单片机接口实验教学改革

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摘 要 ：针对硕士研究生单片机接口实验教学中存在的学生单片机基础参差不齐、课时少、实验内容多等诸多矛盾,分别在教学内容、教学形式、考核方式上进行了相应改革.实践证明,采用新的教学方法后,课堂气氛更加活跃,学生的学习积极性得到了提高,整体教学效果得到了很大改善.

关 键 词 ：单片机接口实验；硕士研究生教学；教学改革

作者简介：闫景富（1978-）,男,山西平遥人,中国石油大学（北京）信息学院,讲师；钱步仁（1964-）,男,江苏泰州人,中国石油大学（北京）信息学院,副教授.（北京 102249）

基金项目：本文系中国石油大学（北京）2012年度“研究生教育质量与创新工程”项目的研究成果.

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）03-0136-01

电类专业的学生在本科阶段已经学过类似于“单片机原理及应用”的课程,对单片机结构和工作原理以及利用汇编语言或C语言进行程序开发都具备了一定基础.然而,通过以往对学生的调研发现,好多学校在本科开设单片机课程时,采用proteus仿真软件来代替实际硬件电路进行课堂实验,这对初学者而言有一定好处,可以将学生的主要精力放在单片机程序开发上,而不必过多考虑电路相关问题.但另一方面,这也造成了学生不能从电路层面真正了解单片机接口电路的开发,甚至影响了学生对某些编程细节的理解.此外,本科阶段的单片机课程基本处于培养计划中有关MCU、MPU及EDA课程体系的最开始阶段,学这门课的学生首先需要经历一个从电子技术基础、C语言编程等基础知识向以微处理器为核心、通过软件编程实现系统功能的思想跨越,这一思想转变对初学者来讲有一定难度,再加上当时课时又比较紧张,因此除了在课外竞赛或本科毕设中用到过单片机的同学外,多数同学对单片机掌握的情况其实并不理想.而到了研究生阶段,基于微处理器的C语言编程几乎是每个学生应该具备的一项基本技能.为了让学生能更快提高自己这方面的能力,更好地融入到科研项目当中,笔者所在学校面向硕士研究生开设了单片机接口实验课程.尽管学生已经有了相关知识基础,但课堂面临着学生基础参差不齐、课时少、实验内容多等问题,为了解决好以上矛盾,笔者在教学方法上进行了改革尝试,取得了明显效果.

一、转变指导思想,优化教学内容

在以往的教学过程中发现,选课学生的单片机基础不尽相同,多数学生对学过的内容遗忘了很多,甚至有极少数学生以前没有接触过单片机,为了更好地帮助学生回忆知识,让所有学生都能跟上课堂进度,往往要花6～8个学时给学生讲解单片机的结构、片上资源及其工作原理以及单片机C语言等相关知识,即便这样教学效果还不是很理想,在后续的实验课上仍然发现不少同学没能真正消化课堂上所讲的内容.6～8个学时相对课程总的32学时来讲已经算是占用了不少课时,但要想让学生用这么短时间就把之前学的知识完全捡起来,客观来讲确实有一定难度.而且在教学过程中还发现,有些学生尽管单片机知识掌握了,但到编程的时候还是不知道该如何下手,反映出学生对编程的生疏.

针对以上问题,笔者经过认真思考,认为解决问题的办法应该是设法提高学生的主观能动性,让学生利用课外时间通过自学去弥补单片机知识上的不足,而老师在课堂上应更多地以简单实例进行示范性讲解,使学生对编程有足够的认知,对编程别再那么生疏,比如：通过GPIO口控制LED灯亮灭的跑马灯实验,控制七段数码管的静态、动态显示实验,输出固定频率的PWM信号等等.尽管实验内容很简单,但结合完整的程序,通过逐字逐句的解释,学生可以从这些示例中学到很多编程的细节或应该注意的问题.课程初期学生一旦能够顺利融入课程,随着课堂的进行、编程能力的提高,后面较为复杂的实验自然水到渠成.反观以前的教学中,让学生自学单片机的内容,学生觉得很枯燥,而且自学以后还是存在无法解决编程的问题,教学效果受到了影响.

通过调整课程初期的教学内容,帮助学生解决真正棘手的问题,实现从以往以教师为中心的知识讲解向以学生自学为主、教师示范指导为辅的教学模式的转变,不仅节省了课时,同时还提高了学生学习主动性,收到了好的教学效果.

二、更换实验设备,改变教学形式

对于实验课程,实验设备是课堂开展的平台和载体,设备的选取至关重要.以往教学中实验设备采用体积较大的实验箱,实验内容丰富,从简单的有关并行IO口控制的按键、LED灯实验到中等难度的A/D、D/A接口实验,一直到复杂的液晶显示、USB接口等实验,可以循序渐进地培养学生的编程能力,但同时也存在一个弊端,那就是由于实验箱体积较大,只能将其固定放在专业实验室,这在一定程度上给学生带来不便.尽管该实验室是开放的,但难免实验室安排有课或者其他活动,学生对实验箱很难做到“长时间零距离”接触,而这一点在课程初期很重要.上面已经提及,一方面学生已经有了相关知识基础,另一方面课程学时又很紧张,因此从教师角度而言,当然是希望学生能越早下手编程越好,课程的目的是通过大量从简到繁的实验直接培养学生对微处理器常见接口的开发能力,而不希望学生由于接触实验箱的时间得不到保障而影响了学习的进度.

为了能让学生更方便地使用实验设备,我们购买了体积小的实验箱,长、宽、高尺寸仅为200（mm）×150（mm）×60（mm）,而且做到人手一个,在整个开课期间由学生自己保管.由于携带方便,所以无论在实验室还是宿舍,学生只要编好一段程序便可很方便地在实验箱上进行调试和验证,这在某种程度上也提高了学生学习的积极性.尽管实验箱体积小,但是支持的实验内容同样很丰富,这主要归功于实验箱上的元器件均采用贴片的小体积封装,大大节省了电路板面积；此外,很多模块并没有直接出现在实验箱上,而是以接线口的形式预留出来,实验箱中再配以一个个独立的功能模块,从而有效减小了实验箱的尺寸.

通过更换实验设备使学生更能方便地验证所编写的程序,提高了学习的连贯性.以往课程的进度基本以课堂为主线,比如一次课或两次课做一个实验,未完成的同学再利用课后时间将实验做完,但由于这种可调节的时间弹性范围较小,再加上学生之间在单片机基础和编程能力上存在较明显的差别,老师有时难以把握课程进度.更新实验箱以后,学生可调配的用来做实验的时间更加充足,学有余力的学生可以走在课堂前面做一些较综合的实验,而基础相对薄弱的学生,可以课外多花一些时间练习编程并随时通过实验箱进行功能验证.整个学习过程中,学生具有更大的独立性、自主性、探索性,[1]这对培养研究生的专业技能和整体素质都是非常有益的. 三、丰富试题内容,调整考核方式

为了能够对学生整个学习过程和学习效果作出合理评价,学生成绩的评定主要源于平时课堂实验的表现和期末大作业的完成情况,两者各占50%的比例.课堂实验涉及的内容较多,其完成情况可以直接反映出学生对知识和编程的熟悉程度以及思考问题、解决问题的能力.为了圆满完成课堂实验,学生的积极性也会相应提高,学生之间经常就编程思路、调试中遇到的问题展开讨论,课堂气氛活跃.[2]老师在和学生讨论的过程中,有时也能被激发出灵感,甚至从学生那里学到一些巧妙的解决问题的方法.总之,课堂氛围好了,大家对课程的兴趣就更加浓厚,能力提高也就更快.

期末大作业都是综合性的实验,通过一个完整的题目,将平时实验中的至少三四个实验内容联系到一起,培养学生工程化、系统化思维,并且在作品提交时要进行简单答辩,这样可以敦促学生更深入地思考问题.大作业的题目要做到动态更新,参考各类竞赛以及教师科研中遇到的实际问题,经提炼形成合适题目后随时加入到试题库中.这些题目不仅可以培养学生分析问题的能力,还可以让学生了解教师的科研内容和目前科学研究的现状与发展.[3]如果有的实验模块实验箱上不具备,可以让学生自行研制或者采用别的资源更丰富的实验箱.

通过加大对学生平时表现的考核比重,丰富期末大作业题目内容,在一定程度上减少了以往少数学生散漫、学习不积极的现象,使得讨论成为了课堂的主旋律,学生的创新思维和综合能力在讨论中得到培养与提高.

四、结论

实验类课程不同于理论课,需要在熟悉理论知识的前提下进行,然而对于我校面向硕士研究生开设的单片机接口实验课程而言,相关理论知识的学习已经过去一两年,而且每个人的基础也不尽相同,因此在以往的教学中面临着诸多困难.通过在教学内容、教学形式、考核方式等多方面的改革,课堂气氛得以改善,学生学习的积极性得以提高,教学质量得到了保证.