单片机课程中单片机实验教学的探索
文摘:单片机的发展、应用和研究将造就一批具有智能计算机控制的工程师和科学家。一些中学还开设了单片机课程设计及相关课程。实验教学是单片机与接口技术课程教学过程中的重要环节。针对单片机课程的教学改革,不断加强单片机课程的实验环节,改革教学方法,将虚拟仿真实验应用于单片机教学中。实践表明,该方法有利于激发学生的学习兴趣,培养学生的工程素养和创新能力,提高教学效果。
论文关键词:单片机;教学;模拟实验?
《单片机原理》是一门理论性、逻辑性和实践性都很强的学科,是电气类专业非常重要的专业基础课。它集微机接口、汇编语言、通信技术等知识点于一体,属于一门逻辑性、工程性、技术性、实践性都很强的专业基础课。该课程作为电气专业最重要的核心课程之一,是电气专业高素质技能型人才所需要的全部自动控制知识结构的载体,占有非常重要的地位。
而传统的单片机教学普遍注重课程本身的体系结构和前后的逻辑联系,都以学科体系为出发点,忽略了“可学性”,学生学得难,教师教得也难,教学效果却不明显。
一、研究背景和意义
目前单片机在全国被列为单独竞赛,考试中强调学生能力培养,学生技能素养教育成为重中之重。另外,社会需要高技能人才。许多学校为了适应社会发展和市场需求,在不同的专业设置了单片机课程。但是,单片机课程是一门实践性很强的课程。为了在教学过程中取得好的效果,必须要求学生在学习过程中多加练习。然而,一些学校的教学设备有限。如何解决这个问题?仿真实验课可以让学生在单片机的工作室里边做边学,真正的玩单片机,同时解决学生学起来枯燥,老师教起来吃力的尴尬局面。
目前,单片机教学中存在很多问题。比如单片机课程理论为主,实验教学多是开展验证实验。由于空间和时间的限制,学生除了在课堂上,很难接触到所需的设备,如模拟器和实验板,个人设备的成本太高,个人无法承担。而且实验箱只能验证实验的基本功能和意义,根本谈不上学生实践能力的培养和提高。单片机在当今社会的应用速度发展很快,但单片机教材陈旧,实验设备容易落后老化,必然带来成本等问题。因此,构建低成本的单片机仿真实验系统对单片机教学具有重要意义。不仅可以减少实验设备的投入,还可以提高学生的工程素质,培养学生的创新精神。在单片机控制系统的设计和开发中,既要突出设备的自动化和智能化,又要注重控制系统的工作稳定性,否则控制系统的优越性就体现不出来。
由于单片机控制系统应用系统的工作环境往往比较恶劣和复杂,其应用的可靠性和安全性已经成为一个非常突出的问题。单片机控制系统的应用必须长期稳定可靠运行,否则控制误差会增大,使系统失效,甚至造成巨大损失。
影响单片机控制系统应用可靠安全运行的主要因素是来自系统内外的各种电气干扰,以及系统结果设计、元器件选择、安装、制造工艺和外部环境条件。这些因素对控制系统的干扰后果主要表现在以下几个方面。(1)数据采集误差增大。(2)控制状态失灵。(3)数据因干扰而发生变化。(4)程序出了故障。
因为计数器的值在被扰动后是随机的,所以程序是混乱的。通常情况下,程序会执行一系列无意义的指令,最后进入“无限循环”,会造成严重的输出混乱或系统故障。
随着单片机及其接口技术的快速发展,目前职业教育存在着突出的问题:质量能力与规模能力不相适应,教学信息化程度低,陈旧的填鸭式课堂教学模式仍被广泛采用,“双师型”教师队伍建设机制不健全,科学管理水平和改革创新能力提上日程,管理制度不完善, 基本办学规范不健全,职业教育科学评价标准和机制不达标,学生成长“通道”不通。
从新的教学要求来看,这类课程仅仅在课堂上讲授基本原理是不够的。教学中要加强实践环节,开设一定数量的优质配套实验课程和独立实验课程,让学生有足够的实验机会。进而对单片机实验教学环境的建设提出了很高的要求。如何解决这个问题,单片机仿真实验应运而生。
二、“单片机仿真实验”初探
随着计算机技术的飞速发展,各种仿真系统出现在各个领域,为各种实用系统的开发提供了准确可靠的保障,为许多学校和企业节省了大量的人力物力。电子信息技术领域也有很多仿真工具,比如上课用的各种EDA工具;常用的电子应用仿真软件,如用于模数混合仿真的Protel和Multisim、用于数字系统设计的Fundation、Maxplus II和Expert等。
所谓“模拟”,就是通过开发工具,真实模拟用户系统的运行环境,让用户在透明可控的条件下观察系统的状态和结果。仿真实际上是一种软硬件的综合调试方法,可以提高应用系统开发的效率。
用通俗的话来描述“单片机模拟实验”,就是按照真实电路的设计思路,在虚拟电路板上放置一些虚拟元器件,模拟烧录ROM的实际过程,链接程序代码,“打开”电路,观察效果。如果不理想,可以反复修改电路或程序代码,直到符合设计要求。
模拟实验的好处是显而易见的。在没有仿真实验的时代,搭建一个真实的电路需要时间、精力和金钱,一不小心就可能浪费掉。另外,单片机中的ROM芯片被多次擦除,一个程序可能需要多次修改和擦除,无形中降低了ROM芯片的使用寿命。模拟实验是在电脑上进行的(可能会费一点电),不存在上述问题。而且就目前的仿真软件而言,仿真的电路效果和真实电路完全一样。毫不夸张地说,只要仿真成功,就可以直接在工厂的流水线上生产。
三、单片机仿真实验效果
新课程的核心理念是:“关注每一个学生的进步和发展,让每一个学生都能在课堂上积极参与交流、探索和报告,都能动起来,让每一个学生都能进入就近的发展区,有所收获,有所成功。”为了有效贯彻这一核心思想,经过一段时间的教学实践,逐渐发现单片机仿真实验是一种比较有效的教学方法。既解决了学生只学不练的矛盾,也缓解了部分学校的设备建设压力。