軟硬件協同仿真下的單片機課程改革
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摘要：單片機技術是我校電子、電氣、計算機等專業的一門與課程設計、工程實踐和畢業設計高度相關的技術課程。目前，該門課程的教學模式不能滿足社會對應用型人才的需求，急需進行課程改革。文中將軟硬件聯合仿真引入單片機課堂，采用四步法完成了實踐教學的創新，提高了學生參與度與動手實踐能力。其全新的考核機制改變了學生原有的認知，全方位地實現了應用型人才的培養。
關鍵詞：單片機；Proteus仿真；教學改革；創新實踐；應用能力；理論教學
引言
傳統的教學模式是學生在課堂上參與的時間少，學習處于被動狀態，導致學生雖然具備深厚的理論知識，卻無法將其應用到實際的工作中[1]。雖然近年來強調學生在主動學習中汲取知識，但教學模式中受到大綱、學時、考試方式等因素的約束，填鴨式教學方式仍成為主流的教學形式。實驗教學情況通常是預先由教師設計好相應的實驗項目，學生按照實驗大綱的要求完成規定的實驗。這種實驗教學方法不利于學生的動手能力、創新能力和綜合運用知識能力的培養，同時也不能激發學生的學習興趣和主觀能動性，出現了有的學生不做實驗前準備、抄襲他人程序和實驗報告的不良現象[2]。因此，迫切需要找到一個全新的單片機原理課程的教學模式，就是將單片機開發試驗儀引入到課堂教學中，將其作為學生實踐創新能力和個性發展的載體。課堂上通過單片機開發試驗儀可以完成老師布置的實踐任務，課下可以利用試驗儀進行拓展訓練，這樣可以形成一二課堂良性互動的良好局面[3]。
為了促進學生的上課積極性，增強學生對電路連接和程序執行結果的感性認識，在教學過程中，本文利用KeilC51和Proteus軟件實現軟硬件聯合仿真[4]。這樣，學生經過幾個學時的理論學習后，就可以直接進行簡單的單片機項目開發。學生可以從經典的流水燈項目做起，立竿見影的結果讓學生的參與感、真實感、成就感完美呈現出來，不僅激發了學生的學習興趣，還極大地開拓了學生動手實踐的時間和空間，降低了學習成本，教和學的效果都得到了改善。一段時間后，學生已經不滿足于仿真帶來的真實感，于是便可以引導學生采用分散學習平臺51單片機開發套件來進行項目的開發設計，進行硬件實物制作。
2創新實踐教學的方法策略
考慮到目前學生基本都有筆記本電腦，本文提出的創新實踐教學把51單片機開發套件每人一套配發給學生使用，就可以為本專業全體學生建起一個分散式可移動自主學習平臺，如圖1所示。有了該平臺學生就可以充分利用宿舍、圖書館、實驗室、教室等場地，提高課外零碎時間的學習效率[5]。創新的第一步，是根據普中科技的單片機開發試驗儀科學制定并完善課程教學體系，改革教學內容和方法。將教學內容改成一個個項目和模塊，將整門課程劃分為多個模塊，每一模塊由多個課題組成，每一課題由一個或多個任務組成。如將最小系統的學習作為一個基本模塊，其中包括時鐘電路的設計、復位電路的設計、程序存儲器的設計。第二個基本模塊是學習輸入/輸出模塊。輸入模塊包括獨立式鍵盤的設計、矩陣式鍵盤的設計、專用的鍵盤接口芯片的使用；輸出模塊包括LED數碼管的顯示原理、LED點陣顯示原理、LCD1602顯示原理。第三個基本模塊是中斷系統的工作原理及應用學習，包括單一中斷的學習、中斷嵌套的學習。第四個基本模塊是定時器/計數器的工作原理及應用，包括定時器的使用和計數器的使用。第五個基本模塊是串口工作原理及應用，包括雙機通信、多機通信。課程后半部分以啟發和拓展學生思路為主，發揮學生想像力，自主設計出功能更復雜和完善的小作品，使他們真正喜歡上單片機，能愛不釋手，課下也愿意花時間和精力去做。創新的第二步，是改變原有的課堂教學模式，教師將學生分組，將基礎好的學生均分到每一個小組中，三個學生一組，將單片機實驗儀交由每個學生使用和保管。課堂上，學生可以先用Proteus軟件仿真教師布置的本節課設計任務，也可以直接用單片機實驗儀來完成。教師首先把本次課程任務涉及到的基本理論進行簡單的講解，組織學生獨立完成設計任務。教師對學生存在的疑問進行實時解答，如果個別學生完成得比較快，則可以進一步要求學生對課堂教學任務電路和程序進行局部修改，以培養學生單片機應用電路和程序的設計方法。此外，也可以讓能力強的學生指導本組進度稍慢的學生[6]。如果個別學生沒有完成本次任務，可以利用課外時間完成，下一節課上課前教師進行檢查。教師每節課記錄每名學生完成的情況，作為平時成績的考核依據。創新的第三步，是對知識點進行整合分類，采取錄播和錄屏的方式制作微視頻講解知識點，然后利用超星學習平臺的學習通布置每節課的微視頻，采取任務點的方式對學生進行考核。此外，配合現在的智能手機，無論是學生在實驗教學環節還是在課后的實踐創新環節，可以隨時針對某個具體內容進行針對性學習和反復學習[7]。除此之外，教師可以根據每節課的任務，布置一個課后任務，學生可以通過QQ和微信等網絡社交軟件和教師互動。慢慢引導學生興趣，逐步增加難度，完善設計功能，再適時地引入電子設計競賽的題目，對于完成得比較好的學生，從中選拔一些優秀學生參加全國大學生電子設計競賽，比如“博創杯”“藍橋杯”“智能互聯”等各類電子競賽[8]。創新的第四步，是全新的考核機制，即過程考核和期末考核相結合的機制。為保證每個學生實踐過程及學習成果的獨立性，應特別加強平時督促，即要求學生平時必須認真按照要求，完成階段性設計任務，并記錄成績，進行過程考核[9]，此部分占總成績的30%。課程結束時，學生需提交自己設計作品的設計報告，闡述作品的設計思路，并回答教師的提問，此部分占總成績的30%。期末的理論部分考核占總成績的40%。任課教師根據以上各項的成績，再給出學生該課程最終的考核成績[10]。基于過程和項目的考核見表1所列。
3結語
自本教學項目改革以來，學生獲得第十四界“博創杯”全國大學生嵌入式設計大賽分賽比賽一等獎，獲得2018年全國大學生“智能互聯”創新大賽華北賽區三等獎的喜人成績。新教學手段的融入，Keil開發環境與Proteus仿真軟件的有機結合，課堂上單片機開發儀的引入，都將傳統教學模式變成了“以學生為中心，以教師為指導”的新型模式，實現了課程學習與應用能力的同步高速增長。這種模式非常符合特色應用型人才的培養，能培養出企業真正需要的人才。
參考文獻
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作者：張子紅 馬鳴霄 李志軍 單位：黑龍江科技大學