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      虛實結(jié)合促進硬件類課程教學改革的實踐與思考

      2016-03-15 07:27:03汪成義
      關(guān)鍵詞:課程設(shè)計單片機模塊

      汪成義

      (湖北經(jīng)濟學院信息工程學院,湖北武漢430205)

      虛實結(jié)合促進硬件類課程教學改革的實踐與思考

      汪成義

      (湖北經(jīng)濟學院信息工程學院,湖北武漢430205)

      電子信息類專業(yè)的硬件類課程實踐性強,教學過程需與應(yīng)用緊密聯(lián)系,傳統(tǒng)的圖文顯示加講解的簡單多媒體教學模式已不能滿足課程教學需要。將虛擬仿真技術(shù)引入課堂教學,可使項目驅(qū)動教學法得到充分體現(xiàn);通過仿真實驗與實物實驗的虛實結(jié)合,采用模塊和項目分級結(jié)合的綜合教學模式,可突破實驗條件的限制,充分激發(fā)學生的創(chuàng)新能力,并讓不同基礎(chǔ)的學生都能得到充分的能力訓練;對課程如何進一步適應(yīng)專業(yè)的差異、需求的差異進行了初步分析。

      虛實結(jié)合;實驗;硬件類課程;教學改革

      一、引言

      電子信息類本科專業(yè)通常會開設(shè)一系列涉及硬件或軟硬件結(jié)合的課程,如模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機原理與應(yīng)用、數(shù)字信號處理、嵌入式系統(tǒng)等,這些課程的教學環(huán)節(jié)有一個共同特征,就是都必須做一系列實驗,并需要在有電腦、實驗設(shè)備、測量儀器的實驗室環(huán)境進行實驗。作為電子信息類本科專業(yè)開設(shè)的應(yīng)用性、實踐性很強的課程,理論如何聯(lián)系實際一直是課程教學改革的關(guān)鍵,也相應(yīng)提出了很多教學方法,如案例教學法、項目驅(qū)動教學法[1]等,由于限于實驗條件、成本等因素制約,課堂教學內(nèi)容往往限于紙上談兵,無法現(xiàn)場驗證。[2]將仿真軟件逐步引入教學的各個環(huán)節(jié),不僅對教學方法、教學模式帶來根本性的影響,對提升學生的設(shè)計能力、調(diào)試技能和創(chuàng)新能力有著實實在在的幫助。

      由于仿真實驗與實物實驗仍然有一定的差別,在用人單位的實際設(shè)計過程中,往往是先利用虛擬仿真進行初步設(shè)計,需要時再進行實物驗證,虛實結(jié)合,相輔相成,實現(xiàn)高效低成本的設(shè)計。教學環(huán)節(jié)更需要引入虛擬仿真技術(shù),虛實結(jié)合,克服教學條件的限制與不足。

      二、技術(shù)及課程背景

      可用于硬件類課程教學的仿真軟件眾多,主要有美國國家儀器(NI)有限公司的Multisim(原名EWB),其在電路仿真方面具有獨特的優(yōu)勢,并特地為教與學提供了技術(shù)支持和設(shè)備支持,使教學中的理論、仿真、實驗室三者融會貫通,并能仿真單片機;[3]澳大利亞Altium公司的Altium Designer(原名Protel),在電路原理圖繪制、印刷電路板文件制作及電路仿真方面一體化程度高,在國內(nèi)行業(yè)應(yīng)用也較多;英國LabCenter Electronics公司的Proteus,能實現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路及數(shù)?;旌想娐返脑O(shè)計與仿真,特別地,它還能夠支持各種單片機及其外圍模擬電路、數(shù)字電路的軟硬件聯(lián)合仿真,并能支持大量的接口電路、測量儀器的仿真。

      在涉及硬件的課程中,單片機課程是電子信息類本科專業(yè)的必修課程,由于其重要性,通常又分為理論課和實驗課兩個不同階段的課程,如單片機原理與應(yīng)用課和單片機課程設(shè)計課,理論課本身配有基礎(chǔ)實驗課,課程設(shè)計課則是進行項目式的綜合設(shè)計,它們的特點是軟件與硬件緊密結(jié)合,且是在模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、C語言程序設(shè)計課程的基礎(chǔ)上開設(shè)的綜合應(yīng)用型課程,也是后續(xù)的嵌入式系統(tǒng)或更復雜的綜合性應(yīng)用課程的基礎(chǔ),在虛實結(jié)合的教學環(huán)節(jié)中具有典型性。

      基于Multisim、Proteus類軟件的綜合仿真能力和單片機課程的綜合應(yīng)用特性,下面主要以單片機課程的理論課堂教學和實驗課程教學環(huán)節(jié)為對象,對教學改革實踐過程中的一些做法進行總結(jié)。

      三、虛擬實驗與理論課堂教學

      (一)課堂教學改革的演進

      近十年來,單片機課堂教學隨著技術(shù)的進步和用人需求的變化而不斷變化,課堂教學內(nèi)容由單純的匯編語言教學,逐步改革為以匯編語言為主C51語言為輔的混合模式,到全程以C51語言進行教學的模式,大大降低了學生學習的難度,提高了教與學的效率,特別是更便于后續(xù)課程和實踐環(huán)節(jié)對單片機的實際運用,但再要進行大的改革卻遇到困難。另一方面,原來只需學習傳統(tǒng)的MCS-51系列單片機即可適應(yīng)社會需要,而今應(yīng)用更多的是增強型的8051單片機、帶有大量片內(nèi)外設(shè)的16位的單片機和32位單片機。這就對教學的組織、教學效率、教學手段提出了更高要求,傳統(tǒng)的黑板板書教學模式、圖文顯示加講解的簡單多媒體教學模式已不能勝任時代發(fā)展的需要。虛擬仿真軟件進入教學課堂,為推進適應(yīng)時代需要的教學改革提供了難得的技術(shù)手段,可以極大地加快教學改革的步伐。

      (二)虛擬實驗促進課堂教學方法的改革

      作為實踐性極強的單片機課程,讓教學過程全程實驗室化,應(yīng)是未來課程改革方向的選擇之一,但目前還不太符合國情,有實驗室資源的限制,有理論教學的習慣與方法的限制等。通過將虛擬仿真軟件引入課堂教學,不僅能展示實驗結(jié)果圖,還能將課堂所有例題以現(xiàn)場仿真實驗的形式呈現(xiàn),將電路原理圖的設(shè)計、控制程序的編寫、軟硬件聯(lián)合調(diào)試的過程根據(jù)課堂教學需要靈活演示、講解,并在課程配套的基礎(chǔ)實驗中使用仿真與實物相結(jié)合的方式進行實驗,使教學過程實驗化,實驗過程多樣化,從而使理論教學與應(yīng)用開發(fā)過程緊密聯(lián)系,讓模擬實際項目的各種教學方法能更貼近實際設(shè)計場景,讓學生在直觀、有趣、高效的教學過程中學習理論知識,觀察設(shè)計與調(diào)試的過程,讓現(xiàn)場形成的實驗結(jié)果與理論相互印證。

      就教學方法而言,由于虛擬仿真的引入,項目驅(qū)動法、案例教學法等可以更加行之有效,如通過2到3個較大項目方案的演示,確立不同階段的目標,激發(fā)學生的興趣,結(jié)合不同知識點對應(yīng)的小案例的虛擬仿真,通過逐項知識點的理解和小案例功能的實現(xiàn),在階段后期進行歸納、總結(jié)并形成項目完整的實現(xiàn)方案。[4]通過虛擬仿真實驗的方式,部分項目還可以以大作業(yè)的形式讓學生課外完成。

      (三)效果分析

      通過近年來教學改革實踐過程的摸索,以及跟每屆畢業(yè)班學生的交流情況來看,將所有例題全程仿真的課堂教學方式深得學生喜愛,可有效激發(fā)學生的學習興趣,降低學習認知的難度,提高教學效率和學生綜合能力培養(yǎng)的效果。

      四、虛實結(jié)合與實驗課程教學

      (一)實驗課程涉及的內(nèi)容

      實驗課程主要是指為單片機課程配套的單片機課程設(shè)計課,是單片機課程在實踐方面的進一步延續(xù)與強化。該課程主要以項目的形式對學生進行實踐能力、創(chuàng)新能力的訓練,同時通過團隊協(xié)作、報告撰寫來提升學生的團隊意識、溝通能力和文字表達能力。傳統(tǒng)的單片機課程設(shè)計是基于集成軟件開發(fā)環(huán)境進行程序設(shè)計,基于簡單的畫圖實現(xiàn)電路的方案設(shè)計,并通過實物的連接與測試進行電路的準備,具體環(huán)節(jié)包括:任務(wù)選擇;總體方案設(shè)計;功能實現(xiàn),包括實驗箱、小系統(tǒng)板、面包板或自制電路板的實際運用;報告的撰寫;驗收測試與答辯。由于實驗學時有限、實驗用的元器件的種類和個數(shù)有限、實驗測量和調(diào)試手段有限等因素,學生能力培養(yǎng)仍受到局限。

      (二)虛擬仿真實驗促進實驗課程改革

      虛擬仿真的引入,改變了實驗的流程和實驗的約束條件,使實驗可以擁有巨大的虛擬元件庫、調(diào)試工具庫和測量儀器庫,無論是老師出題還是學生設(shè)計可以更加“隨意”,即通過將仿真實驗和實物實驗進行分開評分,讓老師出題時既考慮實驗硬件條件限制,也能充分利用虛擬仿真軟件的靈活性,讓學生的設(shè)計功能不一定都要用硬件實現(xiàn)。而學生則可以利用仿真軟件的優(yōu)勢,以創(chuàng)新的思維設(shè)計系統(tǒng)功能,以能從實驗室領(lǐng)到的硬件實現(xiàn)實物功能。特別地,可通過老師精心的任務(wù)設(shè)計,讓不同層次、不通能力背景的學生都能盡情發(fā)揮,做到自己能力的極致,從而可充分激發(fā)學生的創(chuàng)新能力、溝通能力,實現(xiàn)學生綜合運用單片機的能力,實現(xiàn)有效的分層教學。[5]

      (三)實踐中的教學安排

      基于以上思路,結(jié)合單片機課程設(shè)計中的一個綜合設(shè)計題,說明如何進行仿真與實物實驗的評價分開,分層安排設(shè)計功能等。綜合設(shè)計題的題目是“基于單片機的多功能綜合應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計”,該題由多個單項設(shè)計綜合構(gòu)成一個綜合系統(tǒng)的設(shè)計,每組(或每人)可根據(jù)本組(或本人)實際情況進行內(nèi)容組合選擇,設(shè)計內(nèi)容分成四大模塊,分別是基本功能模塊、擴展模塊、基本應(yīng)用模塊和賽前訓練應(yīng)用模塊。

      1.基本功能模塊:主要基于單片機小系統(tǒng)、4x4鍵盤或按鍵開關(guān)、液晶屏、LED燈組成的基本硬件實現(xiàn)一系列控制功能,如燈的花樣變化控制、燈的速度變化控制、模擬真彩色屏單個像素點的色彩連續(xù)變化控制、三色聯(lián)動控制、炫彩音樂顯示等,考慮到基礎(chǔ)比較差的學生的及格率,這部分分值可以比較高,如占實驗部分的50%,且功能可進行組合選擇,并要求先做虛擬實驗實現(xiàn)后再做實物實驗,兩階段實驗各占一半分,以強調(diào)兩者都重要。

      2.擴展模塊:主要是16x32點陣屏顯示、步進電機控制、直流電機控制等模塊,主要是作為在應(yīng)用小項目中未必會用到,但值得訓練的模塊,且只需任選其中一項,考慮到難度和實驗設(shè)備個數(shù)的不足,點陣屏模塊可以只做仿真實驗,其它模塊是先仿真實驗后實物實驗。

      3.基本應(yīng)用模塊:主要是相對簡單但較完整的應(yīng)用小項目,如數(shù)字溫度計的設(shè)計、數(shù)字時鐘的設(shè)計等,也可以是征得老師同意的自定小項目,每個小項目要求有多功能,要先仿真實驗再實物實驗,若應(yīng)用項目功能覆蓋部分基本功能模塊中的功能,認同該功能在基本功能模塊中已實現(xiàn)。

      4.賽前訓練應(yīng)用模塊:主要是針對像“藍橋杯”之類的單片機設(shè)計大賽進行小項目訓練,是基本應(yīng)用模塊的補充,也是為滿足學生參加競賽的訓練需要,要求與基本應(yīng)用模塊相同。

      (四)效果分析

      通過近三年的教學效果來看,采用模塊和項目分級結(jié)合的綜合教學模式,并按子項難度分項給分的計分方式,能對學生的單片機應(yīng)用能力和基本功進行較全面的訓練,同時通過學生的自我選擇與實現(xiàn),形成自然分級,讓不同能力的學生都能得到充分的訓練。從學生課程總結(jié)、交流情況,畢業(yè)班學生反饋的找本專業(yè)崗位工作的適應(yīng)情況,以及班上學生近兩年連續(xù)獲“藍橋杯”單片機設(shè)計比賽省賽第一名的情況來看,教學效果改善明顯。

      五、問題與思考

      課程的教學內(nèi)容和方法沒有最好,只有能與時俱進并適應(yīng)時代發(fā)展的教學內(nèi)容和方法才會更好。下面就課程教學中仍然令人糾結(jié)的兩個問題略加分析,以期在下一步的教學改革中得到解決或驗證。

      (一)專業(yè)的差異

      單片機作為控制開發(fā)的基礎(chǔ)平臺,在電子信息類不同專業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域都有應(yīng)用,但不同專業(yè)具體應(yīng)用的軟硬件平臺和用法存在差異,學生學習的課程體系也有差異,課程訓練內(nèi)容如何適應(yīng)這種差異?目前針對我校學生的學習能力水平和專業(yè)情況,正在嘗試的做法是,單片機原理課程全部以MCS-51單片機為對象,但在原單片機課程設(shè)計環(huán)節(jié)已做了調(diào)整,主要是結(jié)合不同專業(yè)特色課程內(nèi)容進行針對性的綜合性設(shè)計,如物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)改成感知與控制系統(tǒng)綜合設(shè)計,即結(jié)合AT89S5x單片機、基于8051核的增強型單片機CC2530以及各種傳感器進行項目化的訓練。類似地,電子信息工程專業(yè)(嵌入式系統(tǒng)方向)則將單片機與小型嵌入式操作系統(tǒng)相結(jié)合進行綜合設(shè)計等。實際效果待進一步觀察。

      (二)課程基礎(chǔ)與用人單位需求的差異

      學校學的單片機課程是基于傳統(tǒng)的MCS-51單片機,而用人單位用的可能是8051增強型單片機、PIC或AVR類精簡指令集的8位單片機、MSP430類16位的單片機和基于ARMcortex-Mx系列的32位單片機等,帶來一個新的問題是:到底要以什么單片機作為單片機課程的教學平臺?其實,基于8051核的8位單片機也在應(yīng)用中發(fā)展,過去已用了三十六年,未來還會繼續(xù)有自己的位置,關(guān)鍵是學習起來原理簡單、概念清晰、應(yīng)用經(jīng)典、知識的擴展性強,方便進一步學習更復雜的單片機。目前嘗試的解決辦法是,能在綜合性課程設(shè)計環(huán)節(jié)涉及的,可以部分涉及,重點是在培養(yǎng)方案中增加相應(yīng)的后續(xù)選修課程,以及在課外活動、學生項目、學生比賽前的訓練中加以強化。在這些課程的實踐環(huán)節(jié)中,虛擬仿真軟件都能發(fā)揮應(yīng)有的作用。

      六、結(jié)語

      電子信息類專業(yè)開設(shè)的硬件或軟硬件結(jié)合類課程都有實踐性強、需要大量實踐訓練的特點,且不同課程的仿真軟件可以相同或類似,故文中方法也適用于其它硬件類課程。無論是為滿足教學的需要,還是為滿足學生早日適應(yīng)用人單位的實際設(shè)計過程的需要,都應(yīng)借助虛擬仿真軟件進行項目的初步設(shè)計、調(diào)試,通過虛實結(jié)合達到高效學習、開發(fā)的目標,虛擬仿真軟件也是教學改革能依托的一個重要技術(shù)手段。

      [1]牛軍,張宏偉.單片機技術(shù)課程項目驅(qū)動法教學的改革與實踐[J].教育教學論壇,2016,(3):90-91.

      [2]張毅剛,胡瑞強.基于Proteus的單片機課程的教學改革與實踐能力培養(yǎng)[J].教育教學論壇,2012,(5):149-150.

      [3]謝斌盛,謝陳躍.Multisim 10在單片機實驗教學中的應(yīng)用[J].實驗科學與技術(shù),2011,(3):53-55.

      [4]藺玉珂.基于工作過程教學的單片機課程改革研究[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010,(4):5-7.

      [5]金國華等.單片機課程設(shè)計中應(yīng)用能力的分層培養(yǎng)[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2015,(11):81-83.

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