“虛實結(jié)合”的單片機實踐教學探討

胡晶晶，李 娟

（淮南聯(lián)合大學 機電系，安徽 淮南 232038）

單片機原理及應用（或單片機原理及接口技術）是一門理論與實踐結(jié)合非常緊密的課程，其理論知識眾多且較為難懂，對學生的實際動手能力要求又較強.整個課程具有理論知識復雜、實踐入門門檻高、外圍元器件眾多等特點.針對上述特點，各大專院校越來越重視單片機實踐課程的實施，本文提出虛擬仿真與硬件實訓相結(jié)合的單片機實踐教學方法，并提出實施過程中的相關建議.

1 單片機課程特點及傳統(tǒng)教學的不足

單片機原理及應用（或單片機原理及接口技術）是工科院校電子信息類、自動化類及計算機類普遍開設的一門專業(yè)課，該課程實用性較強，且當前發(fā)展很快，很多學生對課程很感興趣.但在單片機教學實施過程中存在很多難點，使得部分學生接觸不久就放棄了.現(xiàn)對單片機課程的特點總結(jié)如下：

1.1 理論體系復雜

單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，學生剛開始接觸CPU、存儲器、I/O接口等單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)時會感覺很難理解，無從下手.且匯編語言指令較多，容易混淆，寫程序較為麻煩.不學習匯編語言又很難理解單片機的工作過程.

1.2 實踐動手入門門檻較高

初學者要入門單片機電路設計，除了了解單片機原理外還需要學習很多環(huán)節(jié)，首先要學會畫原理圖（通常用protues或protel軟件），其次編寫程序（通常用匯編語言或C語言），在編寫程序前要學會使用開發(fā)軟件（如keil），然后將編寫好的程序下載到單片機，不同廠家的單片機有不同的下載軟件和方法.然后搭建好硬件電路進行試驗.這些環(huán)節(jié)熟悉了后并不復雜，但對于初學者來說，只要一個地方使用不正確，可能就導致實踐無法繼續(xù)，這對初學者的積極性有很大的打擊，很多初學者在這個地方會卡很長時間，甚至放棄學習.

1.3 外圍電路眾多

單片機在學習過程中要掌握眾多的外圍電路，如發(fā)光二極管、數(shù)碼管、蜂鳴器、液晶顯示屏、點陣、A/D、D/A轉(zhuǎn)換、外部存儲器、串口通信等.不同的外圍電路原理各不相同，差異巨大，這需要學生主動查閱各種手冊等資料.

以上特點是單片機教學過程中普遍存在的困難，也是單片機教學改革中所重點關注的對象.

2 虛擬仿真軟件在單片機教學中的應用

計算機輔助設計在工業(yè)設計中已得到廣泛的應用，在真正設計出產(chǎn)品前，先用計算機進行仿真，然后再進行試驗驗證，這樣不僅可以節(jié)約大量的人力物力，還可以少走很多彎路，節(jié)省時間，減少開發(fā)周期.在單片機設計領域也不例外，現(xiàn)在常用的仿真軟件有protues等.雖然學生在校期間很難接觸到實際產(chǎn)品開發(fā)，也無法體驗產(chǎn)品開發(fā)過程中的人力、物力和產(chǎn)品開發(fā)周期.但對于學生掌握開發(fā)技能，了解產(chǎn)品開發(fā)思路來說，虛擬仿真這個環(huán)節(jié)是比不可少的，所以現(xiàn)在很多院校也開始建設虛擬仿真實訓室.

除上述原因外，虛擬仿真對理論教學上也有很大的輔助作用，在講單片機實例時可以先用仿真軟件仿真，這樣學生可以有個直觀的了解，然后進行硬件實訓時不至于脫節(jié)，對于硬件實訓過程中遇到的問題也容易對癥分析，如果通過虛擬仿真，則說明整個設計的思路和程序是沒有問題的，就可以把焦點對準硬件電路本身.

3 硬件電路實訓對在單片機教學過程中的重要意義

由于虛擬仿真能夠模擬實際電路的運行，所以很多學校和學生為了方便，就完全取代硬件電路實訓，用來訓練學生的單片機開發(fā)能力.雖然在上述文章中分析了虛擬仿真的重要性，但完全用虛擬仿真來代替硬件電路實訓是不適合的.因為硬件電路實訓對訓練學生的動手能力、故障診斷與分析能力及綜合能力有著不可替代的作用，原因如下：

（1）實際電路的搭建與布局與仿真電路會有區(qū)別，不能完全用理論電路圖來代替實際電路的布局和接線.

（2）再完善的模擬也不能保證在實際電路的運行過程中不出問題，而對出現(xiàn)問題的解決是訓練學生能力的重要途徑，這在虛擬仿真中是無法替代的.

（3）硬件電路實訓對學生認識元器件、外圍電路以及對學生訓練焊接或接線能力具有重要的意義.

（4）在硬件電路實訓過程中，如果電路設計成功，學生即可看到自己的成果實際運行，這對激發(fā)學生的興趣和成就感具有重要作用，使得學生能夠積極主動的學習，以及產(chǎn)生深刻的記憶.

4 “虛實”結(jié)合的教學方法研究

針對上述問題，筆者提出在單片機教學過程中一定要進行虛實結(jié)合，即在教學過程中既要進行虛擬仿真又要進行硬件電路實訓.根據(jù)筆者長期的教學經(jīng)驗以及廣泛的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，虛擬仿真和硬件電路實訓結(jié)合存在教學內(nèi)容較多，課時不夠用等問題.前面已經(jīng)說過，單片機教學過程中需要講解的內(nèi)容眾多，包括芯片原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、匯編程序設計，各種外圍元器件的原理、應用、以及與單片機的接口，單片機程序開發(fā)時的各種軟件的使用等，“虛實結(jié)合”使得本來就較為緊張的課時更加不夠用.這樣的問題使得有些學校要么放棄虛擬仿真，要么放棄硬件電路實訓.

根據(jù)上述情況，如何將虛擬仿真與硬件實驗相結(jié)合，而又不增加課時提出如下幾點建議：

4.1 對每次的實驗課程（哪怕是最簡單的流水燈實驗），也要引導學生按照產(chǎn)品開發(fā)的思路，先分析產(chǎn)品需求，然后選擇電路元器件，查詢外圍電路的功能及原理，分析整個電路框架，然后畫出電路圖進行虛擬仿真，搭建硬件平臺，下載軟件并運行程序，觀察運行結(jié)果并寫出實驗報告.再簡單的實驗也不要省略其中的任何一個環(huán)節(jié)，讓學生一開始就培養(yǎng)出認真的學習態(tài)度和嚴謹?shù)膶W習思路.下面以數(shù)碼管開發(fā)為例，闡述整個設計過程.

設計題目：用單個數(shù)碼管實現(xiàn)0～9往復循環(huán)電路，時間間隔為1秒.

教學過程如下：

（1）引導學生查找7段顯示數(shù)碼管的類型（1位數(shù)碼管、4位數(shù)碼管、共陽極、共陰極等）、原理，學會查找芯片手冊.允許學生選擇不同類型的管子，當然不同的選擇會導致后續(xù)的電路設計和程序程序產(chǎn)生差異.

（2）分析功能需求：數(shù)碼管從0開始每隔1s增加1，直到9后回到0，循環(huán)顯示.

（3）3根據(jù)需求畫出電路原理圖，如圖1所示.

圖1 單個數(shù)碼管電路圖

（4）設計程序代碼并進行仿真.其中C語言參考程序如下所示（也可以用匯編程序設計，限于篇幅從略）：

（5）搭建硬件電路平臺，下載程序并運行，利用硬 件電路實現(xiàn)0～9循環(huán)顯示.

（6）撰寫試用報告和心得.

（7）提出擴展題目，供學生課后思考.如用2個單個數(shù)碼管如何實現(xiàn)00～59循環(huán)顯示；自學4位數(shù)碼管原理，實現(xiàn)00～99循環(huán)顯示.

4.2 對理論知識的講解要由淺入深，循序漸進，理論與實驗教學要相互穿插，互相推進.有些老師和學生喜歡先將理論知識先學完，然后再進行動手實驗，這樣在學習理論知識的時候會覺得非?？菰?可以在學生學習最基本的體系結(jié)構(gòu)和關鍵的幾條匯編語言后即可讓學生進行簡單的實訓（如流水燈、數(shù)碼管等）.這樣可以讓學生及時看到學習成效，提高學習的興趣.

4.3 引導學生自主完成整個實驗過程，從外圍電路的原理開始，到整體思路設計，再到局部電路的具體設計，要引導學生獨立思考，不能完全由老師進行灌輸，培養(yǎng)學生獨立思考的能力.

4.4 引導學生對比虛擬仿真與實際硬件電路的差異，感受各自的特點.有的學生喜歡編程，有的學生則更喜歡硬件電路的焊接或接線.根據(jù)不同學生的興趣，有差異的培養(yǎng)起特長.

4.5 建立開放實驗室，單片機實驗不僅要圍繞課堂教學，還必須結(jié)合學校的相關社團、技能大賽等活動，形成一個完整的學習鏈.通過社團和技能大賽，使學生的拓寬學生的學習面，而不是僅僅拘泥于課堂，可以有效的將單片機與其他相關領域相結(jié)合，另外可以大大拓展學生的有效學習時間，補充課堂教學的不足.經(jīng)過實踐證明，開放的實驗室可以大大提高學生的學習興趣.

4.6 精選實訓案例，現(xiàn)在很多實驗完全按照實驗指導書，按部就班的實施，由于課堂教學時間有限，實驗無法完成，很多知識點都無法覆蓋.在實驗教學過程中要精選部分有代表性的案例，讓學生掌握單片機開發(fā)的關鍵要點，同類型的案例可以放到課后讓學生進一步去探索，且根據(jù)不同學生的學習情況，提出不同的要求.

4.7 進行綜合實訓，在課程快結(jié)束時，一定要有相對集中的時間完成一個典型的綜合實訓（如電子鐘）.綜合實訓不僅可以將前面所學的知識進行連貫起來，起到融會貫通的作用，還可以訓練學生對實際產(chǎn)品開發(fā)流程的掌握，讓學生切實體會實際產(chǎn)品的開發(fā)過程，對以后走上社會后可以盡快的融入工作環(huán)境提供初步的訓練.

5 總結(jié)

單片機實踐教學對真?zhèn)€單品就學習過程起著至關重要的作用，隨著虛擬仿真軟件的發(fā)展以及硬件成本的不斷下降，使得學生學習單片機的實驗環(huán)境不斷完善.合理的將虛擬仿真和硬件實驗相結(jié)合起來，可以對單片機教學提供非常有效的幫助.本文對此進行了一些探討.

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