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作者:admin 更新时间:2018年10月07日 09:08:41

  摘要:介绍我校贯彻“培养应用型人才”指导思想,在单片机课程中进行的教学改革,包括明确单片机课程地位、优化知识模块、重构课程体系、完善教学手段等措施。探讨了单片机教学中存在的机型选择、考核模式、实验设备等共性问题。实践证明教学改革取得了较好的效果。


  关键词:单片机;应用型人才;教学改革;


  作者简介:朱敏杰(1980-),男,浙江绍兴人,硕士,讲师,电子信息与科学实验中心主任,研究方向为嵌入式系统,智能仪器仪表。


  0引言


  单片机原理课程是高校电类专业的必修课,单片机强调应用性和实践性,是电类学生就业的必备技能之一,而单片机开发能力也往往成为许多公司招聘电类专业学生的衡量标准[1]。但是,单片机教学往往存在教学内容、考核方式与实际应用脱节、学生成绩不能真实反映开发能力等问题。改革单片机教学,并以此为切入点全面提高实践能力,是培养应用型人才的必由之路。


  1明确教学内容


  1.1定位课程


  从应用角度来说,具备单片机开发能力,仅仅学习单片机是远远不够的。因为单片机只是电子系统的控制器,而单片机外围芯片扩展、电路板设计、传感器、信号采集调理、控制对象及控制策略等都是单片机应用的必备知识[2]。学生反映“单片机难学”,其实更多的时候是指单片机应用的相关知识面太广,重点太难抓。在教学实践中,为了明确主次,笔者将单片机应用的知识面划分为3个模块[3-4]:前导模块、核心模块、扩展模块,3个模块层层递进,如图1所示。单片机原理属于核心模块的最主要课程,是简单电子线路设计迈向复杂电子系统乃至整机系统设计的必由之路,是由课程设计过渡到毕业设计、学生科研、学科竞赛直至毕业后从事技术研发的关键节点。另一方面,单片机原理又不同于自动控制原理等课程,不能脱离整个单片机应用体系而独立存在,这就要求教师在授课过程中,常常从系统的角度教授知识点和实践技能,提醒学生知识面的内在联系,从而使学生了解,单片机到底有什么用?怎么用?而不是单纯地应付考试,被动地接受。


  1.2选择机型


  目前,单片机市场百花齐放。传统的51系列单片机在我国已有30年的教学、应用积累。而RISC(精简指令集)架构的AVR单片机、PIC单片机也得到非常广泛的应用。此外,MSP430系列单片机、凌阳和瑞萨等公司的系列单片机借助低功耗或多功能的优势,也呈现迅速增长的趋势[5]。在32位机市场,ARM架构处理器迅速成为热点,特别是近年推出的ARMCM3架构处理器,以其高性价比的优势正在取代原有8位机的市场地位。


  面对迅速更新的技术和市场需求,有不少公司呼吁高校单片机直接学习ARM处理器,并加入实时操作系统的移植,也有不少的学生困惑“为什么还要学51?”,然而笔者认为,51单片机在今后一段时间内,还应该是单片机教学的主力机型。首先,51单片机是经典微处理器,同时也是最容易学习的一款,各种教材、参考资料、实验设备最为齐全,教师的实用经验也最为丰富。其次,51单片机“麻雀虽小、五脏俱全”,具有微控制器所必备的功能模块、开发模式,学好51,并以此为基础,学习其他控制器,可以事半功倍,容易上手,反之,如果盲目追求高性能处理器,学生此时虽具备了一定电子线路和编程语言方面的知识,但对基于微处理器的开发还是一片空白,直接接触复杂控制器,往往很难接受。另一方面,51系列单片机借助广泛的工程应用背景和众多公司的不断改进仍然具有强大的生命力[5]。


  笔者在教学中采用51内核而不是以某款具体型号进行理论教学,在实践环节中再让学生接触具体的一款51处理器,注意讲解单片机应用的共性技巧,同时以讲座形式介绍其他主流微控制器,并配以一定的演示实验,可以使学生打下一个单片机应用的良好基础,做到“授人以渔”[6]。


  1.3优化模块


  在教学中笔者发现:不少学生学习51单片机缺乏前后知识点的联系,只是机械地按教材章节预习复习,殊不知,单片机是一门面向应用的课程,前后知识点融会贯通后,才能对单片机的应用得心应手。有鉴于此,我们打破教材章节的桎梏,对知识模块进行了优化,分为单片机概述、单片机硬件结构和编程语言、单片机基本内设、单片机接口扩展与片上外设、单片机系统的设计开发5个模块[7]。


  单片机概述模块不涉及具体应用,介绍单片机的概念,分类,市场的主流单片机等。单片机的内部结构包括单片机引脚、CPU、存储器体系结构等知识,编程语言包括汇编语言、C51等。特别注意将单片机的硬件结构和编程语言组合在一起学习,相互促进,使学生掌握单片机的硬件动作需要各种指令来控制,这也是微控制器与纯数字电路最大的区别,同样,单片机的指令执行时,内部电路都会有相应的动作,深刻体会“硬件编程”的特色,避免学生出现“汇编语言不会编”的尴尬。等学生已基本掌握汇编语言后,用2课时介绍C51,并以典型实例使学生体会C51的优势。单片机的基本内设主要是中断系统、定时计数器、串行口,这是单片机最基本的内部功能部件。单片机接口扩展包括存储器和I/O扩展,教材一般会安排SRAM和E2PROM、8255和8155的扩展。本模块教学可“强调方法,弱化芯片”,SRAM和E2PROM扩展应掌握并行接口扩展的一般方法,而不应强调具体存储器芯片的应用。8255和8155的扩展应重视外部可编程芯片的命令口、控制口、状态口的地址分析和指令读写,而不应强调8255、8155的各种工作方式。此外,此模块还可补充串行接口芯片的扩展和片上系统单片机的片上外设等内容,并进行实验演示。单片机系统的设计开发模块主要包含功率接口、系统可靠性、设计实例等。


  2重构课程体系


  2.1合理划分


  贯彻我校2010年培养方案“培养应用型人才”的目标,重构了单片机课程的教学体系[8],如图2所示。课程体系包括必修模块和选修模块,必修模块由理论教学、实验教学、自主学习和课程设计组成。学生在第五学期完成单片机的理论教学、实验教学和自主学习,寒假前短学期两周停课完成课程设计;选修模块由学生科研、学科竞赛、毕业设计、参与教师科研组成,供感兴趣的学生选择。从第五学期开始,学生通过主持参与各级学生科研项目,参加校、市、省、全国四级大学生电子设计竞赛,选择单片机应用类的毕业设计课题,进一步巩固学习成果,使学生具备一定的单片机开发能力,其中学有所长的学生还可以参与教师的科研项目,培养工程实践能力[9]。


  2.2细化考核


  为保证以上课程体系的顺利实施,对考核体系进行了细化,重视学生平时对知识点和技巧的掌握,突出实用性,减少记忆性内容的考核。考核项目各部分所占比例如表1所示。


  在理论教学中的考试环节中,避免考察学生机械记忆的内容,如51特殊功能寄存器各可寻址位的地址映射,8255、8155的各种控制字,在必要的情况下,建议采用附录的形式在试卷上给出,重点放在应用层面。平时作业和平时表现注意考察学生自主学习的情况,可安排适当的扩展型题目,学生只有通过查阅参考书或是网络搜索才能完成,加强课堂的互动环节,做到每个学生都有课堂问答的机会,引起学生重视,避免自主学习流于形式。平时实验成绩包括实验操作(50%)、实验报告(30%)、实验预习(20%),其中实验操作的考察要求教师细化考核标准,可分语法、软件应用、调试技巧、实验结果、提问等环节。设计实验考试选题软件,从10题中随机选择1题考试,考题来自于平时的10次实验,使学生提高对平时实验的重视程度,而且实验教学应单独设课,避免成为理论教学的附属。单片机课程设计要求学生完成一个实际但复杂度不高的课题,要求有信号调理、数据显示、键盘等模块,学生在实验板上完成焊接,程序调试等工作。


  2.3强调提高


  在以上必修模块的教学过程中,教师积极向学生介绍单片机领域的主流技术和最新进展,如片上系统单片机C8051F系列、ADUC8XX系列,ARM系列处理器,同时结合教师科研,创造条件给学生演示单片机实际工程应用,激发学生的学习兴趣。鼓励学生参加校电子设计竞赛,在校竞赛中发掘优秀学生,组队参加市、省、全国的电子设计竞赛。笔者所在电子信息专业学生有50%左右参加校竞赛,有20%学生参加高一级竞赛。其中的优秀学生,还将组成科研小组,申请省、市的大学生科技创新课题,在教师指导下,完成一项实际课题的设计[10]。


  3完善教学手段


  3.1重视编译软件


  在理论和实践教学中,选用KEIL编译器调试单片机程序。在讲授单片机汇编语言时,可引入KEIL,每讲授一条语句,就在编译器中软件仿真,注意讲授KEIL的调试模式下单步、断点等调试技巧,通过MemoryWindows窗口的I(内部RAM)、X(外部RAM)和C(ROM)观察存储器内容,如图3所示,通过regs选项卡观察程序运行中特殊功能寄存器(SFR)的实时变化,如图4所示。使学生可直接观察程序的运行过程和结果[11],提高学习效率。


  3.2引入仿真软件


  在教学中,引入单片机仿真软件proteus,采用KEIL和proteus软件联机调试,可以在PC机上构建一个虚拟单片机仿真平台,学生在没有仿真器和开发板等硬件资源的情况下,仍可在课后完成单片机应用系统的电路设计、程序调试等[12-13]。在实验环节中,安排3个实验(9个学时)的proteus软件实验,训练学生的软件应用能力。但不可忽视的是,proteus软件并不能代替真正的硬件,比如proteus仿真图下的单片机不需复位和晶振电路,就能正常运行,这就需要教师注意区别讲解,以免学生留下错误印象。


  3.3开发自制平台


  以往单片机的实践环节,一般是在实验室中采用实验箱调试,学生反映要在3学时内完成硬件连接、程序输入、调试、排错等环节,时间短、任务重,而且接触硬件的时间太少,最好能够将实验箱借给他们使用。但是实验箱价格贵、体积大、维修难,难以普及给学生实用[14]。自制实验开发板应该是一个可行的解决方案[15]。


  图5为自制51实验开发板,可完成按键、e2prom、看门狗、A/D、D/A、128*64液晶、1602液晶、LED,串行通信等硬件实验项目,同时,单片机的引脚全部引出,配合外接模块,还可完成扩展实验。实验开发板免费发放给学生,并在实验室网站上发布开发板使用说明、原理图、PCB图、例程等。供学生在课余时间调试。


  4结语


  本文结合兄弟院校的成功经验和我们5年来从事单片机教学的体会,从“培养应用型人才”入手,提出单片机教学改革的一些建议。我校电子信息工程专业学生按照此思路进行单片机教学,近3年来,获得省大学生电子竞赛一等奖6项,主持省级学生科研项目4项,毕业生从事电子行业研发的比例逐年提高,取得了较好的教学效果。