软硬件协同仿真下的单片机课程改革

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摘要：单片机技术是我校电子、电气、计算机等专业的一门与课程设计、工程实践和毕业设计高度相关的技术课程。目前，该门课程的教学模式不能满足社会对应用型人才的需求，急需进行课程改革。文中将软硬件联合仿真引入单片机课堂，采用四步法完成了实践教学的创新，提高了学生参与度与动手实践能力。其全新的考核机制改变了学生原有的认知，全方位地实现了应用型人才的培养。

关键词：单片机；Proteus仿真；教学改革；创新实践；应用能力；理论教学

引言

传统的教学模式是学生在课堂上参与的时间少，学习处于被动状态，导致学生虽然具备深厚的理论知识，却无法将其应用到实际的工作中[1]。虽然近年来强调学生在主动学习中汲取知识，但教学模式中受到大纲、学时、考试方式等因素的约束，填鸭式教学方式仍成为主流的教学形式。实验教学情况通常是预先由教师设计好相应的实验项目，学生按照实验大纲的要求完成规定的实验。这种实验教学方法不利于学生的动手能力、创新能力和综合运用知识能力的培养，同时也不能激发学生的学习兴趣和主观能动性，出现了有的学生不做实验前准备、抄袭他人程序和实验报告的不良现象[2]。因此，迫切需要找到一个全新的单片机原理课程的教学模式，就是将单片机开发试验仪引入到课堂教学中，将其作为学生实践创新能力和个性发展的载体。课堂上通过单片机开发试验仪可以完成老师布置的实践任务，课下可以利用试验仪进行拓展训练，这样可以形成一二课堂良性互动的良好局面[3]。

1软硬件协同仿真的教学方法

为了促进学生的上课积极性，增强学生对电路连接和程序执行结果的感性认识，在教学过程中，本文利用KeilC51和Proteus软件实现软硬件联合仿真[4]。这样，学生经过几个学时的理论学习后，就可以直接进行简单的单片机项目开发。学生可以从经典的流水灯项目做起，立竿见影的结果让学生的参与感、真实感、成就感完美呈现出来，不仅激发了学生的学习兴趣，还极大地开拓了学生动手实践的时间和空间，降低了学习成本，教和学的效果都得到了改善。一段时间后，学生已经不满足于仿真带来的真实感，于是便可以引导学生采用分散学习平台51单片机开发套件来进行项目的开发设计，进行硬件实物制作。

2创新实践教学的方法策略

考虑到目前学生基本都有笔记本电脑，本文提出的创新实践教学把51单片机开发套件每人一套配发给学生使用，就可以为本专业全体学生建起一个分散式可移动自主学习平台，如图1所示。有了该平台学生就可以充分利用宿舍、图书馆、实验室、教室等场地，提高课外零碎时间的学习效率[5]。创新的第一步，是根据普中科技的单片机开发试验仪科学制定并完善课程教学体系，改革教学内容和方法。将教学内容改成一个个项目和模块，将整门课程划分为多个模块，每一模块由多个课题组成，每一课题由一个或多个任务组成。如将最小系统的学习作为一个基本模块，其中包括时钟电路的设计、复位电路的设计、程序存储器的设计。第二个基本模块是学习输入/输出模块。输入模块包括独立式键盘的设计、矩阵式键盘的设计、专用的键盘接口芯片的使用；输出模块包括LED数码管的显示原理、LED点阵显示原理、LCD1602显示原理。第三个基本模块是中断系统的工作原理及应用学习，包括单一中断的学习、中断嵌套的学习。第四个基本模块是定时器/计数器的工作原理及应用，包括定时器的使用和计数器的使用。第五个基本模块是串口工作原理及应用，包括双机通信、多机通信。课程后半部分以启发和拓展学生思路为主，发挥学生想像力，自主设计出功能更复杂和完善的小作品，使他们真正喜欢上单片机，能爱不释手，课下也愿意花时间和精力去做。创新的第二步，是改变原有的课堂教学模式，教师将学生分组，将基础好的学生均分到每一个小组中，三个学生一组，将单片机实验仪交由每个学生使用和保管。课堂上，学生可以先用Proteus软件仿真教师布置的本节课设计任务，也可以直接用单片机实验仪来完成。教师首先把本次课程任务涉及到的基本理论进行简单的讲解，组织学生独立完成设计任务。教师对学生存在的疑问进行实时解答，如果个别学生完成得比较快，则可以进一步要求学生对课堂教学任务电路和程序进行局部修改，以培养学生单片机应用电路和程序的设计方法。此外，也可以让能力强的学生指导本组进度稍慢的学生[6]。如果个别学生没有完成本次任务，可以利用课外时间完成，下一节课上课前教师进行检查。教师每节课记录每名学生完成的情况，作为平时成绩的考核依据。创新的第三步，是对知识点进行整合分类，采取录播和录屏的方式制作微视频讲解知识点，然后利用超星学习平台的学习通布置每节课的微视频，采取任务点的方式对学生进行考核。此外，配合现在的智能手机，无论是学生在实验教学环节还是在课后的实践创新环节，可以随时针对某个具体内容进行针对性学习和反复学习[7]。除此之外，教师可以根据每节课的任务，布置一个课后任务，学生可以通过QQ和微信等网络社交软件和教师互动。慢慢引导学生兴趣，逐步增加难度，完善设计功能，再适时地引入电子设计竞赛的题目，对于完成得比较好的学生，从中选拔一些优秀学生参加全国大学生电子设计竞赛，比如“博创杯”“蓝桥杯”“智能互联”等各类电子竞赛[8]。创新的第四步，是全新的考核机制，即过程考核和期末考核相结合的机制。为保证每个学生实践过程及学习成果的独立性，应特别加强平时督促，即要求学生平时必须认真按照要求，完成阶段性设计任务，并记录成绩，进行过程考核[9]，此部分占总成绩的30%。课程结束时，学生需提交自己设计作品的设计报告，阐述作品的设计思路，并回答教师的提问，此部分占总成绩的30%。期末的理论部分考核占总成绩的40%。任课教师根据以上各项的成绩，再给出学生该课程最终的考核成绩[10]。基于过程和项目的考核见表1所列。

3结语

自本教学项目改革以来，学生获得第十四界“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛分赛比赛一等奖，获得2018年全国大学生“智能互联”创新大赛华北赛区三等奖的喜人成绩。新教学手段的融入，Keil开发环境与Proteus仿真软件的有机结合，课堂上单片机开发仪的引入，都将传统教学模式变成了“以学生为中心，以教师为指导”的新型模式，实现了课程学习与应用能力的同步高速增长。这种模式非常符合特色应用型人才的培养，能培养出企业真正需要的人才。

参考文献

[1]黄莺.基于翻转课堂的单片机原理及接口技术实践教学改革策略研究[J].教育教学论坛，2016，8（48）：152-153.

[2]彭宇兴，余永辉.电子设计竞赛对单片机实验教学改革与创新启示[J].职业教育研究，2009，28（3）：118-119.

[3]滕召胜，唐求，温和，等.单片机口袋实验室在实践教学中的应用[J].实验技术与管理，2017，55（10）：223-225.

[4]乔莉，魏海波.基于翻转课堂和虚拟仿真的单片机教学改革[J].实验技术与管理，2018，56（3）：112-114.

[5]刘艳霞，范同顺，杨清梅，等.单片机类课程创新教学模式改革[J].电气电子教学学报，2017，39（5）：42-45.

[6]王春荣，夏尔冬，熊昌炯，等.应用型本科办学的单片机原理课程改革探索[J].实验室研究与探索，2017，36（12）：237-240.

[7]吕燚，刘伟.微课与工程案例相结合的单片机课程教学改革研究[J].实验科学与技术，2017，15（5）：53-55.

[8]徐静云，李祖欣，蔡志端.基于开放式工程项目化的单片机教学改革与实践[J].湖州师范学院学报，2017，39（6）：60-64.

[9]李志军，张子红，王昊，等.以设计能力为主线的单片机系统教学改革[J].物联网技术，2014，4（10）：86-89.

[10]张子红，王昊，李志军，等.依托实训基地和单片机学习板的单片机课程改革[J].高师理科学刊，2015，35（1）：74-77.

作者：张子红 马鸣霄 李志军 单位：黑龙江科技大学