任肖麗，王驥，劉思鳳

（廣東海洋大學(xué)，廣東 湛江）

單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支，單片機(jī)課程具有實(shí)驗(yàn)性強(qiáng)、原理抽象的特點(diǎn)，因此單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要作用。為了學(xué)生更好地掌握這門課程，我院教師經(jīng)過多年教學(xué)探索，采用軟硬件結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，將軟件虛擬仿真和硬件調(diào)試相結(jié)合，得到良好實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

一 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在問題

在高校單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一般存在以下方面問題：（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一。傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常是學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書步驟，在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行接線，之后在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行調(diào)試程序，這種教學(xué)模式下的實(shí)驗(yàn)，會造成學(xué)生只為得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而忽略硬件電路和程序設(shè)計(jì)分析過程；（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排不夠合理。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只需在實(shí)驗(yàn)箱上按實(shí)驗(yàn)步驟接線，再運(yùn)行給定程序即可完成實(shí)驗(yàn)，而設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)相對較少，不利于培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力；（3）實(shí)驗(yàn)成績考核制度不完善。實(shí)驗(yàn)成績考核方式主要以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主，沒有明確的科學(xué)依據(jù)，不能客觀給出學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績，削弱了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性。

二 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

針對單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些弊端，總結(jié)多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出以下幾點(diǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新方案。

（一）更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

基于虛擬仿真軟件的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)越來越廣泛。通過虛擬仿真軟件，很多實(shí)驗(yàn)都可以在軟件環(huán)境中得以實(shí)現(xiàn)，從而使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加便捷。虛擬仿真單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是以Proteus[1][2]為核心，結(jié)合Keil C51[3]進(jìn)行單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的軟件仿真，將虛擬仿真軟件應(yīng)用于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以使學(xué)生全面了解單片機(jī)系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)、仿真和測試，從而能夠利用虛擬仿真獨(dú)立設(shè)計(jì)和解決實(shí)際問題。

目前廣東海洋大學(xué)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用的是軟硬件結(jié)合形式進(jìn)行。其中，以Proteus 虛擬仿真工具和Keil 編譯工具為軟件設(shè)計(jì)平臺，以一種新型八位單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)箱作為可選的硬件實(shí)現(xiàn)輔助平臺。

利用Proteus 仿真軟件可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電路的虛擬仿真，操作簡單方便，結(jié)果直觀。Keil C51 軟件提供了多種調(diào)試、運(yùn)行程序的方法，支持匯編語言和C 語言的源語言混合調(diào)試。學(xué)生在課余時(shí)間可以利用Proteus 繪制電路原理圖，再利用Keil 軟件調(diào)試所寫程序，無誤后可下載到Proteus 仿真電路的單片機(jī)中，隨時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)過程，如果學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)積極性不高，可以課后作業(yè)的形式來要求其完成實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)，以便在有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)下能達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果。在實(shí)驗(yàn)課前繪制實(shí)驗(yàn)電路并進(jìn)行模擬仿真，課堂上再將仿真調(diào)試后的程序下載到實(shí)際硬件電路中，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，從而能更好地掌握所學(xué)知識。

作為硬件實(shí)現(xiàn)輔助平臺之一的新型八位單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)主要由系統(tǒng)總線單元、面包板總線擴(kuò)展單元和實(shí)驗(yàn)接口單元組成，實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用Keil C51 集成開發(fā)環(huán)境作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試、開發(fā)的工具，采用單元化電路，所有實(shí)驗(yàn)資源完全開放給用戶，支持“驗(yàn)證式、模仿式、探索式和開發(fā)式”四種實(shí)驗(yàn)方法的綜合運(yùn)用，可以提高學(xué)生動(dòng)手操作和設(shè)計(jì)開發(fā)的能力。

作為硬件實(shí)現(xiàn)輔助平臺之二的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)箱采用的是母板+子板結(jié)構(gòu)，母板如圖2 所示，子板采用的是51 系列單片機(jī)學(xué)習(xí)子板，如圖3 所示。利用Proteus 繪制系統(tǒng)電路原理圖，通過Keil C51 編寫實(shí)驗(yàn)程序，將其生成的HEX 文件加載到Proteus 單片機(jī)中進(jìn)行虛擬仿真，無誤后，利用該實(shí)驗(yàn)箱專門下載軟件WWISP 通過USB 下載線將HEX 文件燒錄到硬件電路單片機(jī)中，WWISP 下載器軟件界面如圖4 所示，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的軟硬件實(shí)現(xiàn)。

對于一些不需要實(shí)物支撐的知識點(diǎn)，可以要求學(xué)生使用Proteus 仿真軟件和Keil 軟件，畫出電路仿真原理圖，編寫C 語言程序，并進(jìn)行兩個(gè)軟件的聯(lián)機(jī)調(diào)用，演示預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果；對于需要硬件實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，在Proteus 和Keil 軟件仿真調(diào)試基礎(chǔ)上，選擇實(shí)驗(yàn)室硬件輔助平臺之一，將程序生成的HEX 文件下載到硬件單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)功能，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師現(xiàn)場進(jìn)行指導(dǎo)，確保每一個(gè)學(xué)生都能得到點(diǎn)評和指導(dǎo)。學(xué)生有問題可以直接提出，也可以分小組互相討論，最后每一個(gè)學(xué)生都必須完成設(shè)計(jì)任務(wù)，達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)。

以當(dāng)前人工智能為契機(jī)，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)不局限于實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生登錄系統(tǒng)可隨時(shí)使用實(shí)驗(yàn)室資源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教師可隨時(shí)檢查學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況，加強(qiáng)教師與學(xué)生之間的互動(dòng)，使實(shí)驗(yàn)室資源高效為師生所用。

（二）完善實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書內(nèi)容

目前實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容缺少學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)部分，不利于培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決實(shí)際問題的能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選取應(yīng)該更注重設(shè)計(jì)性和綜合性，讓學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，提升分析和設(shè)計(jì)能力。

在每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，可適當(dāng)對程序?qū)崿F(xiàn)的功能進(jìn)行擴(kuò)展，增加1-2 個(gè)選做實(shí)驗(yàn)，啟發(fā)學(xué)生思考，進(jìn)而使學(xué)生更深入掌握所學(xué)知識，鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間內(nèi)完成自己感興趣的選做實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生更深入地對程序有個(gè)理解運(yùn)用過程。

對于一些較復(fù)雜的綜合性和提高性實(shí)驗(yàn)，可以給出以填空的形式給出部分實(shí)驗(yàn)程序，學(xué)生必須在理解電路原理，讀懂程序的基礎(chǔ)上，才能正確補(bǔ)充所缺程序語句，從而引導(dǎo)學(xué)生對整個(gè)實(shí)驗(yàn)軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和思考。

（三）重視課程設(shè)計(jì)

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是單片機(jī)課程理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)學(xué)生對所學(xué)基礎(chǔ)知識的理解與鞏固，是培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的綜合設(shè)計(jì)能力的重要環(huán)節(jié)。課程設(shè)計(jì)題目應(yīng)該多樣化，給出多個(gè)課題供學(xué)生選擇。首先介紹課題的要求、難點(diǎn)及注意事項(xiàng)，利用proteus 繪制電路原理圖，通過proteus 和keil 仿真調(diào)試，自制實(shí)驗(yàn)板驗(yàn)證和仿真，無誤后撰寫所設(shè)計(jì)報(bào)告，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)答辯。課程設(shè)計(jì)時(shí)間為一周，具體安排如表1 所示。

表1 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及時(shí)間安排

對于電子專業(yè)的學(xué)生，單片機(jī)課程基本在學(xué)生大三時(shí)開始，學(xué)生可以在前期的電子工藝實(shí)習(xí)課程中，做出一個(gè)系統(tǒng)電路，可用于在后續(xù)課程的實(shí)驗(yàn)中，這樣既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，又能使學(xué)生對軟硬件設(shè)計(jì)有個(gè)全面認(rèn)識，將專業(yè)知識具體化生動(dòng)化。對于即將畢業(yè)的學(xué)生來說，經(jīng)過課程設(shè)計(jì)的一系列鍛煉，可以使大部分學(xué)生對畢業(yè)設(shè)計(jì)有一定認(rèn)識，為撰寫高質(zhì)量論文奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。

（四）健全學(xué)生實(shí)驗(yàn)考核機(jī)制

良好的實(shí)驗(yàn)考核機(jī)制可以對學(xué)生的成績進(jìn)行合理有效的評價(jià)，促進(jìn)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。考核依據(jù)為學(xué)生的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試，系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試、撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告、綜合分析和解決問題能力?？己酥饕h(huán)節(jié)主要包括設(shè)計(jì)方案選擇、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試、創(chuàng)新思維和撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告等。

對實(shí)驗(yàn)考核成績的評定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完善[4]。將實(shí)驗(yàn)總成績分為實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩部分，其中，實(shí)驗(yàn)操作成績占實(shí)驗(yàn)總成績的60%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告分?jǐn)?shù)為實(shí)驗(yàn)總成績的40%。實(shí)驗(yàn)操作成績包括實(shí)驗(yàn)過程中隨機(jī)考核成績（20%）、實(shí)驗(yàn)綜合表現(xiàn)成績（10%）和實(shí)驗(yàn)操作考試成績（30%）。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限，學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)時(shí)會造成分組中有個(gè)別不積極的學(xué)生沒參與到實(shí)驗(yàn)操作中，這就要求教師在驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，隨機(jī)對學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考核，根據(jù)所提問題的回答情況了解學(xué)生的掌握程度，給出相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，對于沒掌握的學(xué)生要求其重新操作實(shí)驗(yàn)并根據(jù)最后情況給出分?jǐn)?shù)；實(shí)驗(yàn)綜合表現(xiàn)成績采用加分的激勵(lì)方式，對于實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)及操作過程中態(tài)度認(rèn)真，積極性高的學(xué)生給予不同程度的加分獎(jiǎng)勵(lì)，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)思考; 最后實(shí)驗(yàn)操作考試在平時(shí)所做實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，隨機(jī)抽取考試題目，以筆試和實(shí)際操作相結(jié)合的方式考核，全面考查學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握程度和分析設(shè)計(jì)能力。

三 結(jié)語

本文根據(jù)單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題和我們從事單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的體會，以“培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力”為目標(biāo)，致力于研究單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式，根據(jù)我院特點(diǎn)[5]，進(jìn)行單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，實(shí)行軟硬件結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與考核機(jī)制，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，提升學(xué)生理論水平和實(shí)驗(yàn)分析設(shè)計(jì)能力，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他相關(guān)專業(yè)課程打下了良好基礎(chǔ)。