材多种多样,但在教学内容上基本相似。单片机课程内容主要有数字电路基础、MCS-51单片机硬件结构、单片机指令系统、汇编语言程序设计、单片机中断及定时/计数器、单片机存储器及扩展、单片机串行通信、单片机接口技术、D/A和A/D转换电路设计、单片机系统设计方法、单片机应用及开发举例等内容。从内容上来看,单片机硬件结构、指令系统及汇编程序设计、中断及定时/计数器、单片机存储器及扩展和单片机串行通信等是该课程基础知识,应通过各种教学手段进行重点讲授。不论学时如何压缩,这些基本内容应该保留并保证教学的实际效果。D/A和A/D转换理论在数字电路课程中有所介绍,因此可以结合单片机应用及开发举例等内容进行讲授,结合实践教学要求,还可将其放入到实践环节之中。单片机汇编语言部分教学内容应补充C51编程方法及实例,但汇编语言不应省略,因为它是锻炼学生软硬件编程思维的重要内容,不应过分追求与社会接轨而让学生建立空中楼阁式的课程知识结构。在串口通信教学中,可对RS-232接口及单片机串口工作方式进行简要介绍,但应增加I2C、SPI等串口总线教学内容以适应现在硬件接口设计的时代需要。[2]PIC和AVR单片机作为现在单片机应用的主流,在课堂中应对其特点加以介绍。   2.加强实践教学,提高学生创新能力
  单片机课程实践性非常强,只有通过理论和实践相结合,学生才能真正掌握单片机的使用方法和应用技巧。单片机课程实践教学分教学实验、课程设计两个部分。两部分应结合课堂教学内容,相互补充,相互呼应。
  在教学试验中,首先应采用切近实际生产的教学设备。目前很多高校仍采用传统的实验仿真箱,这种设备让学生关注于程序设计,单片机硬件部分只需插线即可完成。从目前教学效果来看,采用这种设备进行教学,学生对软硬件知识的掌握程度不尽理想。现在广泛采用的单片机均有ISP(在线可编程)功能,其单片机ROM多采用可擦寫的flash芯片,因此延续过去烧写器时代的仿真实验箱将给学生造成错觉,让其在实际硬件开发中有种无所适从的感觉。单片机实践教学要求学生能够掌握单片机基本指令和使用方法,掌握单片机系统的开发流程及操作技巧,因此需要学生在软硬件上均应进行实践锻炼,这就要求启动新型实验教学仪器的应用。目前,单片机开发板功能日益完善,其价格越来越低,因此可以通过单片机开发板,让学生进入单片机系统开发的实战环境,真正让学生对系统硬件结构和软件指令有一深入的了解和掌握。在实践教学中,采用了积木式单片机硬件系统,单片机建立最小系统后,其外围设备均通过经典电路制作成模块,学生在实验中要对其电源、总线等设计,需要通过引线组件不同功能电路,这充分锻炼了学生的动手能力和系统设计能力。
  在单片机实践教学中,PROTEUS软件是取代传统实验仿真箱的另一利器。PROTEUS软件是英国Labcenter electronics公司开发的EDA软件,是目前唯一能够进行单片机软硬件仿真的计算机辅助软件。[3]该软件有丰富的元器件模型库,能以较为形象的方式进行51系列、PIC系列、AVR系列和ARM7等软硬件仿真。[3]该软件注重于器件的关键引脚连线,能结合Keil等编程环境,对单片机系统进行主要功能检验和输出结果仿真,这有效提高了单片机学习和开发的效率。PROTEUS软件在软件环境中集成了各类检测仪表,学生只需一台计算机即可进行相关知识的学习和功能开发,其应用范围越来越广。[4]西北农林科技大学(以下简称“我校”)根据教学中常用电路及实验仿真箱等经典电路开发了“基于PROTEUS的单片机实验平台”,通过模块化的方式排列了教学和实践中常用电路模块,学生需要通过硬件连线和软件编程完成相应控制功能,对学生软硬件设计能力提高起到很大促进作用。
  3.采用多种教学手段,不断提高教学效果
  近年来,随着国家教育改革的不断深入,“强基础、宽口径”已是目前高校专业教学目标的主流,与之呼应的专业培养方案修订使得专业课程学时不断压缩,但教学大纲中对课程内容要求并未减少,这就势必造成教学效果的下降。为了适应这种状况,教学中必须采用新式教学方式,以提高教学效率。
  现代教学手段中,多媒体授课形式已经不是新的创意,但多媒体课件如何设计却是一个常说常新的话题。目前,对于如何进行多媒体课件制作的论文已经很多,[5,6]但如何设计课件内容及如何设计内容展示方式的论文却不多。多媒体教学中,对于抽象的内容需要用POWER POINT中动画功能予以演示,如单片机工作方式内容讲解时,学生很难想象单片机取指令、编译指令和取数据的过程,而通过动画显示的方式,学生就很容易理解PC指针的工作方式以及CPU进行取、解译和执行指令的过程。现在网上资料非常多,在进行单片机硬件扩展内容讲解时,可将学生分成几组,分别对常用的电容、晶振、液晶显示器、数码管等进行型号和图片的搜集和整理,然后利用课堂5分钟进行各组的讲解和展示,这不但拓展了学生的视野,而且锻炼了学生的能力,起到了教学相长的目的。
  除了多媒体教学外,还应充分利用各种资源,为学生进行立体式教学环境布置。应充分利用板书、多媒体、网络等手段,扬长避短,充分发挥各自优势。教师通过板书给学生以思考的时间,利于学生进行理论知识的课堂消化。网络是目前知识学习的宝库,丰富的网络资源为课程难点解答提供了多种版本的解释,为学生正确理解知识点提供了帮助。比如说单片机型号多样,课本讲解是有限的,学生就可查阅论坛和精品课程网站来了解新知识,各类国家、省级优秀精品课程网站为学生学习提供了良好的平台。
  4.建立多样考查方式,注重学生学习效果考核
  各种教学方式改革,目的是为了给学生提供一个良好的学习环境,因此学生学习效果还需通过多种考核方式进行评测,为学生质量鉴定提供一个标尺。单片机课程应用性较强,死记硬背式的学习方式不能适应现代社会对人才的需求。因此从课程考核方式上应将作业、出勤、实验报告、课堂测试、大作业及期末考试结合起来,通过教学过程中的引导,调动学生学习积极性。随着社会思潮对大学校园的冲击,每一届学生的学习特点各有不同,因此需灵活确定各类考核比例,引导学生加强某个教学环节的学习和锻炼。比如说,某届学生实验积极性不高,那这届考核中的实验出勤和实验报告比例就要加大,而且其考核比例要及早通知学生,这样才能引导学生重视实践教学环节。在不同考核方式中,也应该注重考核形式。如课堂点名时,很多教师拿点名册进行点名,由于缺课情况无法展示给学生,容易让不爱上课的学生懈怠。而通过大屏幕式Excell点名,情况就不一样了。这不仅利于学生出勤情况的统计,还可以让全体同学掌握各自出勤情况,利于彼此的监督和提醒。
  三、积累教学经验,不断加强教学创新
  不同教学方式的改革都是围绕创新性人才这个培养目标进行的。已有的教学经验利于当时的教学,但随着时代的变化,其教学方式就需要不断创新。
  教学方式改革的主导者是教师,只有加强师资队伍建设才能形成良好的教学和学风,才能不断创新教学形式,提高教学水平和效果。在师资队伍建设中,应通过教案编写、课程讲授、专题研讨和学术交流的形式不断加强教师素质,提高教学水平。应鼓励和支持教师参加各类单片机产品发布会和学术团体会议;通过科研活动、全国性技能竞赛和学生科技创新活动,积累理论和实践经验,为教学工作积累丰富的教学素材;应积极创造教师进修和考察机会,开拓眼界,丰富经验,为树立其正确的教学理念创造条件。
  学生创新型教育是时代赋予高等教育的目标和使命,是促进国家发展和生产力提高的重要保障。在教学中,应积极引导学生发挥创新性思维用单片机的思维解决生活中的自动控制问题。同时应在作业、课程设计选题及综合性、设计性实验项目中积极贯彻创新型人才培养思路,让学生多动脑、多动手。结合目前实验室开放和PROTEUS平台,让学生多进行创新性思考和科技创新活动。学生素质的进步既是高等教育创新的成果,也是教学创新的动力。
  教学创新是课程生命力的动力和源泉,教学改革实践是课程永葆青春的法宝。教师只有不断创新,才能让学生由浅入深、由易到难地进行单片机概念、原理、使用方法的学习,才能通过丰富多样的实践创新活动掌握单片机控制系统设计、制造方法,才能培养出一批又一批的高素质创新型人才。
  参考文献:
  [1]吴允平.单片机教学改革与学生工程素质和创新意识的培养[J].福建师范大学学报(自然科学版),2004,20(1):111-113.
  [2]翟玉文.单片机课程教学改革探究 [J].吉林化工学院学报,2013,30(4):34-37.
  [3]张靖武,周灵彬.单片机系统的 PROTEUS 设计与仿真[M].北京:电子工业出版社,2007.
  [4]袁锋伟,赵立宏,朱慧玲.基于 Proteus 的单片机课程教学与实验改革[J].实验室研究与探索,2007,26(12):75-78.
  [5]吴建平.多媒体课件制作与多媒体教学方法的研究[J].学科教育,2004,4(4):8-11.
  [6]宋友,钟聪华.多媒体课件制作实用教程[M].北京:清华大学出版社,2001.
  (责任编辑:王意琴)
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