《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程實驗教學(xué)改革研究

張鑫+朱丹峰+曾碧新

摘 要： 《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程是一門實踐性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，通過分析該課程實驗教學(xué)現(xiàn)狀，對該課程實驗教學(xué)方法進(jìn)行探討，在實驗項目、實驗教學(xué)模式、實驗教學(xué)環(huán)境及實驗考核方式上進(jìn)行改革研究，具體實施表現(xiàn)為：對實驗項目進(jìn)行分類，改變單一的教學(xué)模式，創(chuàng)造寬松的實驗教學(xué)環(huán)境，引入自我關(guān)注度作為考核依據(jù)。實踐證明，這些改革措施可以增強(qiáng)實驗教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 《單片機(jī)原理與應(yīng)用》 實驗教學(xué)改革 創(chuàng)新性實驗

《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程是一門理論和實驗結(jié)合非常緊密、突出動手能力的課程。實驗教學(xué)是其中一個重要環(huán)節(jié)，既是聯(lián)系理論教學(xué)的橋梁，又是培養(yǎng)學(xué)生實踐、創(chuàng)新能力的重要手段[1-3]。但是在實驗教學(xué)中會出現(xiàn)學(xué)生理論與實驗脫節(jié)、實驗課效果不理想、學(xué)生實驗課積極性不高等問題，因此《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程實驗教學(xué)改革就成為許多學(xué)校非常重視的一項教改課題。

1.《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.1課程自身特點

1.1.1跨越性?！秵纹瑱C(jī)原理與應(yīng)用》課程是一門軟硬件相結(jié)合、強(qiáng)調(diào)實踐性和應(yīng)用性的課程。學(xué)習(xí)這門課程的學(xué)生需要經(jīng)歷從電子技術(shù)基礎(chǔ)、電路原理、C語言編程等基礎(chǔ)知識向以微處理器為核心、通過軟件編程來實現(xiàn)系統(tǒng)功能的思想轉(zhuǎn)變過程，這種思想跨越轉(zhuǎn)變過程對初次接觸該課程的學(xué)生來講具有一定難度。

1.1.2橋梁性。《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程是后續(xù)嵌入式系統(tǒng)課程、DSP課程、EDA課程及畢業(yè)設(shè)計等的基礎(chǔ)，具有課程橋梁的重要作用。

1.1.3綜合性及抽象性?！秵纹瑱C(jī)原理與應(yīng)用》課程涉及的內(nèi)容較廣泛，包括單片機(jī)的硬件組成和功能、軟件編程思想、匯編語言的語句及結(jié)構(gòu)等。并且軟件編程涉及的匯編語言需要和硬件的配置情況有關(guān)，內(nèi)容抽象，不易理解。

由于該課程具有自身特性，因此需要教師在實驗教學(xué)中進(jìn)行改革嘗試，幫助學(xué)生更好地適應(yīng)學(xué)習(xí)這一類課程的方法，增強(qiáng)學(xué)生對該課程的理解性，從而提高他們的實際操作及應(yīng)用能力。

1.2學(xué)生對課程的切身感受及認(rèn)識

通過調(diào)研得知，相當(dāng)一部分學(xué)生渴望將這門課程更好地融于自己的專業(yè)發(fā)展中，牢固掌握課程基本理論和實踐知識。調(diào)研結(jié)果表明，問題主要集中在兩個方面：（1）在學(xué)習(xí)該課程之初，學(xué)生在沒有大量實驗操作機(jī)會的情況下，表現(xiàn)出的是對程序的編寫問題及對整個課程的困惑，大部分學(xué)生對該課程主要應(yīng)用在哪里沒有概念。（2）對于給予大量實驗操作機(jī)會的學(xué)生，他們表現(xiàn)出對單片機(jī)的極大興趣，他們的問題主要集中為：如何設(shè)計具有較好功能的源程序，源程序結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，硬件搭建的合理性等。

因此，良好的實驗教學(xué)可以幫助學(xué)生理解課程內(nèi)容，掌握核心知識，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率。

1.3實驗教學(xué)中出現(xiàn)的待解決問題

1.3.1實驗項目內(nèi)容設(shè)置不夠完善，不利于調(diào)動學(xué)生的實驗積極性。各個實驗項目獨立性強(qiáng)，幾乎沒有考慮知識的前后貫穿和最后應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計，這容易使學(xué)生學(xué)了后面的忘了前面的，自己設(shè)計簡單的應(yīng)用系統(tǒng)更是無從下手，非常不利于培養(yǎng)學(xué)生的實驗積極性。

1.3.2教學(xué)模式單一，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)偏重于驗證性與演示性實驗[4-6]。學(xué)生在實驗過程中按實驗講義逐步進(jìn)行，分析思考問題的機(jī)會比較少，只是機(jī)械化地驗證實驗內(nèi)容。學(xué)生的注意力主要集中在編程及調(diào)試上，忽略了實驗電路原理的重要性。不清楚系統(tǒng)設(shè)計流程，當(dāng)需要自行設(shè)計系統(tǒng)時，學(xué)生就會感覺困難無從下手。實驗教學(xué)沒能起到真正推動學(xué)生對單片機(jī)原理、模擬電路、數(shù)字電路等理論知識理解的作用。單一的實驗教學(xué)模式制約對學(xué)生創(chuàng)新能力及分析解決實際問題能力的培養(yǎng)，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，影響教學(xué)效果。

1.3.3學(xué)生實驗中實際發(fā)揮空間有限。在實踐教學(xué)中，教師經(jīng)常把主要的實驗步驟、程序代碼都提供給學(xué)生，造成實驗教學(xué)中學(xué)生動手機(jī)會少、思考不全面、發(fā)揮空間有限的缺點。

2.《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程實驗教學(xué)改革研究

針對《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程實驗教學(xué)現(xiàn)狀，對該課程實驗教學(xué)方法進(jìn)行探討，在實驗項目、實驗教學(xué)模式、實驗教學(xué)環(huán)境及實驗考核方式上進(jìn)行改革研究，以提高該課程的實驗教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)生的課程實驗、課程實訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計及相關(guān)實踐提供優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)。該課程實驗教學(xué)改革方法的研究對提高實驗課堂教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)人才培養(yǎng)和就業(yè)都有著深遠(yuǎn)的影響。

2.1實驗項目改革研究

《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程比較側(cè)重于學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，所以針對該課程的實驗項目很多，那么如何根據(jù)本學(xué)校的學(xué)生層次及特點進(jìn)行實驗項目的分類是改革中需要研究和分析的問題。筆者以溫州醫(yī)科大學(xué)實際授課實例為例進(jìn)行闡述。溫州醫(yī)科大學(xué)針對生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)和電子信息工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)該課程。針對學(xué)生的專業(yè)特點及實驗學(xué)時的安排，將實驗項目教學(xué)內(nèi)容分成四部分，可以根據(jù)各專業(yè)學(xué)生層次特點選擇合適的實驗項目。具體實施方法為：

第一部分為軟件模擬實驗，主要目的是熟悉Keil軟件、Proteus軟件等的操作及匯編語言指令的熟練應(yīng)用，讓學(xué)生對整個操作軟件的使用及匯編語言的使用有一個全面了解，為以后的實驗打下堅實的基礎(chǔ)。針對軟件模擬實驗，主要開設(shè)的實驗項目包括兩類：基礎(chǔ)類實驗及綜合應(yīng)用類實驗。基礎(chǔ)類實驗主要包括數(shù)據(jù)傳送實驗、拆字和拼字實驗、數(shù)據(jù)加法實驗、查表實驗等；綜合應(yīng)用類實驗主要包括模擬交通燈、投籃計分及病房呼叫模擬實驗等。

第二部分為基本端口實驗，主要目的是讓學(xué)生認(rèn)識單片機(jī)系統(tǒng)的基本硬件。實驗項目主要有端口輸出實驗、定時計數(shù)器實驗、按鍵中斷實驗、A/D轉(zhuǎn)換實驗、多位數(shù)碼管顯示實驗、串口通信實驗等。

第三部分為綜合設(shè)計性實驗，目的是幫助學(xué)生全面掌握所學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生綜合運用知識的能力。主要有用定時器設(shè)計時鐘實驗、鍵盤結(jié)合LCD液晶顯示實驗、利用外部中斷設(shè)計流水燈實驗、溫度檢測實驗等。

第四部分為創(chuàng)新性實驗，主要針對那些對單片機(jī)有興趣的學(xué)生，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力、動手能力和解決實際問題的能力等，該部分實驗在課下進(jìn)行，可結(jié)合教師的科研項目和各類大學(xué)生電子設(shè)計大賽，如教師科研課題中的控制系統(tǒng)及大學(xué)生電子設(shè)計競賽、智能車設(shè)計大賽、機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計大賽等。

2.2實驗教學(xué)模式改革研究

《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程實驗教學(xué)模式改革中將PBL教學(xué)法與TBL教學(xué)法相結(jié)合，針對該門課程授課學(xué)生專業(yè)不同，將實驗分成三個層次：基本實驗、綜合實驗和自選實驗。針對不同層次實驗各自特點和難易程度進(jìn)行教學(xué)方法的選擇和綜合應(yīng)用。

2.2.1基本實驗主要考核學(xué)生基礎(chǔ)知識的掌握，內(nèi)容較為簡單，可以只采用PBL教學(xué)法。教師只需要給出實驗設(shè)計的問題，由學(xué)生獨立完成，不需要進(jìn)行分組，培養(yǎng)學(xué)生的自主動手能力。

2.2.2綜合實驗不再是單一的知識點、單一的學(xué)科，考核的知識可能是跨學(xué)科多個知識點，教師只需給出實驗的要求和技術(shù)指標(biāo)，學(xué)生自主選擇決定學(xué)習(xí)哪些知識解決問題，體現(xiàn)典型的PBL教學(xué)法的應(yīng)用優(yōu)勢。具體實驗過程中主要采用分組討論，單人完成或按組匯報兩種方式。

2.2.3自選實驗在三個實驗層次是難度最高的，學(xué)生幾乎不可能單獨完成，同時教師要給予一定的指導(dǎo)，給出明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)及知識點，適合采用TBL教學(xué)法分組討論，按組匯報。設(shè)計性實驗往往都是給出一個需要解決的實際問題，實施方法不是唯一的，這是PBL教學(xué)法應(yīng)用最適合的情況。因此，對于設(shè)計性實驗最好采用兩種方法綜合應(yīng)用。

2.3實驗教學(xué)環(huán)境的改革研究

根據(jù)學(xué)生的實際情況和要求，為學(xué)生創(chuàng)造寬松的實驗環(huán)境。

2.3.1對學(xué)生實驗中用到的硬件實驗仿真平臺可以根據(jù)學(xué)生的特點及基礎(chǔ)進(jìn)行針對性選擇及操作。對于大多數(shù)學(xué)生，可以選用基礎(chǔ)開發(fā)板與仿真器的硬件仿真平臺在實驗課堂中完成相應(yīng)的實驗項目設(shè)計，對于能力較強(qiáng)的學(xué)生，可以鼓勵學(xué)生自己做單片機(jī)最小系統(tǒng)板或者選用高級開發(fā)板與仿真器結(jié)合的硬件仿真平臺，對于積極性較高的學(xué)生，可以建議大家在實驗課業(yè)余時間選用開發(fā)板自己燒寫程序在實驗課堂之外對實驗感興趣的內(nèi)容進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)，為學(xué)生創(chuàng)造寬松的實驗環(huán)境，使學(xué)生可以不拘束于課上時間進(jìn)行實驗。

2.3.2對于軟件仿真平臺，學(xué)生可以用匯編語言完成簡單程序的設(shè)計，能夠用C51語言完成簡單和復(fù)雜程序的設(shè)計，學(xué)生的前序課程中學(xué)過C語言，這樣大大降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，同時學(xué)生從對比中加深對匯編語言和C51語言的理解。

2.4實驗考核方式改革研究

傳統(tǒng)的單片機(jī)實驗課程不單獨考核，評價方式主要以實驗報告為依據(jù)。這種評價方式使學(xué)生對實驗教學(xué)環(huán)節(jié)不重視，很難調(diào)動起學(xué)生在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中的積極性。本次改革項目將實驗考核方式分為四個部分：把學(xué)生每次實驗課堂的態(tài)度及積極操作的自我關(guān)注程度作為實驗平時成績的考核依據(jù)，占實驗成績的20%；平時實驗報告占實驗成績的20%；綜合實驗項目考核占實驗成績的50%；自選實驗項目占實驗成績的10%。

3.結(jié)語

為了提高《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程的實驗教學(xué)質(zhì)量，給學(xué)生的課程實驗、課程實訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計及相關(guān)實踐提供優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)，提高學(xué)生的實際應(yīng)用和創(chuàng)新能力，本課題結(jié)合學(xué)校各專業(yè)學(xué)生實驗教學(xué)的實際情況，對該課程實驗教學(xué)方面的教學(xué)方法進(jìn)行探討與改革。經(jīng)在實際實驗教學(xué)中的改革實踐表明，通過對實驗項目的合理設(shè)計，可以培養(yǎng)學(xué)生的實驗積極性和主觀能動性。通過對實驗教學(xué)模式的改革，激發(fā)學(xué)生的實驗興趣。通過對實驗教學(xué)環(huán)境的改造及考核方式的改變，可以引導(dǎo)學(xué)生重視自身實驗技能的培養(yǎng)。從本校學(xué)生畢業(yè)設(shè)計過程及實習(xí)過程中可以看出，學(xué)生在實際工程應(yīng)用項目的開發(fā)數(shù)量和質(zhì)量都有較大程度的提高。隨著實驗教學(xué)改革的不斷深入和完善，該課程會取得更良好的實驗教學(xué)效果，使學(xué)生的綜合設(shè)計能力及創(chuàng)新能力有明顯的提高。

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