虛實(shí)結(jié)合的單片機(jī)教學(xué)案例創(chuàng)新研究與實(shí)踐

陳 瑋 羅慶躍 王曉芳 顧思思 鄧小娟 寧康琪 蔡玉梅

（邵陽學(xué)院，湖南 邵陽 422004）

虛實(shí)結(jié)合的單片機(jī)教學(xué)案例創(chuàng)新研究與實(shí)踐

陳 瑋 羅慶躍 王曉芳 顧思思 鄧小娟 寧康琪 蔡玉梅

（邵陽學(xué)院，湖南 邵陽 422004）

傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)案例往往基于實(shí)驗(yàn)箱、開發(fā)板等特定裝置，存在一定的局限性。通過對(duì)虛擬仿真技術(shù)的研究，并結(jié)合單片機(jī)課程的特點(diǎn)，對(duì)教學(xué)案例進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，可以幫助學(xué)生更好地掌握單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)。實(shí)踐證明，案例創(chuàng)新教學(xué)效果好，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的研究目標(biāo)。

單片機(jī)教學(xué)；案例創(chuàng)新；虛擬仿真

1 引言

當(dāng)今最熱、最火的云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)、可穿戴電子設(shè)備、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)電子產(chǎn)品…都離不開單片機(jī)（嵌入式）系統(tǒng)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，INTEL和AMD生產(chǎn)的所有x86類型的處理器（即桌面計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、服務(wù)器…等通用計(jì)算機(jī)的CPU），加在一起還不到微處理器總消耗量的0.1%。單片機(jī)（嵌入式）系統(tǒng)的工業(yè)年產(chǎn)值已超過1萬億美元，單片機(jī)（嵌入式）技術(shù)應(yīng)用前景一片光明。通過研究虛實(shí)結(jié)合的單片機(jī)教學(xué)案例，可以幫助學(xué)生多、快、好、省地掌握單片機(jī)及其相關(guān)應(yīng)用技術(shù)，實(shí)實(shí)在在地為學(xué)生就業(yè)、深造、創(chuàng)業(yè)服務(wù)[1]。

2 虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真的概念最早由美國Virginia大學(xué)的William Wulf教授提出。隨之，許多世界著名大學(xué)都進(jìn)行了虛擬仿真技術(shù)的研究。目前，國外對(duì)于虛擬仿真技術(shù)的研究已經(jīng)逐漸成熟。美國Michigan大學(xué)化工系創(chuàng)建的VRiCHEL(Virtual Reality in Chemical Engineering Laboratory)將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在化學(xué)工程教育領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了多個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)，一些原型虛擬實(shí)驗(yàn)室已通過國際互聯(lián)網(wǎng)對(duì)用戶開放，允許通過國際互聯(lián)網(wǎng)在虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行交互式實(shí)驗(yàn)。近年來，國內(nèi)一些高校(如清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、大連理工等)的教室和實(shí)驗(yàn)室也裝備了仿真軟件或虛擬儀器平臺(tái)，如：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)室將虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于教學(xué)演示與物理實(shí)驗(yàn)方面，是全國第一套真正意義上的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件-采用虛擬智能儀器代替價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、容易損壞、維修困難的實(shí)驗(yàn)儀器，具有操作簡(jiǎn)便、效果真實(shí)、物理圖像清晰、著重突出物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想的特點(diǎn)。南京大學(xué)建立的分析化學(xué)大型儀器虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器虛擬操作。浙江大學(xué)的“大學(xué)工程化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)VLABS”基于網(wǎng)上虛擬技術(shù)提供了一系列工科化學(xué)實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)上仿真。此外，西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等許多大學(xué)也建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室，方便學(xué)生學(xué)習(xí)或者科研。以上虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用都致力于讓人們?cè)谔摂M實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)或是在Internet上演示實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果。

互聯(lián)時(shí)代、后PC時(shí)代，新的智能微控制器層出不窮。隨著微控制器應(yīng)用的日益廣泛，虛擬仿真技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于單片機(jī)（嵌入式）領(lǐng)域。英國Labcenter Electronics公司推出的Proteus[2]軟件不僅可以Caputre schematic、Layout PCB，而且可以進(jìn)行單片機(jī)及其外圍電路仿真，非常適合單片機(jī)教學(xué)和開發(fā)。

3 教學(xué)案例創(chuàng)新研究

3.1 教學(xué)案例研究現(xiàn)狀

(1)以“單片機(jī) 教學(xué) 案例”為關(guān)鍵詞，百度共搜索出5,980,000個(gè)相關(guān)結(jié)果。通過中國知網(wǎng)（CNKI）等國內(nèi)常用檢索系統(tǒng)和百度搜索引擎，大致了解到目前國內(nèi)實(shí)施單片機(jī)案例教學(xué)的部分高校的案例設(shè)置基本情況-國內(nèi)主要以51內(nèi)核的單片機(jī)為學(xué)習(xí)對(duì)象，案例既包括流水燈等經(jīng)典實(shí)驗(yàn)案例，也包括DS1302、AT24C02等新案例。

(2)以“MCU teaching case”為關(guān)鍵詞，Google共搜索出About 23,400,000 results個(gè)相關(guān)結(jié)果。通過Google搜索和委托國內(nèi)學(xué)術(shù)科研第一站-小木蟲論壇的網(wǎng)友進(jìn)行國外常用檢索系統(tǒng)的檢索，初步了解到目前國外單片機(jī)案例設(shè)置的基本情況-主要以AVR、PIC系列單片機(jī)教學(xué)[3]，其中不乏小而精的案例，更不乏機(jī)器人等復(fù)雜案例。

3.2 教學(xué)案例創(chuàng)新研究實(shí)踐

課題組為案例教學(xué)選用的仿真軟件均為標(biāo)準(zhǔn)化程度高、實(shí)用性強(qiáng)、功能完善、技術(shù)支持廣泛的商用軟件Demo版（見圖1）。綜合運(yùn)用KEIL μVision和Proteus的案例教學(xué)，相比傳統(tǒng)開發(fā)板、實(shí)驗(yàn)箱的教學(xué)案例，不受具體實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地、設(shè)備和條件的限制，可以為學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)創(chuàng)造更佳的條件，不僅方便靈活，而且降低了學(xué)習(xí)成本，可謂省時(shí)省力省錢。

圖1 虛實(shí)結(jié)合的案例教學(xué)軟件

(1)案例創(chuàng)新

在入門教學(xué)階段，創(chuàng)新性地將通用計(jì)算機(jī)上ANSI C編寫的Hello world程序移植至（嵌入式）單片機(jī)，并進(jìn)行針對(duì)性的代碼演進(jìn)。

在國內(nèi)，C語言程序設(shè)計(jì)課程的開設(shè)往往早于單片機(jī)課程，而理工科學(xué)生學(xué)習(xí)C語言編程，接觸的第一份代碼往往是Hello world。通過Hello world移植演示的案例，學(xué)生可以類比ANSI C與Keil C51在語法、頭文件、IDE等方面的異同，達(dá)到觸類旁通，快速上手實(shí)踐的目的。再通過將Hello world代碼基本型修改為函數(shù)型的案例，可以規(guī)范學(xué)生代碼編寫風(fēng)格，培養(yǎng)其良好的編程習(xí)慣，增強(qiáng)其對(duì)C語言面向過程（函數(shù)）編程思想的理解。

創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)代碼移植案例，一方面鞏固了學(xué)生的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，一方面令學(xué)生對(duì)單片機(jī)有了一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，一方面使學(xué)生通過親身感受，了解到先修C語言程序設(shè)計(jì)課程與再修單片機(jī)課程的關(guān)聯(lián)。教學(xué)實(shí)踐證明，基于新的教學(xué)案例，學(xué)生在2-4學(xué)時(shí)后，即可完成傳統(tǒng)教學(xué)模式下需講授10多個(gè)課時(shí)才能完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。快速入門的指導(dǎo)思想，遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，對(duì)于學(xué)生樹立信心、建立成就感、提高學(xué)習(xí)興趣大有裨益。

(2)案例優(yōu)化

在深入教授單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的階段，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)案例進(jìn)行優(yōu)化和微創(chuàng)新，科學(xué)組織案例鏈：①由易至難的安排教學(xué)案例，如研討完軟件延時(shí)案例后，即按定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)的內(nèi)容順序講解和實(shí)驗(yàn)單片機(jī)功能部件。學(xué)生通過對(duì)延時(shí)功能一而再、再而三的應(yīng)用，可以深刻體會(huì)軟件延時(shí)、硬件延時(shí)、中斷延時(shí)各自的關(guān)鍵所在；②結(jié)合生活和工程實(shí)際，仔細(xì)推敲知識(shí)點(diǎn)，從小到大的設(shè)計(jì)最具代表性、實(shí)用性，同時(shí)最能說明問題的典型案例和實(shí)驗(yàn)。幫助學(xué)生先部分再整體、循序漸進(jìn)地完善一個(gè)或多個(gè)單片機(jī)（嵌入式）系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為學(xué)生下一階段的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

課題組通過教學(xué)實(shí)踐后，初步確定了教學(xué)改革后的案例鏈（見圖2）。

圖2 改革后的教學(xué)案例及實(shí)踐環(huán)節(jié)安排

創(chuàng)新案例結(jié)合工程實(shí)際項(xiàng)目的教法，注重學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，將虛實(shí)結(jié)合的案例教學(xué)理念落到了實(shí)處，完全符合工程教學(xué)在做中學(xué)(Learning by Doing)的先進(jìn)教法。通過設(shè)計(jì)科學(xué)、縝密的創(chuàng)新案例，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)[4]的方式穩(wěn)扎穩(wěn)打地夯實(shí)基礎(chǔ)，不但可以幫助學(xué)生掌握單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)，而且可以進(jìn)一步強(qiáng)化C語言編程能力，不斷增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，為后續(xù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

(3)應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)輔助案例教學(xué)

通過為學(xué)生設(shè)計(jì)典型、有趣的任務(wù)案例，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建課堂、課外、實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一的立體化課程學(xué)習(xí)平臺(tái)；應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)，建立方便計(jì)算機(jī)、手機(jī)訪問的學(xué)習(xí)資源庫；應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件，寓教于樂，進(jìn)而寓樂于教，使學(xué)生在輕松愉快的氛圍中，掌握單片機(jī)及其相關(guān)應(yīng)用技術(shù)。此外，還依托班級(jí)QQ群、飛信、微信群，開展實(shí)時(shí)討論、即時(shí)問答；利用課程網(wǎng)站、教師世界大學(xué)城空間和博客、QQ群論壇，加強(qiáng)師生互動(dòng)?，F(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用和互動(dòng)反饋機(jī)制的實(shí)施，不但有利于學(xué)生互幫互助，而且可以培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任感和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

4 結(jié)束語

通過直觀易懂、虛實(shí)結(jié)合的單片機(jī)教學(xué)案例，有效降低了單片機(jī)學(xué)習(xí)曲線(The learning curve)的陡峭度，很好地激發(fā)并保持了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，令學(xué)生在入門和后續(xù)學(xué)習(xí)階段均受益匪淺。對(duì)比采用傳統(tǒng)案例教學(xué)的系部和班級(jí)，創(chuàng)新的教學(xué)案例營造了更加良好的環(huán)境和學(xué)習(xí)氛圍，大大縮短了學(xué)生上手實(shí)踐的時(shí)間，增強(qiáng)了學(xué)生的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，提高了單片機(jī)課程的教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到了引導(dǎo)學(xué)生多、快、好、省地掌握單片機(jī)及其相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的教學(xué)改革目標(biāo)。與此同時(shí)，增進(jìn)了課題組教師之間的交流和學(xué)習(xí)，為項(xiàng)目成果在課程直接或間接相關(guān)專業(yè)推廣做好了各方面的準(zhǔn)備。

[1]何立民．物聯(lián)網(wǎng)概述第5篇:物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的人才需求與人才培養(yǎng)[J]．單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2012,(2):79-81．

[2]Labcenter Electronics Ltd．[EB/OL]．http://www．labcenter．com

[3]Cornell University．Designing with Microcontrollers[EB/OL]．http:// people．ece．cornell．edu/land/courses/ece4760/．

[4]顧思思．項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法在我校文科類專業(yè)Access課程教學(xué)中的應(yīng)用研究[J]．中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊,2012,20:154-156．

The Research and Practice of Virtuality and Reality Combined MCU Teaching Case

Chen WeiLuo Qingyue Wang Xiaofang Gu SisiDeng Xiaojuan Ning KangqiCai Yumei
(Shaoyang University,Shaoyang 422004,Hunan)

act】Traditional MCU teaching case is usually based on experiment box,development board,etc.Specific devices have certain limitations.With the virtual simulation technology research and combination of the characteristics of MCU course, teaching cases are innovated and optimized,helping students to grasp the MCU applied technology in a better way.Practices show that teaching case innovation have good effect,achieving predetermined research goal.

MCU teaching;case innovate;virtual simulation

G42文獻(xiàn)表示碼：A

1008-6609(2015)03-0029-02

陳瑋，男，湖南邵陽人，碩士，講師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用。

湖南省教育廳普通高校教學(xué)改革研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：湘教通[2013]223號(hào)文399項(xiàng)；邵陽學(xué)院教學(xué)改革研究資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2013JG23；本文得到邵陽學(xué)院電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化重點(diǎn)學(xué)科資助。