论文部分内容阅读
摘要：针对部分高校单片机硬件条件相对匮乏，导致单片机实践教学质量下降的问题，提出虚拟仿真与开放实验项目相结合的思路，构建理论分析—虚拟仿真—硬件工程项目开发的教学模式，以提高学生的理论分析水平和实践能力。实践证明，该方法既取得了一定成效，也避免了硬件资源的浪费。
关键词：单片机；虚拟仿真；开放实验；教学改革
作者简介：白铁成（1982-），男，黑龙江绥化人，塔里木大学信息工程学院，讲师；蒋霞（1981-），女，新疆阿拉尔人，塔里木大学信息工程学院，讲师。（新疆 阿拉尔 843300）
基金项目：本文系塔里木大学高教课题项目（项目编号：TDGJ1213、TDGJ1212）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）28-0155-02
单片机课程是计算机专业、测控与通信专业、电子信息等专业的基础课程，是一门理论与实践相结合的课程，通常采用课堂理论教学、实验和课程设计的教学模式，[1]使学生了解单片机技术在农业、工业、医疗和生活中的应用，熟悉单片机的原理与结构，通过实验实训和课程设计，掌握单片机指令系统、结构原理、接口技术，以及单片机应用系统开发、设计的基本技能。[2]但单片机课程既抽象又不容易学，虽然课程也安排了实验教学和课程设计环节，但实践教学环节仍主要以验证内容为主，仅仅让学生熟悉和使用简单的汇编语言或C语言，去验证一些基本的实验，学生无法理解该课程设置的真正含义，[3]也不知道一个实际工程项目的系统方案如何设计，芯片如何选择，软硬件如何调试，项目成员如何分工，久而久之会导致学生的学习积极性减弱。如果盲目的给学生提供大量的硬件，学生在对整个设计流程不清楚的情况下，又会造成大量的硬件浪费。[4]因此，为了提高学生单片机的实践能力，提出了虚拟仿真、硬件调试和开放实验（模拟项目开发）的实践教学模式，提高了学生的实践能力和团队合作精神。
一、单片机实践教学培养方案
单片机实践能力培养流程如图1所示。
整个过程包括三部分内容：首先，Proteus仿真可以锻炼学生的电路设计能力、软件编程能力，可以通过Proteus和KEIL软件实现，以避免硬件资源的浪费；其次，通过仿真掌握了电路的基本设计知识和软件编程能力后，便可进入实际硬件的设计过程，使学生掌握硬件电路的调试和软件程序的编写过程；最后，通过开放实验项目，锻炼学生单片机的综合应用能力，并模拟工程项目的整个开发过程，更好的与企业接轨。
二、虚拟仿真与硬件调试设计方案
学生在对单片机系统设计不熟悉的情况下，盲目的进行实际硬件设计显然是不合适的，会导致大量的硬件资源的浪费，而Proteus软件却可以很好地解决这一问题，尤其是在一些经费不足、硬件条件匮乏的学校。Proteus提供的智能模拟仿真环境使得实验具有高效性与确定性，同时内嵌的图表分析使得实验结果直观明了，尤其是Proteus提供的多种单片机芯片及虚拟仪器，使得直接在PC机上进行预开发成为可能，[5]为后续的硬件电路设计和调试提供了理论依据。
1.Proteus基础实验模块
基础实验模块主要是使学生掌握内部结构、基本外围电路的设计和软件驱动程序的开发能力。设置内容包括：
（1）软件程序基础设计模块。主要进行片内清零与置数程序设计、拼字与拆字程序设计、数据块传送与排序程序设计。
（2）通用I/O控制实验模块。主要进行闪烁灯、流水灯、花样灯的硬件仿真和软件程序的设计。
（3）定时、终端与通信接口模块。主要进行定时/计数器的应用、中断应用、单片机间串口通信、单片机与PC机间串口通信实验设计。
（4）数码管显示实验模块。主要进行LED数码管静态显示、串行口驱动LED数码管显示、计数器设计、计时器设计、数码管移位显示、点阵显示。
（5）键盘应用实验。查询式键盘设计和矩阵式键盘识别实验。
（6）D/A和A/D转换器的应用。dac0832 D/A转换器的应用、tlc5615 D/A转换器的应用和adc0832（0808转化器的应用）、数字电压表的设计。
（7）显示器的应用实验。点阵LED的应用、LCD液晶显示器的应用。
（8）电动机控制。步进电动机启动、停止、正反转、转速控制实验和直流电动机起动、停止、正反转、转速控制实验。
2.Proteus综合实验设计
掌握了Proteus基础实验模块的内容后，下一步需考察学生对以上实验模块的掌握情况及综合运用能力，进而锻炼学生的单片机系统设计思维和能力。具体实验设置方案举例如下：一是数字电子时钟设计，可采用定时器或DS1302模块进行设计；二是模拟交通灯设计；三是按键控制热水器温度系统设计；四是篮球积分器设计；五是血压测量仪的设计。
3.Proteus制版和硬件调试实验
通过上述虚拟仿真实验的锻炼，学生已基本具备了单片机系统设计思想和软件编程能力，但硬件调试与软件仿真略有差异。硬件调试过程中总是不可避免的出现各种各样的问题，所以实际的硬件制版、焊接和调试能力设计是必要的。实际课程设计过程中，可锻炼学生这方面的能力。制版可以使用Proteus软件进行，避免使用其他学生不熟悉的软件，增加学生的负担。
三、开放实验设计方案
对于注重应用的单片机课程而言，实际的工程项目和产品开发能力、团队协作能力是必不可少的，而现在的在校学生很少有机会去参加公司的工程项目，申请国家和学校的创新项目的学生更是少之又少。笔者建议应通过设置开放实验实践教学的方式，模拟公司的项目申请、项目论证和项目结题，由学生组成3～5人的项目开发小组，自选开放实验题目，每个小组配备一名指导教师，学院根据本院的经费情况，资助一定的项目经费，制定严格的管理制度和评审机制。 1.开放实验申请基本条件
（1）开放实验主要面向已进行过单片机课程的大三、大二学生，适当加入大一学生，项目组成员建议有梯度，一般为3人，项目工作量大时可适当增加到5人。
（2）需要的先修课程包括“模拟电子线路”、“数字电子线路”、“单片机原理及接口技术”、“C语言程序设计”。
（3）选题应具有一定的实际应用价值，并注意成本控制，对超出申请经费的项目说明所选项目的创新性。
（4）项目申请书采用统一的格式，主要阐述背景、意义、研究内容与目标、研究方案和考核指标。
（5）指导教师应严格审查项目研究的意义和可行性，对于立项的项目应根据学院安排认真审查项目研究进度。
（6）开放实验项目的实施年限为1～2年。
（7）学院对本次开放实验计划统筹管理，监督实验室值班和指导工作，对实验成果进行审核。
2.开放实验项目具体要求
为了保证开放实验项目的顺利进行，学院应提供给学生专门的开放实验室，指导教师需要实时讲解学生在项目研究中遇到的问题。为了让学生能通过开放实验，锻炼动手能力、主动思维、团队协作能力，让学生在所选领域获得知识，取得成绩，根据以往经验，开放实验需做以下纪律要求（仅供参考）：
（1）开放实验项目授课期间，学生不能无故请假，如未到次数超过1/3，取消其开放实验项目资格。
（2）自主设计期间，每组每周至少实验4小时（以签到为准），每周由指导教师核查一次，不能遵照此条，取消开放实验项目资格。
（3）实验期间遵守实验室各项管理规定，爱护实验设备。
（4）在实验小组中，如指导教师发现有小组成员在小组中没有发挥作用，取消其实验资格。
（5）开放实验结束后，各指导教师审核实验结果，如没有实验成果或实验结果虚假，取消其实验资格，不给予学分。
（6）指导教师必须按照已申请实验内容，做好实践教学准备，严格遵守实验教学时间表，并在学生自主实验时间做好与学生的沟通和对学生的指导。
（7）指导教师必须在规定时间上交学生实验成果，如实验成果不具有真实性、专业性，不核发工作量。
总之，单片机是一门以实践能力培养为目标的课程，近几年针对塔里木大学的实际情况，一直致力于该课程实践教学方法的探索，并取得了良好的教学效果，尤其是开放实验项目的设置，提高了学生的学习兴趣和实践能力，但受经费的限制，无法保证每位同学都能参与该项目，该问题在资金匮乏的情况下很难解决。单片机实践教学仍然有许多工作值得我们去研究，只有不断探索、不断创新，才能更好地为培养学生服务。
参考文献：
[1]苗新法.单片机教学改革方案探索[J].中国现代教育装备，2009，（8）：79-80.
[2]张子红，刘鑫.基于Proteus的单片机课程教学改革[J].TOPICAL DISCUSS，2010，（11）：15-18.
[3]倪晓军，章韵.基于模块化实验系统的单片机教学改革[J].计算机教育，2009，（18）：136-139.
[4]邓文娟，朱兆优，王嵩.探索单片机教学改革提高学生工程实践能力[J].东华理工大学学报（社会科学版），2010，（12）：383-386.
[5]王旭英.基于Proteus的单片机教学改革研究[J].中等职业教育，2010，（3）：37-38.
（责任编辑：孙晴）
关键词：单片机；虚拟仿真；开放实验；教学改革
作者简介：白铁成（1982-），男，黑龙江绥化人，塔里木大学信息工程学院，讲师；蒋霞（1981-），女，新疆阿拉尔人，塔里木大学信息工程学院，讲师。（新疆 阿拉尔 843300）
基金项目：本文系塔里木大学高教课题项目（项目编号：TDGJ1213、TDGJ1212）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）28-0155-02
单片机课程是计算机专业、测控与通信专业、电子信息等专业的基础课程，是一门理论与实践相结合的课程，通常采用课堂理论教学、实验和课程设计的教学模式，[1]使学生了解单片机技术在农业、工业、医疗和生活中的应用，熟悉单片机的原理与结构，通过实验实训和课程设计，掌握单片机指令系统、结构原理、接口技术，以及单片机应用系统开发、设计的基本技能。[2]但单片机课程既抽象又不容易学，虽然课程也安排了实验教学和课程设计环节，但实践教学环节仍主要以验证内容为主，仅仅让学生熟悉和使用简单的汇编语言或C语言，去验证一些基本的实验，学生无法理解该课程设置的真正含义，[3]也不知道一个实际工程项目的系统方案如何设计，芯片如何选择，软硬件如何调试，项目成员如何分工，久而久之会导致学生的学习积极性减弱。如果盲目的给学生提供大量的硬件，学生在对整个设计流程不清楚的情况下，又会造成大量的硬件浪费。[4]因此，为了提高学生单片机的实践能力，提出了虚拟仿真、硬件调试和开放实验（模拟项目开发）的实践教学模式，提高了学生的实践能力和团队合作精神。
一、单片机实践教学培养方案
单片机实践能力培养流程如图1所示。
整个过程包括三部分内容：首先，Proteus仿真可以锻炼学生的电路设计能力、软件编程能力，可以通过Proteus和KEIL软件实现，以避免硬件资源的浪费；其次，通过仿真掌握了电路的基本设计知识和软件编程能力后，便可进入实际硬件的设计过程，使学生掌握硬件电路的调试和软件程序的编写过程；最后，通过开放实验项目，锻炼学生单片机的综合应用能力，并模拟工程项目的整个开发过程，更好的与企业接轨。
二、虚拟仿真与硬件调试设计方案
学生在对单片机系统设计不熟悉的情况下，盲目的进行实际硬件设计显然是不合适的，会导致大量的硬件资源的浪费，而Proteus软件却可以很好地解决这一问题，尤其是在一些经费不足、硬件条件匮乏的学校。Proteus提供的智能模拟仿真环境使得实验具有高效性与确定性，同时内嵌的图表分析使得实验结果直观明了，尤其是Proteus提供的多种单片机芯片及虚拟仪器，使得直接在PC机上进行预开发成为可能，[5]为后续的硬件电路设计和调试提供了理论依据。
1.Proteus基础实验模块
基础实验模块主要是使学生掌握内部结构、基本外围电路的设计和软件驱动程序的开发能力。设置内容包括：
（1）软件程序基础设计模块。主要进行片内清零与置数程序设计、拼字与拆字程序设计、数据块传送与排序程序设计。
（2）通用I/O控制实验模块。主要进行闪烁灯、流水灯、花样灯的硬件仿真和软件程序的设计。
（3）定时、终端与通信接口模块。主要进行定时/计数器的应用、中断应用、单片机间串口通信、单片机与PC机间串口通信实验设计。
（4）数码管显示实验模块。主要进行LED数码管静态显示、串行口驱动LED数码管显示、计数器设计、计时器设计、数码管移位显示、点阵显示。
（5）键盘应用实验。查询式键盘设计和矩阵式键盘识别实验。
（6）D/A和A/D转换器的应用。dac0832 D/A转换器的应用、tlc5615 D/A转换器的应用和adc0832（0808转化器的应用）、数字电压表的设计。
（7）显示器的应用实验。点阵LED的应用、LCD液晶显示器的应用。
（8）电动机控制。步进电动机启动、停止、正反转、转速控制实验和直流电动机起动、停止、正反转、转速控制实验。
2.Proteus综合实验设计
掌握了Proteus基础实验模块的内容后，下一步需考察学生对以上实验模块的掌握情况及综合运用能力，进而锻炼学生的单片机系统设计思维和能力。具体实验设置方案举例如下：一是数字电子时钟设计，可采用定时器或DS1302模块进行设计；二是模拟交通灯设计；三是按键控制热水器温度系统设计；四是篮球积分器设计；五是血压测量仪的设计。
3.Proteus制版和硬件调试实验
通过上述虚拟仿真实验的锻炼，学生已基本具备了单片机系统设计思想和软件编程能力，但硬件调试与软件仿真略有差异。硬件调试过程中总是不可避免的出现各种各样的问题，所以实际的硬件制版、焊接和调试能力设计是必要的。实际课程设计过程中，可锻炼学生这方面的能力。制版可以使用Proteus软件进行，避免使用其他学生不熟悉的软件，增加学生的负担。
三、开放实验设计方案
对于注重应用的单片机课程而言，实际的工程项目和产品开发能力、团队协作能力是必不可少的，而现在的在校学生很少有机会去参加公司的工程项目，申请国家和学校的创新项目的学生更是少之又少。笔者建议应通过设置开放实验实践教学的方式，模拟公司的项目申请、项目论证和项目结题，由学生组成3～5人的项目开发小组，自选开放实验题目，每个小组配备一名指导教师，学院根据本院的经费情况，资助一定的项目经费，制定严格的管理制度和评审机制。 1.开放实验申请基本条件
（1）开放实验主要面向已进行过单片机课程的大三、大二学生，适当加入大一学生，项目组成员建议有梯度，一般为3人，项目工作量大时可适当增加到5人。
（2）需要的先修课程包括“模拟电子线路”、“数字电子线路”、“单片机原理及接口技术”、“C语言程序设计”。
（3）选题应具有一定的实际应用价值，并注意成本控制，对超出申请经费的项目说明所选项目的创新性。
（4）项目申请书采用统一的格式，主要阐述背景、意义、研究内容与目标、研究方案和考核指标。
（5）指导教师应严格审查项目研究的意义和可行性，对于立项的项目应根据学院安排认真审查项目研究进度。
（6）开放实验项目的实施年限为1～2年。
（7）学院对本次开放实验计划统筹管理，监督实验室值班和指导工作，对实验成果进行审核。
2.开放实验项目具体要求
为了保证开放实验项目的顺利进行，学院应提供给学生专门的开放实验室，指导教师需要实时讲解学生在项目研究中遇到的问题。为了让学生能通过开放实验，锻炼动手能力、主动思维、团队协作能力，让学生在所选领域获得知识，取得成绩，根据以往经验，开放实验需做以下纪律要求（仅供参考）：
（1）开放实验项目授课期间，学生不能无故请假，如未到次数超过1/3，取消其开放实验项目资格。
（2）自主设计期间，每组每周至少实验4小时（以签到为准），每周由指导教师核查一次，不能遵照此条，取消开放实验项目资格。
（3）实验期间遵守实验室各项管理规定，爱护实验设备。
（4）在实验小组中，如指导教师发现有小组成员在小组中没有发挥作用，取消其实验资格。
（5）开放实验结束后，各指导教师审核实验结果，如没有实验成果或实验结果虚假，取消其实验资格，不给予学分。
（6）指导教师必须按照已申请实验内容，做好实践教学准备，严格遵守实验教学时间表，并在学生自主实验时间做好与学生的沟通和对学生的指导。
（7）指导教师必须在规定时间上交学生实验成果，如实验成果不具有真实性、专业性，不核发工作量。
总之，单片机是一门以实践能力培养为目标的课程，近几年针对塔里木大学的实际情况，一直致力于该课程实践教学方法的探索，并取得了良好的教学效果，尤其是开放实验项目的设置，提高了学生的学习兴趣和实践能力，但受经费的限制，无法保证每位同学都能参与该项目，该问题在资金匮乏的情况下很难解决。单片机实践教学仍然有许多工作值得我们去研究，只有不断探索、不断创新，才能更好地为培养学生服务。
参考文献：
[1]苗新法.单片机教学改革方案探索[J].中国现代教育装备，2009，（8）：79-80.
[2]张子红，刘鑫.基于Proteus的单片机课程教学改革[J].TOPICAL DISCUSS，2010，（11）：15-18.
[3]倪晓军，章韵.基于模块化实验系统的单片机教学改革[J].计算机教育，2009，（18）：136-139.
[4]邓文娟，朱兆优，王嵩.探索单片机教学改革提高学生工程实践能力[J].东华理工大学学报（社会科学版），2010，（12）：383-386.
[5]王旭英.基于Proteus的单片机教学改革研究[J].中等职业教育，2010，（3）：37-38.
（责任编辑：孙晴）