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摘要:本文介绍了单片机课程实验教学传统模式及其存在的问题,提出了改进的思路。设计性实验教学有利于训练学生的创新思维,提高学生的创新能力和动手能力,以单片机课程实验为例介绍了设计性实验课程教学的过程。通过实验教学使学生既能巩固掌握所学知识,又能理论联系实际达到实践创新的目的。
关键词:单片机;设计性实验;Proteus;实验教学
作者简介:任肖丽(1982-),女,辽宁朝阳人,广东海洋大学信息学院,助理实验师,电子科技大学电子工程学院硕士研究生,(四川 成都 611731)主要研究方向:电子技术、信号处理;王骥(1972-),男,辽宁葫芦岛人,广东海洋大学信息学院,副教授,工学硕士,主要研究方向:无线传感器网络。(广东 湛江 524088)
高等教育主要是为国家培养高素质的专业人才。为适应社会发展的需求,对人才培养的目标有了更高的要求,学生需具备较强的实践探索、创新能力。高校实验教学的主要任务是培养学生的实践能力,分析、解决实际问题的能力,具有其他教学环节无法替代的作用。单片机课程比较抽象,具有很强的实践性。所以其实验教学显得尤为重要,对学生理解、掌握和运用知识起着非常重要的作用。传统的实验教学内容主要是验证性实验,学生只需按给定的操作步骤进行即可完成实验,这种实验教学模式不利于调动学生学习的主动性和积极性。在科学技术发展的今天,有必要对实验教学进行改革。
一、单片机实验教学传统模式
当前大多数院校的单片机课程实验都是利用一些公司已经做好的电路、固定的实验箱,根据其提供的实验教材进行实验。由于实验箱中都是些已经做好的实验模块,无需学生设计,学生要做的是根据现有模块输入程序并在芯片间连几根线。学生输入程序,连线,验证后得到的结果正确,即可完成实验。这种验证性实验对学生的锻炼意义不大。另外,如果学生较多,很难保证人手一套实验设备,所以这种实验课对一些学生并没有起到真正作用,并且学生在实验课之外很难有实践的机会。这就阻碍了学生动手能力的提高。
二、改进思路
设计性实验改变了过去传统的实验教学模式,将学习的主动权交给学生,以学生为中心,使学生成为实验的主人。如在电工电子类的设计性实验过程中,教师提出实验的目的和要求,并结合实验室所能够提供的实验仪器、电子元器件、计算机等实验条件,由学生运用已掌握的基本知识、基本原理和实验技能,查阅搜集相关资料,设计实验方案,选择元器件和仪器设备,自己动手完成实验,最后写出实验报告。学生通过这种设计性实验获得了更多动手操作的机会,提高了学生的实践能力、创新能力和独立研究的能力。
另外,仿真工具Proteus软件可以通过计算机对单片机进行模拟仿真,为单片机实验教学改革和学生的学习提供了很好的平台。
1.设计性实验简介
(1)设计性实验定义。教育部颁发的《普通高等学校教学工作水平评估方案》对设计性实验进行了定义:设计性实验是指给定实验目的要求和实验条件,由学生自行设计实验方案并加以实现的实验。[1]
在指导设计性实验过程中,教师如何将科学研究的思维方法传授给学生,如何指导学生去分析问题并激发学生研究兴趣,是能否达到开设设计性实验目的关键。
(2)设计性实验特点。1)实验操作的独立性。设计性实验,由教师下达实验目的和要求,实验室提供设备和仪器,让学生亲自动手,进行电路的设计、安装与调试。整个实验过程中,学生始终是实验活动的主体,有利于充分发挥学生的主观能动性和创造性。2)实验过程的研究性。设计性实验是一种综合训练的实践教学,实验过程可能有多种方法,给学生提供了较广阔的思维空间和选择余地,提高学生自主学习、独立研究与创新的能力。[4]3)教师的重要作用。在指导设计性实验过程中,教师的作用是引导学生去思考和尝试,一方面教师备课时需要准备多种可选实验方案,以备与学生交流讨论,对于实验中的一些关键性问题需要提出来让学生思考,包括实验相关的软硬件知识;另一方面,在教学过程中,学生可能会问及很多相关问题,而且在实验进行过程中会出现许多未知的情况,因此教师的相关知识储备极其重要。
2.设计性实验教学实践
下面以单片机课程中电子琴设计实验为例,介绍设计性实验教学过程。
实验题目:电子琴设计。
教师提出实验目的和要求,学生查找资料和参考书,并给出实验具体方案。要求学生按照自己设计好的电路,学习电路的布线、软件仿真、元器件的焊接及安装方法。
(1)硬件设计。1)实验目的与要求。实现电子琴的基本功能:当按下键盘组相对按键,喇叭会发出相对音阶单音。电子琴控制电路主要分为:单片机8051;按键输入;喇叭接口。2)所用知识点。单片机MCS-51系列的时钟电路,I/O口,定时/计数器结构与工作原理。电子琴所输入的音阶值必须存入变量数组中,在演奏时才逐一取出来播放单音。8051程序中的变量一般保存在内部存储器的RAM区,范围为空间30H～7FH。使用8051端口2的8条I/O线做16个按键的键盘扫描,由P2.0～P2.3送出扫描信,而由P2.4～P2.7读取按键数据返回码。
(2)软件设计。1)原理说明。利用单片机定时器来产生固定频率的方波信号推动喇叭发出旋律。喇叭发出“DO”、“RE”、“ME”……的音阶。定时器0工作于模式0,计时时间长短由所发音的频率而定。主控程序循环中主要工作为等待是否有按键,若有按键则做相应的按键功能处理。2)程序软件调试。以Keil开发系统(μVision2版本)或Proteus仿真软件汇编及编译8051程序,并产生可执行文件。其主要步骤为设置工作环境、建立新项目、加载汇编程序、进行汇编及编译、链接、产生可执行文件。也可使用伟福软件模拟器进行编译。
Keil是德国Keil公司开发的单片机编译器,μVision 2是Keil公司关于8051系列MCU的开发工具,可以用来编译C源码、汇编源程序、连接和重定位目标文件和库文件、创建HEX文件、调试目标程序等,是一种集成化的文件管理编译环境。集成了文件编辑处理、编译连接、项目管理、窗口、工具引用和软件仿真调试等多种功能,是相当强大的开发工具。在μVision 2的仿真功能中,有两种仿真模式:软件模拟模式和目标板仿真调试模式。
(3)安装实现。学生按自己设计的实验电路在实验室领取所需的元器件,按照设计的原理图制作PCB,同时复习绘图及PCB的相关知识,进行电路的安装焊接。应用单片机相关知识,编写程序,仿真实现后将程序下载到单片机中。做出实物,功能实现后,写出实验报告。图1为学生所做实物图。
(4)考核方法。对学生实验成绩的评定,分为查找资料、实验实物、实验报告三部分。实验前教师根据预习报告给出预习分,实验结束给出实验操作分,最后根据实验报告给出此环节分数,各环节成绩分别占有一定比例,学生可以了解自己当前成绩,以促进他们的学习积极性。
3.利用Proteus仿真软件
Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件,除了其具有和其他EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外,它的电路仿真是互动的,针对微处理器的应用,还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程,并实现软件源码级的实时调试,如有显示及输出,还能看到运行后输入输出的效果,配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等,建立了一个完备的电子设计开发环境。Proteus产品系列也包含了革命性的VSM技术,可以对基于微控制器的设计连同所有的外围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。
利用Proteus软件构建单片机虚拟现实教学与实验平台。利用计算机、Keil仿真器和Proteus软件创建一个可视化虚拟电子类实验室,通过操作这些虚拟的实验仪器或设备,完成各种验证性、设计性和综合性实验。利用仿真技术达到与真实效果相一致的教学要求和目标。从而在不增加硬件投入的基础上,提高学生的创新能力。[5,6]
三、结束语
实验教学的最终目标是要提高学生的实践动手能力和创新意识,设计性实验是实现这一目标的重要载体,科学合理地选择实验内容是十分重要的环节。而利用Proteus软件构造的虚拟实验平台,可以帮助学生更好地掌握理论知识,加深对概念和原理的理解。为了使学生能从设计性实验中真正得到锻炼和提高,近年来,我们在如何面向低年级本科生开设设计性实验方面进行了积极的探索,并在实验方法介绍、实验项目设计、实验内容安排、实验过程指导以及实验结果的分析和处理等方面做了一些尝试性的工作,取得了较好的效果。
参考文献:
[1]教育部.普通高等学校本科教学工作水平评估方案(试行)[Z].2004.
[2]郭兴军.综合性、设计性实验教学探索[J].潍坊学院学报,2005,(4).
[3]肖爱萍.综合性和设计性实验教学浅谈[J].中山大学学报论丛,2006,(7).
[4]吴旭华.综合性、设计性实验的设计与实践研究[J].电脑知识与技术,2009,(23).
[5]陈明荧.8051单片机课程设计实训教材[M].北京:清华大学出版社,2004:28-72,149-160,287-294.
[6]周润景,张丽娜.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.
[7]宁成军,张江霞.基于Proteus和Keil接口的单片机外围硬件电路仿真[J].现代电子技术,2006,(18):142-144.
(责任编辑:苏宇嵬)
关键词:单片机;设计性实验;Proteus;实验教学
作者简介:任肖丽(1982-),女,辽宁朝阳人,广东海洋大学信息学院,助理实验师,电子科技大学电子工程学院硕士研究生,(四川 成都 611731)主要研究方向:电子技术、信号处理;王骥(1972-),男,辽宁葫芦岛人,广东海洋大学信息学院,副教授,工学硕士,主要研究方向:无线传感器网络。(广东 湛江 524088)
高等教育主要是为国家培养高素质的专业人才。为适应社会发展的需求,对人才培养的目标有了更高的要求,学生需具备较强的实践探索、创新能力。高校实验教学的主要任务是培养学生的实践能力,分析、解决实际问题的能力,具有其他教学环节无法替代的作用。单片机课程比较抽象,具有很强的实践性。所以其实验教学显得尤为重要,对学生理解、掌握和运用知识起着非常重要的作用。传统的实验教学内容主要是验证性实验,学生只需按给定的操作步骤进行即可完成实验,这种实验教学模式不利于调动学生学习的主动性和积极性。在科学技术发展的今天,有必要对实验教学进行改革。
一、单片机实验教学传统模式
当前大多数院校的单片机课程实验都是利用一些公司已经做好的电路、固定的实验箱,根据其提供的实验教材进行实验。由于实验箱中都是些已经做好的实验模块,无需学生设计,学生要做的是根据现有模块输入程序并在芯片间连几根线。学生输入程序,连线,验证后得到的结果正确,即可完成实验。这种验证性实验对学生的锻炼意义不大。另外,如果学生较多,很难保证人手一套实验设备,所以这种实验课对一些学生并没有起到真正作用,并且学生在实验课之外很难有实践的机会。这就阻碍了学生动手能力的提高。
二、改进思路
设计性实验改变了过去传统的实验教学模式,将学习的主动权交给学生,以学生为中心,使学生成为实验的主人。如在电工电子类的设计性实验过程中,教师提出实验的目的和要求,并结合实验室所能够提供的实验仪器、电子元器件、计算机等实验条件,由学生运用已掌握的基本知识、基本原理和实验技能,查阅搜集相关资料,设计实验方案,选择元器件和仪器设备,自己动手完成实验,最后写出实验报告。学生通过这种设计性实验获得了更多动手操作的机会,提高了学生的实践能力、创新能力和独立研究的能力。
另外,仿真工具Proteus软件可以通过计算机对单片机进行模拟仿真,为单片机实验教学改革和学生的学习提供了很好的平台。
1.设计性实验简介
(1)设计性实验定义。教育部颁发的《普通高等学校教学工作水平评估方案》对设计性实验进行了定义:设计性实验是指给定实验目的要求和实验条件,由学生自行设计实验方案并加以实现的实验。[1]
在指导设计性实验过程中,教师如何将科学研究的思维方法传授给学生,如何指导学生去分析问题并激发学生研究兴趣,是能否达到开设设计性实验目的关键。
(2)设计性实验特点。1)实验操作的独立性。设计性实验,由教师下达实验目的和要求,实验室提供设备和仪器,让学生亲自动手,进行电路的设计、安装与调试。整个实验过程中,学生始终是实验活动的主体,有利于充分发挥学生的主观能动性和创造性。2)实验过程的研究性。设计性实验是一种综合训练的实践教学,实验过程可能有多种方法,给学生提供了较广阔的思维空间和选择余地,提高学生自主学习、独立研究与创新的能力。[4]3)教师的重要作用。在指导设计性实验过程中,教师的作用是引导学生去思考和尝试,一方面教师备课时需要准备多种可选实验方案,以备与学生交流讨论,对于实验中的一些关键性问题需要提出来让学生思考,包括实验相关的软硬件知识;另一方面,在教学过程中,学生可能会问及很多相关问题,而且在实验进行过程中会出现许多未知的情况,因此教师的相关知识储备极其重要。
2.设计性实验教学实践
下面以单片机课程中电子琴设计实验为例,介绍设计性实验教学过程。
实验题目:电子琴设计。
教师提出实验目的和要求,学生查找资料和参考书,并给出实验具体方案。要求学生按照自己设计好的电路,学习电路的布线、软件仿真、元器件的焊接及安装方法。
(1)硬件设计。1)实验目的与要求。实现电子琴的基本功能:当按下键盘组相对按键,喇叭会发出相对音阶单音。电子琴控制电路主要分为:单片机8051;按键输入;喇叭接口。2)所用知识点。单片机MCS-51系列的时钟电路,I/O口,定时/计数器结构与工作原理。电子琴所输入的音阶值必须存入变量数组中,在演奏时才逐一取出来播放单音。8051程序中的变量一般保存在内部存储器的RAM区,范围为空间30H～7FH。使用8051端口2的8条I/O线做16个按键的键盘扫描,由P2.0～P2.3送出扫描信,而由P2.4～P2.7读取按键数据返回码。
(2)软件设计。1)原理说明。利用单片机定时器来产生固定频率的方波信号推动喇叭发出旋律。喇叭发出“DO”、“RE”、“ME”……的音阶。定时器0工作于模式0,计时时间长短由所发音的频率而定。主控程序循环中主要工作为等待是否有按键,若有按键则做相应的按键功能处理。2)程序软件调试。以Keil开发系统(μVision2版本)或Proteus仿真软件汇编及编译8051程序,并产生可执行文件。其主要步骤为设置工作环境、建立新项目、加载汇编程序、进行汇编及编译、链接、产生可执行文件。也可使用伟福软件模拟器进行编译。
Keil是德国Keil公司开发的单片机编译器,μVision 2是Keil公司关于8051系列MCU的开发工具,可以用来编译C源码、汇编源程序、连接和重定位目标文件和库文件、创建HEX文件、调试目标程序等,是一种集成化的文件管理编译环境。集成了文件编辑处理、编译连接、项目管理、窗口、工具引用和软件仿真调试等多种功能,是相当强大的开发工具。在μVision 2的仿真功能中,有两种仿真模式:软件模拟模式和目标板仿真调试模式。
(3)安装实现。学生按自己设计的实验电路在实验室领取所需的元器件,按照设计的原理图制作PCB,同时复习绘图及PCB的相关知识,进行电路的安装焊接。应用单片机相关知识,编写程序,仿真实现后将程序下载到单片机中。做出实物,功能实现后,写出实验报告。图1为学生所做实物图。
(4)考核方法。对学生实验成绩的评定,分为查找资料、实验实物、实验报告三部分。实验前教师根据预习报告给出预习分,实验结束给出实验操作分,最后根据实验报告给出此环节分数,各环节成绩分别占有一定比例,学生可以了解自己当前成绩,以促进他们的学习积极性。
3.利用Proteus仿真软件
Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件,除了其具有和其他EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外,它的电路仿真是互动的,针对微处理器的应用,还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程,并实现软件源码级的实时调试,如有显示及输出,还能看到运行后输入输出的效果,配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等,建立了一个完备的电子设计开发环境。Proteus产品系列也包含了革命性的VSM技术,可以对基于微控制器的设计连同所有的外围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。
利用Proteus软件构建单片机虚拟现实教学与实验平台。利用计算机、Keil仿真器和Proteus软件创建一个可视化虚拟电子类实验室,通过操作这些虚拟的实验仪器或设备,完成各种验证性、设计性和综合性实验。利用仿真技术达到与真实效果相一致的教学要求和目标。从而在不增加硬件投入的基础上,提高学生的创新能力。[5,6]
三、结束语
实验教学的最终目标是要提高学生的实践动手能力和创新意识,设计性实验是实现这一目标的重要载体,科学合理地选择实验内容是十分重要的环节。而利用Proteus软件构造的虚拟实验平台,可以帮助学生更好地掌握理论知识,加深对概念和原理的理解。为了使学生能从设计性实验中真正得到锻炼和提高,近年来,我们在如何面向低年级本科生开设设计性实验方面进行了积极的探索,并在实验方法介绍、实验项目设计、实验内容安排、实验过程指导以及实验结果的分析和处理等方面做了一些尝试性的工作,取得了较好的效果。
参考文献:
[1]教育部.普通高等学校本科教学工作水平评估方案(试行)[Z].2004.
[2]郭兴军.综合性、设计性实验教学探索[J].潍坊学院学报,2005,(4).
[3]肖爱萍.综合性和设计性实验教学浅谈[J].中山大学学报论丛,2006,(7).
[4]吴旭华.综合性、设计性实验的设计与实践研究[J].电脑知识与技术,2009,(23).
[5]陈明荧.8051单片机课程设计实训教材[M].北京:清华大学出版社,2004:28-72,149-160,287-294.
[6]周润景,张丽娜.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.
[7]宁成军,张江霞.基于Proteus和Keil接口的单片机外围硬件电路仿真[J].现代电子技术,2006,(18):142-144.
(责任编辑:苏宇嵬)