單片機課程中單片機實驗教學探究論文
論文摘要：單片機的開發(fā)與應用、學習將造就一批計算機智能化控制的工程師、科學家。一些中等院校也相繼開設了單片機課程設計及相關的課程。在單片機及接口技術課程的教學過程中，實驗教學是重要的組成部分。針對單片機課程的教學改革，不斷加強單片機課程實驗環(huán)節(jié)，改革教學方法，虛擬仿真實驗在單片機教學中的應用，實踐表明，該方法有利于激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，提高了教學效果。
論文關鍵詞：單片機；教學；仿真實驗
“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(yè)基礎課，把微機接口部分、匯編語言部分、通信技術部分的知識點等綜合在一起，屬于邏輯性、工程性、技術性、實踐性很強的一門專業(yè)基礎課。該課程作為電類專業(yè)最重要的核心課程之一，它是電類專業(yè)高素質技能型人才所需全部自動控制類知識結構的載體，占據(jù)著非常重要的位置。
然而，傳統(tǒng)的單片機教學一般注重課程本身的體系結構和前后的邏輯聯(lián)系，均以學科體系為出發(fā)點，忽略了“可學性”，致使學生學得吃力，老師教得辛苦，教學效果卻沒有顯現(xiàn)出來。
一、研究背景及意義
目前，全國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(yǎng)，學生的技能素養(yǎng)教育成為重中之重，加之社會需求高技能人才，許多學校為了適應社會的發(fā)展和市場需求在不同的專業(yè)開設了單片機課程，然而單片機課程是一門實踐性很強的課程，要想在教學過程中取得很好的效果，就必須要求學生在學習過程中多動手實踐，但有的學校教學設備有限，怎樣解決這個問題。仿真實驗課可以讓學生在單片機工作室里做中學，真正玩轉單片機，也同時解決了學生學起來枯燥，老師教起來吃力的尷尬局面。
目前單片機教學中存在諸多問題。如單片機課程理論為主，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間限制，學生除了課上，很難有機會接觸到所需要的設備，如仿真器、實驗板等，個人配備成本太高，個體無法承擔。而且實驗箱只能驗證試驗的基本作用和意義，就無從談起學生動手能力的訓練和提升。單片機在當今社會中的應用速度發(fā)展迅速，然而單片機教材陳舊，實驗設備很容易落后、老化等問題，必然會帶來耗資等問題。
由此可見，構建成本低廉的單片機仿真實驗系統(tǒng)對于單片機教學意義重大。它不僅可以降低實驗設備投資，而且能培提高學生的工程素質，養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。在單片機控制系統(tǒng)的設計開發(fā)過程中，我們不單要突出設備的自動化程度及智能性，另一方面也要重視控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，否則就無法體現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。
由于單片機控制系統(tǒng)應用系統(tǒng)的工作環(huán)境往往是比較惡劣和復雜的，其應用的可靠性、安全性就成為一個非常突出的問題。單片機控制系統(tǒng)應用必須長期穩(wěn)定、可靠地運行，否則將導致控制誤差加大，嚴重時會使系統(tǒng)失靈，甚至造成巨大的損失。
影響單片機控制系統(tǒng)應用的可靠、安全運行的主要因素是來自系統(tǒng)內部和外部的各種電氣干擾，以及系統(tǒng)結果設計、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環(huán)境條件等。這些因素對控制系統(tǒng)造成的干擾后果主要表現(xiàn)在下述幾個方面。（1）數(shù)據(jù)采集誤差加大。（2）控制狀態(tài)失靈。（3）數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化。（4）程序運行失常。
由于受到干擾后計數(shù)器的值是隨機的，因而導致程序混亂。通常的情況是程序將執(zhí)行一系列毫無意義的指令，最后進入“死循環(huán)”，這將使輸出嚴重混亂或系統(tǒng)失靈。
隨著單片機及其接口技術的飛速發(fā)展，目前面對職業(yè)教育存在的突出問題：質量能力與規(guī)模能力不相適應，教學信息化程度低，古老的填鴨式課堂教學模式仍應用普遍，“雙師型”教師隊伍建設機制缺乏完善性，科學管理水平和改革創(chuàng)新能力就提到了日程，管理制度不健全，學校基本辦學規(guī)范不健全，科學的職業(yè)教育評價標準和評價機制達不到標準，學生成長的“通道”不暢通。
從新的教學要求來看，這類課程僅在課堂上講授基本原理是不夠的，必須在教學中加強實踐環(huán)節(jié)，開出一定數(shù)量的高質量的配套實驗課活獨立的實驗課程，讓學生有足夠的實驗機會。那么對于單片機實驗教學環(huán)境建設就相應提出了高要求。怎樣解決這個問題，單片機仿真實驗應運而生。
二、“單片機仿真實驗”初探
伴隨著計算機技術的飛速發(fā)展，在各個領域都出現(xiàn)了各種仿真系統(tǒng)，為各種實際系統(tǒng)的開發(fā)提供了準確可靠的保證，同時為很多學校、企業(yè)等節(jié)約了大量的人力和物力。在電子信息技術領域也同樣出現(xiàn)了大量的仿真工具，如課堂上用到的各種EDA工具；模數(shù)混合仿真的Protel、Multisim等常見的電子應用仿真軟件，數(shù)字系統(tǒng)設計的Fundation、MaxplusII、Expert等。
所謂“仿真”，就是通過開發(fā)工具真實地模擬用戶系統(tǒng)的運行環(huán)境，使用戶能夠在透明和可控的條件下觀察系統(tǒng)運行過程中的狀態(tài)和結果，仿真實際上也是一種軟件和硬件的綜合調試手段，它能提高應用系統(tǒng)開發(fā)的效率。
用通俗的話來描述“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虛擬的元器件，并模擬實際燒ROM的過程鏈接上程序代碼，“接通”電路觀察效果，如果不理想的話可以反復修改電路或程序代碼，直至符合設計要求為止。
仿真實驗的好處是顯而易見的。在沒有仿真實驗的年代，每架構一個真實的電路都需要費時費力費錢，稍有不慎還有可能前功盡棄，再加上單片機中的ROM芯片是有擦寫次數(shù)的，而一段程序可能需要修改擦寫多次，無形中減少了ROM芯片的使用壽命。仿真實驗是在計算機上進行的（可能會費點兒電），以上問題都不存在，而且就現(xiàn)在的仿真軟件來說，仿真出來的電路效果與真實電路一模一樣，毫不夸張地說，只要仿真是成功的，就可以直接下工廠的流水線生產了。
三、單片機仿真實驗效果
新課程的核心理念是：“關注每位學生的進步與發(fā)展，使每位學生在課堂上都能積極主動地參與交流、參與探索、參與匯報，都能動起來，使每位學生都能進入最近發(fā)展區(qū)，都能有所收獲，具有成功感。”為使這一核心理念能得到有效落實，經(jīng)過近一段時間的教學實踐，逐漸發(fā)現(xiàn)單片機仿真實驗是一種較為有效的教學手段。不僅解決了學生的只學不練的矛盾，也緩解了部分學校的設備建設壓力。
首先，學生有濃厚的興趣。職業(yè)學校專業(yè)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，但是，由于在仿真實驗里所見即所得，同學們學習的熱情高漲。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。在教學中，要努力創(chuàng)造適合學生發(fā)展的情境，讓學生主動發(fā)展，關注學生的獨特感受，以此培養(yǎng)學生的發(fā)散思維。其次，學生可以自行設計實驗，鍛煉了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養(yǎng)，也是職業(yè)學校學生解決實際問題的能力中較為重要的。傳統(tǒng)的實驗中往往忽略學生的設計能力，只是一個驗證的過程，學生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。采用仿真后，采用建設工程的形式將設計理念融合到軟件中，投入少，實際問題卻能得到驗證和推敲，節(jié)省了硬件的損耗。再次，硬件投入少，經(jīng)濟優(yōu)勢明顯。單片機的課程除了開設8051系列單片機課程之外，還開設AVR系列與MCS51等系列的課程，三菱、西門子等不同系列和型號的單片機。
要想保證相應實驗的開設，必須要有配套的實驗系統(tǒng)而且要保證一定的實驗硬件設備套數(shù)，那么這將是一筆非常大的`經(jīng)濟支出。所以這將使單位和企業(yè)面臨著很大的經(jīng)濟壓力，硬件設備的更新和硬件設備的維護等工作。考慮經(jīng)濟和其他方面的種種因素，引入單片機軟件仿真系統(tǒng)，就可以大大降低經(jīng)濟的支出，減少硬件設備的購置，同時也大大降低了對硬件設備維護的工作量。為單位和企業(yè)減少了不必要的麻煩和經(jīng)費，緩解了很大的壓力。
先通過軟件模擬成功后再投入硬件，經(jīng)濟優(yōu)勢明顯改善，在傳統(tǒng)的實驗教學中實驗板的投入，接口的投入，系列的不同，儀器的投入等，僅儀器的維護也是非常繁瑣的，更何況資金的投入了。因此采用軟件仿真，其經(jīng)濟優(yōu)勢很明顯。
單片機仿真實驗的瓶頸之痛。長時間的課程教學之余，總覺得留下了許多遺憾。雖然單片機仿真實驗讓筆者和學生們獲得了一些成功的體驗，但久而久之，也產生了一絲厭倦，畢竟假的成不了真的，整天面對著這些毫無生氣的電路圖，無法接觸電路實物的痛苦與日俱增。
有鑒于此，兼顧教學設備的投資現(xiàn)實，儀器老化問題及國家對職業(yè)教育的投入，在下面兩個方面學校可以參考改革。
一是改革辦學形式。通過“聯(lián)合辦學、合并小的機構、多校共建”等方式推動規(guī)模化辦學，加強建設，建成規(guī)模大、實力強、聲譽好的示范學校；組建職教集團，發(fā)揮對農村和民族地區(qū)薄弱學校及西部的幫扶作用。
改革教學形式，積極采取場景教學、案例教學、項目教學、模擬教學等多種教育教學方式，增強教育教學的實效性和教學形式的針對性。
改革培養(yǎng)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(xù)學習，為連續(xù)學習和分階段培養(yǎng)相結合，探索以就業(yè)為導向的職業(yè)人繼續(xù)學習模式。
創(chuàng)新專業(yè)設置。建立專業(yè)設置動態(tài)調整機制，重點建設面向先進制造業(yè)特別是裝備制造業(yè)、現(xiàn)代服務業(yè)、新興產業(yè)的精品專業(yè)；加強貼近區(qū)域產業(yè)、民族藝術、民間工藝等領域的特色專業(yè)。
二是創(chuàng)新教學環(huán)境。重點建設現(xiàn)代化的專業(yè)技能性教室，創(chuàng)設功能齊全、校園文化和企業(yè)文化都并存的，緊密結合的教學環(huán)境，使學生感受到課堂和企業(yè)的文化和專業(yè)的融合。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(yè)教育質量評價的新措施、新途徑，引導學生向更高的目標全面發(fā)展。
創(chuàng)新教學方法，強化實踐教學的導向性；更新教學手段，構建自己的網(wǎng)絡學習平臺，能夠支撐隨時學習；創(chuàng)設生產實習的模擬現(xiàn)場設置，特別是通過模擬流程、虛擬現(xiàn)實、數(shù)字仿真等方式生動直觀地展示知識性、技術性和生產服務崗位的可行性。
創(chuàng)新教材的應用能力，開發(fā)延伸性、補充性的教輔資料；依托企業(yè)研發(fā)適應新興產業(yè)、新職業(yè)和崗位的校本教材；實現(xiàn)多種教材的立體化融合，使學生用發(fā)散的思維去思考問題。
改革隊伍建設，聘用企業(yè)工程技術人員、有實踐經(jīng)驗的行業(yè)專家和社會中的能工巧匠等擔任兼職教師；落實教師在職進修和企業(yè)實踐制度的可行性和有效性，加強專業(yè)帶頭人和骨干教師的培養(yǎng)方向和多元化。
改革管理制度，建立多方參與的決策機制和教育教學質量監(jiān)測機構；創(chuàng)新人事分配制度；完善招生、教學、資助、免費、就業(yè)、財務和資產等學校業(yè)務管理辦法。
虛擬仿真實驗系統(tǒng)是單片機教學的優(yōu)秀實驗平臺，很好地彌補了傳統(tǒng)單片機教學的不足，激發(fā)了學生的學習積極性與主動性，提高了教學效果，降低了實驗成本，是現(xiàn)代計算機技術與先進的教學理論在單片機教學中的應用，有著廣泛的應用前景。
四、結束語
通過一段時間的虛擬仿真實驗，電子專業(yè)的學生學習主動性、認知水平、專業(yè)技能等有了明顯提高。利用仿真系統(tǒng)，可以節(jié)約開發(fā)時間和開發(fā)成本；利用仿真系統(tǒng)，具有很大的靈活性和可擴展性；減少了成本，也是學校提升實驗室建設水平有益的嘗試，不必為了比賽換新機型而惶惶然，更不必為時間的局限性，地點的局限性而擔憂。有利于促進課程和教學改革，更有利于人才的培養(yǎng)；從經(jīng)濟性、可移植性、可推廣性角度講，建立這樣的實驗室是非常有意義的。
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