主頁 > 技術（shù）文章 > 簡論單片機課程中單（dān）片機實驗教學探究（jiū）2024-10-09

簡論單片機課程中單片機（jī）實驗教（jiāo）學（xué）探究（jiū）

摘（zhāi）要：單片機的（de）開發與應用、學習將造就一批計（jì）算機智能化控製的工程師（shī）、科學家。一些（xiē）中等院校也相繼開設了單片（piàn）機課程設計及（jí）相關的課程。在單片機及接口技術課程的教學過程中（zhōng），實（shí）驗教學是重要的組成部分。針對單片機課程的教學改革，不斷加強（qiáng）單片機課程實驗環節，改革教學方法，虛擬仿真（zhēn）實驗在單片機教學中的應（yīng）用，實踐表明，該方法有利於激發學生的學習興趣，培養學（xué）生的工程素養和創（chuàng）新能力，提高了教（jiāo）學效果。
　　“單片機原理”是一門理論性、邏輯性、實踐性很強的學科，是電類專業（yè）一門非常重要的專業基礎（chǔ）課，把微機接口部（bù）分、匯編語言部（bù）分、通信技術部分的知識點等綜合在一起，屬於邏輯性（xìng）、工程性、技術性、實踐性很強的一門專業基礎課。該課程作為電類專業最重要的核心課程之（zhī）一，它是電類專業高素質技能型人才所需全部（bù）自動控製類（lèi）知識結構的載體，占據著非常重要（yào）的位置。
　　然而，傳統的單片機教學一般注重課程本身的體係結構（gòu）和前後的邏輯聯係，均以學科體係為出發點，忽略了“可（kě）學性”，致使學生學得吃力，老師教得辛苦，教學效果卻（què）沒有顯現出來。
一、研究背景及意義：
　　目前，全國（guó）將單片機列入單獨的比賽項目，在考查中注重學生的能力培養，學生的技（jì）能（néng）素養教育成為重中之重，加（jiā）之社會需求高技能人才，許多學校為了適應社會的發展和市場需求在不同的專業開設了（le）單片機課程，然而單片機課程是一門實踐性很強的課程，要想在（zài）教（jiāo）學過程中取（qǔ）得很好的效果，就必須要求（qiú）學生在學習過程中多動手實（shí）踐，但有的學（xué）校教學設備（bèi）有限，怎（zěn）樣解（jiě）決這個問題。仿真實驗課可（kě）以讓學生在單（dān）片機工作室裏做中學（xué），真正（zhèng）玩轉單（dān）片機，也同時解（jiě）決了學生學起來枯燥，老師教起來吃力（lì）的尷尬局麵。
　　目前單片機教學（xué）中（zhōng）存在諸多問題。如單片機課程理論為（wéi）主，實驗教學多是進行驗證性實驗。單片機實驗室存在場地和時（shí）間限製，學（xué）生除了課上，很難有機（jī）會接觸到所需要的設備，如（rú）仿真器、實驗板等，個人配備（bèi）成本太高，個體無法承擔。而且實驗箱隻能驗證試驗的（de）基本作用和意義，就無從談起學生動手能力的訓練和提（tí）升。單片機在當今社會中的應用速度發展迅速，然而單片機教材陳舊，實驗設備很容易落後、老化等（děng）問題，必然會（huì）帶來耗資等問題。由此可見，構建成本低廉的單片機仿真實驗係統對於單片機教學意義重大。它不僅可以降低實驗設備投資，而且能培提高學生（shēng）的工程素質，養學生的創新精（jīng）神。在單片機控製（zhì）係統的設計開發過程中，我們（men）不單要（yào）突出設備的自動化程度及智能性，另一方麵也要重視（shì）控製係統的工作穩（wěn）定性，否則就無法體現控製係統的優越性。
　　由於單片機控製係統應用係統的工作環境往往是比較惡劣和複雜的，其應用的可靠性、安（ān）全性就（jiù）成為一個非常突出的問題。單片（piàn）機控製係統應用必須長期穩定、可靠地運行，否則將導致控製誤差加（jiā）大，嚴重時會使係統失靈，甚至造（zào）成（chéng）巨大（dà）的損失（shī）。
　　影響單片機控製係統應用的可靠、安全（quán）運行的主要因素是來自係統內部和外部的各種電氣幹（gàn）擾，以及係統結果設計、元器件選擇、安（ān）裝（zhuāng）、製造工藝和外部環境（jìng）條件等。這些因素對控製係統造成的（de）幹擾後果主要表現在下述幾個（gè）方麵。（1）數據采集誤差加大。（2）控製狀態（tài）失靈。（3）數據受幹擾發生變化。（4）程序（xù）運行（háng）失常。
　　由於受到（dào）幹（gàn）擾後計數器的值是隨機（jī）的，因而導致（zhì）程序混亂。通常的情況是程序將（jiāng）執行一係列毫無意義的指令，最後（hòu）進入“死循環”，這將使輸出嚴重混亂或係統失靈。
　　隨著單片（piàn）機及其（qí）接口技（jì）術的飛速發展，目前麵對（duì）職業教育存在的突出問題：質量（liàng）能力（lì）與規模能力（lì）不相適應，教學（xué）信息化程度低，古老的填鴨式課堂教學模（mó）式仍應用普遍，“雙師型”教師（shī）隊伍（wǔ）建設機製缺乏完善性，科學管理（lǐ）水（shuǐ）平和改革（gé）創（chuàng）新（xīn）能力就提到了日程（chéng），管理製度不健全（quán），學校基（jī）本辦學規範不健全，科學的（de）職（zhí）業教育（yù）評價標準和評價機製達不到標（biāo）準，學生成長的“通道”不暢通（tōng）。
　　從（cóng）新的（de）教學要求（qiú）來看，這類課（kè）程僅在課堂上講授基本原理是（shì）不夠的，必須在教學中加強實踐環節，開（kāi）出一定數量的高質量（liàng）的配套實驗課活獨立的實驗課程，讓學生有（yǒu）足夠的實（shí）驗機會。那麽對於單片機實驗教學（xué）環境建設就相應提出了高要（yào）求。怎樣解決這個問題，單片機仿真實驗應運而（ér）生。
二、“單（dān）片機仿真實驗”初探：
　　伴隨著（zhe）計（jì）算機技術的飛速發展，在各（gè）個領域都出（chū）現（xiàn）了各種仿真係統，為各種實際係統的開發提供了（le）準確可靠的保證，同時為很多學（xué）校、企業等節約了大量的人力和物力（lì）。在電子信息技（jì）術領域也同樣出現了大量的仿真工具，如課堂上用到的各種EDA工具（jù）；模數混合仿真的Protel、Multisim等常見的電子應用仿真軟件，數字（zì）係統設計的Fundation、Maxplus II、Expert等。
　　所謂（wèi）“仿真”，就是通（tōng）過開發（fā）工具真實地模擬用戶係統的運行環境，使用戶能夠在透明和（hé）可控的條件（jiàn）下觀察係（xì）統運行過程中的狀（zhuàng）態和結果，仿真實際上（shàng）也是一種軟件（jiàn）和硬件的綜合調試手段，它能（néng）提高應用係統開發的效率。
　　用通俗的話（huà）來描述“單片機仿真實驗”就是在一塊虛擬電路板上按照真實電路的設計構想放置一些（xiē）虛（xū）擬的元器件，並模擬實際燒ROM的過程鏈接上（shàng）程序代碼，“接通”電路觀察效果，如果不理想的話可以反複修改電路或程（chéng）序代碼，直至符合（hé）設計要求為止。
　　仿真實驗的好處（chù）是顯（xiǎn）而易見的。在沒有仿真實驗的年代，每架構（gòu）一個真實的電（diàn）路都需要費時費力（lì）費錢，稍有不（bú）慎還有可能前（qián）功盡棄，再加上單片機（jī）中的ROM芯片是有擦寫次數的，而一段程序可能需要（yào）修改擦（cā）寫多次，無形（xíng）中減少（shǎo）了ROM芯片的使用壽命（mìng）。仿真實驗是在計算機上進行的（可能會費點兒電），以（yǐ）上問題都不存在（zài），而且就現在（zài）的仿真軟（ruǎn）件（jiàn）來說，仿真出來的電路（lù）效果與真（zhēn）實電（diàn）路一模一樣，毫不誇張地（dì）說，隻要仿真是成功的，就可以直接下工（gōng）廠的流水線生產了。
三、單片機仿真實驗（yàn）效（xiào）果（guǒ）：
新課程的核（hé）心理念是：“關注每位學（xué）生的進步與發展（zhǎn），使每位學生在課堂上都能積極主動（dòng）地參與交流、參（cān）與（yǔ）探（tàn）索、參與（yǔ）匯報，都（dōu）能動起來，使每位學（xué）生都（dōu）能（néng）進（jìn）入最近發展區，都能有所收獲，具有成功感。”為使這一核心理念（niàn）能得到有效落實，經過近一段時間（jiān）的教學實踐，逐漸發現單（dān）片機（jī）仿真實驗是一種較為有效的教學手段。不僅（jǐn）解決了學生的隻學不練的矛盾，也緩解了部分學校（xiào）的單片機實訓設（shè）備建設壓力。
首先，學生有濃（nóng）厚的興趣。職業學校專業不一樣，男女比例天差地別，在上課過程中的反應也不盡相同（tóng），但（dàn）是，由於在（zài）仿真實驗裏所見即所得，同學（xué）們學習的熱（rè）情高漲。仿真實驗中減少了實驗中實驗板，實驗內容不能更改的局限性，可以擴展學生的思路和為不同層次的學生提供良好的實驗虛擬基地。在教（jiāo）學中，要努力（lì）創造適合學生發展的情境，讓學生主（zhǔ）動發展，關注學生（shēng）的獨特感受，以此培養學生的發散思維。其次，學生可以自行設計實驗，鍛煉了（le）解決實際工程問題的能力，提高了學生的動手能力。實驗能力和設計能力的培（péi）養，也是職業學校學（xué）生解決實際問題（tí）的能力中較為重要的。傳統的實驗中（zhōng）往往忽略學生（shēng）的設（shè）計能力，隻是一個驗證的過（guò）程，學生（shēng）學習的理論無法真正應用到實際的工作實踐中，有一些學生有些許的遺憾。采用仿真後，采用建（jiàn）設工程的形式將設計理念融合到軟（ruǎn）件中，投（tóu）入少，實際問題卻能得到驗證和推敲，節省了硬（yìng）件的損耗。再次，硬件投入少，經（jīng）濟優勢明顯。單片機的課程除了開設8051係列單片機課（kè）程之外，還開（kāi）設AVR係（xì）列與MCS51等（děng）係列的課程，三菱、西（xī）門子等不同係列和型（xíng）號的單片機。要想保證（zhèng）相應實驗的開設，必須要（yào）有配套的實驗係統而且（qiě）要保證一定的實驗硬件設備套數，那麽這將是一筆非常大的經濟支出。所以這將使單位和企業麵臨著很大的經濟壓（yā）力，硬（yìng）件設備的更新和硬件設備（bèi）的維護等（děng）工作。考慮經濟和其他（tā）方麵的（de）種種因素，引入單片機軟件仿真係統，就可以大大降低經（jīng）濟的（de）支出，減少硬件設備的購置，同時也大大降低了對硬件設（shè）備維護的工作量（liàng）。為單位和企業減（jiǎn）少了不必要的麻煩和經費，緩解了很（hěn）大的壓力。
　　先通過軟件模擬成功後再投入硬件，經濟優勢明顯改善，在傳統（tǒng）的實驗教學中實（shí）驗（yàn）板（bǎn）的投入，接口的投（tóu）入（rù），係列（liè）的不同，儀器的投入等，僅儀器的維護也是非常（cháng）繁瑣（suǒ）的，更何況資金的投入了。因此采用（yòng）軟件仿真，其經濟優勢（shì）很明（míng）顯。
　　單片機仿真實驗的瓶頸之痛。長時間的課程教學（xué）之餘，總（zǒng）覺得留下了許多遺憾（hàn）。雖然單片機仿真實驗（yàn）讓筆者（zhě）和學生們（men）獲得了（le）一些成功的體驗，但久而久之，也（yě）產生了一絲厭倦，畢竟假的成不了真的，整天麵對著這些毫無生氣的電路圖，無法（fǎ）接觸電路實物的痛苦與日俱增。
　　有鑒於此，兼顧教學設備的投資現實，儀器老化問題及國家對職業教育的投入，在下麵兩個方麵學校可以參考改革（gé）。
　　一是改革辦學形式。通過“聯合辦學、合並小的機構、多校共建（jiàn）”等方式推動規模化辦學，加強建設，建成規模大、實力強、聲譽好的示範學校；組建職教集團（tuán），發揮對農村和民族地區薄弱學校及西部（bù）的幫扶作用。
　　改革教（jiāo）學形式（shì），積極采取場景教學、案（àn）例教學、項目教學、模擬教學等多（duō）種（zhǒng）教育教（jiāo）學方式，增強教育教學的實效（xiào）性和教學形式（shì）的針對性。
　　改革（gé）培養形式，深入推行校企一體、頂崗實習、工學結合；改變單一，強調連續學習，為（wéi）連續學習和分（fèn）階段培養相結合，探索以就業為導向的職業（yè）人繼續學習（xí）模式。
　　創（chuàng）新專業設置。建立專業設（shè）置動態調整（zhěng）機製，重點建設（shè）麵向先進（jìn）製造業特別是裝備製造業、現代服務業、新興產業的精（jīng）品專業；加強貼近區（qū）域產業、民族藝術、民間工藝等領域的特色專業。
　　二是創（chuàng）新教學環（huán）境。重點建設現代化的專業技能性教室，創（chuàng）設功能齊全（quán）、校園文化和（hé）企業文化（huà）都並存的（de），緊密結合的教學環境，使（shǐ）學生感受到課堂（táng）和企業的文化和專業的融（róng）合（hé）。改革教學形式，建立導向性的學校評價模式和能力性的學生評價模式；努力探索職業教（jiāo）育質量評價的新措施、新途徑，引導學生向更高的目標全麵發展。
　　創（chuàng）新教學方法，強化（huà）實踐教學（xué）的導向性；更新教學手段，構建自己的網（wǎng）絡學習平台，能夠支撐隨（suí）時學習；創設生產實習的模擬現場設置，特別（bié）是通過模擬流程、虛擬現實、數字仿真等方式生動（dòng）直觀地（dì）展示知識性、技術性和生產服務崗位的可行性。
　　創新教材的應（yīng）用能（néng）力，開（kāi）發延（yán）伸性、補充性（xìng）的教輔（fǔ）資料；依托企業研發適應新興產業、新職業和崗位的校本教（jiāo）材；實現多種教材的立體化融合，使學生用發散的思維去思考問題。
　　改革隊伍建設，聘用企業工（gōng）程技術人員、有實踐經驗的行業專家和社會中的能工巧匠（jiàng）等擔（dān）任兼職教師；落實教師在（zài）職進修和企業實踐（jiàn）製度（dù）的可行（háng）性（xìng）和有效性，加（jiā）強專業帶頭人和骨幹教師的培養方向和多元化。
　　改革管理製度，建立多方參與的決策機製和教育（yù）教學質量監測機構（gòu）；創新人（rén）事分配（pèi）製度；完（wán）善招（zhāo）生、教學、資助、免費、就業、財務和資產等學校業務管理辦法。
　　虛（xū）擬仿真（zhēn）實驗係統是單片機教學的優秀（xiù）實驗（yàn）平台，很好地彌補了傳統單片機（jī）教學（xué）的不足，激發了學生的學習積極性與主動性，提高了教學（xué）效果，降低了實驗（yàn）成本，是現代計算機技術與先進的教學理論在單片機教學中的應用，有著廣泛的（de）應用前景。
通過一段時（shí）間（jiān）的虛擬（nǐ）仿真（zhēn）實驗，電子專業（yè）的學生學習主動性、認知水平（píng）、專業技能（néng）等有了明顯提高。利（lì）用仿真係統，可以節約開發時間和開發成本（běn）；利用仿真（zhēn）係統，具有（yǒu）很大的靈活性（xìng）和可擴（kuò）展性；減少了成本，也是學校提升實驗室建設水平有益的嚐試，不必為（wéi）了（le）比賽換（huàn）新機型而（ér）惶惶然，更不必為時間的局限性，地點的局限性而擔憂。有利於促進課程和教學改革，更有利於人才的培養；從經濟性、可移植性、可推廣（guǎng）性（xìng）角度講（jiǎng），建立這樣的實驗室是（shì）非常有意義（yì）的。

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