主页 > 技术文章 > 简论单片机课程中单片机实验教学探究 2024-10-09

简论单片机课程中单片机实验教学探究

摘要：单片机的开发与应用、学习将造就一批计算机智能化控制的工程师、科学家。一些中等院校也相继开设了单片机课程设计及相关的课程。在单片机及接口技术课程的教学过程中，实验教学是重要的组成部分。针对单片机课程的教学改革，不断加强单片机课程实验环节，改革教学方法，虚拟仿真实验在单片机教学中的应用，实践表明，该方法有利于激发学生的学习兴趣，培养学生的工程素养和创新能力，提高了教学效果。
　　“单片机原理”是一门理论性、逻辑性、实践性很强的学科，是电类专业一门非常重要的专业基础课，把微机接口部分、汇编语言部分、通信技术部分的知识点等综合在一起，属于逻辑性、工程性、技术性、实践性很强的一门专业基础课。该课程作为电类专业最重要的核心课程之一，它是电类专业高素质技能型人才所需全部自动控制类知识结构的载体，占据着非常重要的位置。
　　然而，传统的单片机教学一般注重课程本身的体系结构和前后的逻辑联系，均以学科体系为出发点，忽略了“可学性”，致使学生学得吃力，老师教得辛苦，教学效果却没有显现出来。
一、研究背景及意义：
　　目前，全国将单片机列入单独的比赛项目，在考查中注重学生的能力培养，学生的技能素养教育成为重中之重，加之社会需求高技能人才，许多学校为了适应社会的发展和市场需求在不同的专业开设了单片机课程，然而单片机课程是一门实践性很强的课程，要想在教学过程中取得很好的效果，就必须要求学生在学习过程中多动手实践，但有的学校教学设备有限，怎样解决这个问题。仿真实验课可以让学生在单片机工作室里做中学，真正玩转单片机，也同时解决了学生学起来枯燥，老师教起来吃力的尴尬局面。
　　目前单片机教学中存在诸多问题。如单片机课程理论为主，实验教学多是进行验证性实验。单片机实验室存在场地和时间限制，学生除了课上，很难有机会接触到所需要的设备，如仿真器、实验板等，个人配备成本太高，个体无法承担。而且实验箱只能验证试验的基本作用和意义，就无从谈起学生动手能力的训练和提升。单片机在当今社会中的应用速度发展迅速，然而单片机教材陈旧，实验设备很容易落后、老化等问题，必然会带来耗资等问题。由此可见，构建成本低廉的单片机仿真实验系统对于单片机教学意义重大。它不仅可以降低实验设备投资，而且能培提高学生的工程素质，养学生的创新精神。在单片机控制系统的设计开发过程中，我们不单要突出设备的自动化程度及智能性，另一方面也要重视控制系统的工作稳定性，否则就无法体现控制系统的优越性。
　　由于单片机控制系统应用系统的工作环境往往是比较恶劣和复杂的，其应用的可靠性、安全性就成为一个非常突出的问题。单片机控制系统应用必须长期稳定、可靠地运行，否则将导致控制误差加大，严重时会使系统失灵，甚至造成巨大的损失。
　　影响单片机控制系统应用的可靠、安全运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电气干扰，以及系统结果设计、元器件选择、安装、制造工艺和外部环境条件等。这些因素对控制系统造成的干扰后果主要表现在下述几个方面。（1）数据采集误差加大。（2）控制状态失灵。（3）数据受干扰发生变化。（4）程序运行失常。
　　由于受到干扰后计数器的值是随机的，因而导致程序混乱。通常的情况是程序将执行一系列毫无意义的指令，最后进入“死循环”，这将使输出严重混乱或系统失灵。
　　随着单片机及其接口技术的飞速发展，目前面对职业教育存在的突出问题：质量能力与规模能力不相适应，教学信息化程度低，古老的填鸭式课堂教学模式仍应用普遍，“双师型”教师队伍建设机制缺乏完善性，科学管理水平和改革创新能力就提到了日程，管理制度不健全，学校基本办学规范不健全，科学的职业教育评价标准和评价机制达不到标准，学生成长的“通道”不畅通。
　　从新的教学要求来看，这类课程仅在课堂上讲授基本原理是不够的，必须在教学中加强实践环节，开出一定数量的高质量的配套实验课活独立的实验课程，让学生有足够的实验机会。那么对于单片机实验教学环境建设就相应提出了高要求。怎样解决这个问题，单片机仿真实验应运而生。
二、“单片机仿真实验”初探：
　　伴随着计算机技术的飞速发展，在各个领域都出现了各种仿真系统，为各种实际系统的开发提供了准确可靠的保证，同时为很多学校、企业等节约了大量的人力和物力。在电子信息技术领域也同样出现了大量的仿真工具，如课堂上用到的各种EDA工具；模数混合仿真的Protel、Multisim等常见的电子应用仿真软件，数字系统设计的Fundation、Maxplus II、Expert等。
　　所谓“仿真”，就是通过开发工具真实地模拟用户系统的运行环境，使用户能够在透明和可控的条件下观察系统运行过程中的状态和结果，仿真实际上也是一种软件和硬件的综合调试手段，它能提高应用系统开发的效率。
　　用通俗的话来描述“单片机仿真实验”就是在一块虚拟电路板上按照真实电路的设计构想放置一些虚拟的元器件，并模拟实际烧ROM的过程链接上程序代码，“接通”电路观察效果，如果不理想的话可以反复修改电路或程序代码，直至符合设计要求为止。
　　仿真实验的好处是显而易见的。在没有仿真实验的年代，每架构一个真实的电路都需要费时费力费钱，稍有不慎还有可能前功尽弃，再加上单片机中的ROM芯片是有擦写次数的，而一段程序可能需要修改擦写多次，无形中减少了ROM芯片的使用寿命。仿真实验是在计算机上进行的（可能会费点儿电），以上问题都不存在，而且就现在的仿真软件来说，仿真出来的电路效果与真实电路一模一样，毫不夸张地说，只要仿真是成功的，就可以直接下工厂的流水线生产了。
三、单片机仿真实验效果：
新课程的核心理念是：“关注每位学生的进步与发展，使每位学生在课堂上都能积极主动地参与交流、参与探索、参与汇报，都能动起来，使每位学生都能进入最近发展区，都能有所收获，具有成功感。”为使这一核心理念能得到有效落实，经过近一段时间的教学实践，逐渐发现单片机仿真实验是一种较为有效的教学手段。不仅解决了学生的只学不练的矛盾，也缓解了部分学校的单片机实训设备建设压力。
首先，学生有浓厚的兴趣。职业学校专业不一样，男女比例天差地别，在上课过程中的反应也不尽相同，但是，由于在仿真实验里所见即所得，同学们学习的热情高涨。仿真实验中减少了实验中实验板，实验内容不能更改的局限性，可以扩展学生的思路和为不同层次的学生提供良好的实验虚拟基地。在教学中，要努力创造适合学生发展的情境，让学生主动发展，关注学生的独特感受，以此培养学生的发散思维。其次，学生可以自行设计实验，锻炼了解决实际工程问题的能力，提高了学生的动手能力。实验能力和设计能力的培养，也是职业学校学生解决实际问题的能力中较为重要的。传统的实验中往往忽略学生的设计能力，只是一个验证的过程，学生学习的理论无法真正应用到实际的工作实践中，有一些学生有些许的遗憾。采用仿真后，采用建设工程的形式将设计理念融合到软件中，投入少，实际问题却能得到验证和推敲，节省了硬件的损耗。再次，硬件投入少，经济优势明显。单片机的课程除了开设8051系列单片机课程之外，还开设AVR系列与MCS51等系列的课程，三菱、西门子等不同系列和型号的单片机。要想保证相应实验的开设，必须要有配套的实验系统而且要保证一定的实验硬件设备套数，那么这将是一笔非常大的经济支出。所以这将使单位和企业面临着很大的经济压力，硬件设备的更新和硬件设备的维护等工作。考虑经济和其他方面的种种因素，引入单片机软件仿真系统，就可以大大降低经济的支出，减少硬件设备的购置，同时也大大降低了对硬件设备维护的工作量。为单位和企业减少了不必要的麻烦和经费，缓解了很大的压力。
　　先通过软件模拟成功后再投入硬件，经济优势明显改善，在传统的实验教学中实验板的投入，接口的投入，系列的不同，仪器的投入等，仅仪器的维护也是非常繁琐的，更何况资金的投入了。因此采用软件仿真，其经济优势很明显。
　　单片机仿真实验的瓶颈之痛。长时间的课程教学之余，总觉得留下了许多遗憾。虽然单片机仿真实验让笔者和学生们获得了一些成功的体验，但久而久之，也产生了一丝厌倦，毕竟假的成不了真的，整天面对着这些毫无生气的电路图，无法接触电路实物的痛苦与日俱增。
　　有鉴于此，兼顾教学设备的投资现实，仪器老化问题及国家对职业教育的投入，在下面两个方面学校可以参考改革。
　　一是改革办学形式。通过“联合办学、合并小的机构、多校共建”等方式推动规模化办学，加强建设，建成规模大、实力强、声誉好的示范学校；组建职教集团，发挥对农村和民族地区薄弱学校及西部的帮扶作用。
　　改革教学形式，积极采取场景教学、案例教学、项目教学、模拟教学等多种教育教学方式，增强教育教学的实效性和教学形式的针对性。
　　改革培养形式，深入推行校企一体、顶岗实习、工学结合；改变单一，强调连续学习，为连续学习和分阶段培养相结合，探索以就业为导向的职业人继续学习模式。
　　创新专业设置。建立专业设置动态调整机制，重点建设面向先进制造业特别是装备制造业、现代服务业、新兴产业的精品专业；加强贴近区域产业、民族艺术、民间工艺等领域的特色专业。
　　二是创新教学环境。重点建设现代化的专业技能性教室，创设功能齐全、校园文化和企业文化都并存的，紧密结合的教学环境，使学生感受到课堂和企业的文化和专业的融合。改革教学形式，建立导向性的学校评价模式和能力性的学生评价模式；努力探索职业教育质量评价的新措施、新途径，引导学生向更高的目标全面发展。
　　创新教学方法，强化实践教学的导向性；更新教学手段，构建自己的网络学习平台，能够支撑随时学习；创设生产实习的模拟现场设置，特别是通过模拟流程、虚拟现实、数字仿真等方式生动直观地展示知识性、技术性和生产服务岗位的可行性。
　　创新教材的应用能力，开发延伸性、补充性的教辅资料；依托企业研发适应新兴产业、新职业和岗位的校本教材；实现多种教材的立体化融合，使学生用发散的思维去思考问题。
　　改革队伍建设，聘用企业工程技术人员、有实践经验的行业专家和社会中的能工巧匠等担任兼职教师；落实教师在职进修和企业实践制度的可行性和有效性，加强专业带头人和骨干教师的培养方向和多元化。
　　改革管理制度，建立多方参与的决策机制和教育教学质量监测机构；创新人事分配制度；完善招生、教学、资助、免费、就业、财务和资产等学校业务管理办法。
　　虚拟仿真实验系统是单片机教学的优秀实验平台，很好地弥补了传统单片机教学的不足，激发了学生的学习积极性与主动性，提高了教学效果，降低了实验成本，是现代计算机技术与先进的教学理论在单片机教学中的应用，有着广泛的应用前景。
通过一段时间的虚拟仿真实验，电子专业的学生学习主动性、认知水平、专业技能等有了明显提高。利用仿真系统，可以节约开发时间和开发成本；利用仿真系统，具有很大的灵活性和可扩展性；减少了成本，也是学校提升实验室建设水平有益的尝试，不必为了比赛换新机型而惶惶然，更不必为时间的局限性，地点的局限性而担忧。有利于促进课程和教学改革，更有利于人才的培养；从经济性、可移植性、可推广性角度讲，建立这样的实验室是非常有意义的。

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