與船舶專業(yè)知識相結(jié)合的單片機(jī)實(shí)驗教學(xué)改革研究

1、    與船舶專業(yè)知識相結(jié)合的單片機(jī)實(shí)驗教學(xué)改革研究    方智 方春慧摘   要：為解決現(xiàn)有的單片機(jī)教學(xué)模式中理論與實(shí)踐相脫節(jié)的教學(xué)弊端，提出一種仿真和實(shí)驗板相結(jié)合的雙平臺單片機(jī)教學(xué)改革方案。主要采用“理論教學(xué)+keil 編譯軟件+proteus仿真軟件”和“實(shí)踐教學(xué)+keil 編譯軟件+實(shí)驗板”的虛實(shí)結(jié)合的雙平臺教學(xué)思路，將理論教學(xué)和proteus仿真平臺以及開發(fā)板實(shí)踐平臺相融合，兼顧虛實(shí)雙平臺的優(yōu)勢，結(jié)合船舶專業(yè)開設(shè)相關(guān)實(shí)驗使用單片機(jī)控制船模，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識和自主實(shí)踐的興趣，進(jìn)而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)和工程實(shí)踐能力，提高學(xué)

2、生創(chuàng)新意識的目的。關(guān)鍵詞：雙平臺  單片機(jī)  船舶  教學(xué)改革：g642.0                                ：a                        ：1674-098x（2019）06（a）-0217-03abstract： in order t

3、o solve the disadvantage that theory and practice are out of touch in the current teaching mode of single-chip computer， a teaching reform scheme of double-platform single-chip computer， which combines simulation and experimental board， is proposed. this paper mainly adopts the dual-platform teachin

4、g idea of "theory teaching + keil compiling software + proteus simulation software" and "practice teaching + keil compiling software + experiment board"， which integrates theory teaching with proeus simulation platform and development board practice platform， takes into account t

5、he advantages of both virtual and real platforms， and combines the advantages of the two platforms， sets up relevant experiments in ship specialty， uses single chip computer to control ship model， and stimulates students' interest in learning theoretical knowledge and practicing， so as to cultiv

6、ate students' scientific research quality and engineering practice ability， and improve students' innovative consciousness.key words： double-platform;single-chip computer;ship; teaching reform“大眾創(chuàng)新，萬眾創(chuàng)業(yè)”，掀起了全國上下創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的浪潮，作為創(chuàng)新人才培養(yǎng)的主要陣地，各大高校對此極為重視，各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽也層出不窮。在諸多創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中，以單片機(jī)為首的嵌入式系統(tǒng)課程的知識和技能是完成

7、比賽的基本條件。根據(jù)我校輪機(jī)工程及其自動化專業(yè)的本科人才培養(yǎng)方案可知，該專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)與現(xiàn)代造船業(yè)相適應(yīng)的高級工程技術(shù)人才，與此相適應(yīng)的核心課程就是以單片機(jī)為首的嵌入式系統(tǒng)課程。在高等院校創(chuàng)新型、研究型人才培養(yǎng)目標(biāo)的前提下，學(xué)生對單片機(jī)技術(shù)的學(xué)習(xí)，不僅要會應(yīng)用，還要熟練掌握單片機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造和設(shè)計原理，進(jìn)而達(dá)到理論與實(shí)踐相輔相成的學(xué)習(xí)目標(biāo)。1  存在問題首先，由于單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)主要由電路圖組成，而編程語言主要有英文字母組成，因此，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教師們多采用板書和多媒體結(jié)合的教學(xué)手段開展教學(xué)，造成講授的知識極為抽象，內(nèi)容極為枯燥。與此同時，傳統(tǒng)教學(xué)模式也造成了接口電路、程

8、序及運(yùn)行結(jié)果三者的割裂，這樣就無法檢驗接口電路是否可行、所編程序是否有效以及程序在電路中的運(yùn)行結(jié)果是否正確。實(shí)踐證明，這樣不直觀、抽象晦澀的教學(xué)方式，直接導(dǎo)致了教學(xué)效果大打折扣。其次，單片機(jī)的傳統(tǒng)教學(xué)中也有課內(nèi)實(shí)驗，但是通常采用在實(shí)驗室里用“電腦+集成好的實(shí)驗板”的教學(xué)方式。由于實(shí)驗電路已固定，大多數(shù)實(shí)驗為驗證性實(shí)驗，只需簡單的連線即可完成，導(dǎo)致學(xué)生無法了解接口電路工作原理，學(xué)習(xí)興趣也不大。同時，現(xiàn)有的教學(xué)模式還將單片機(jī)單獨(dú)獨(dú)立出來，無法與專業(yè)課程體系相融合，使得學(xué)生無法直觀地了解所學(xué)知識在行業(yè)中的應(yīng)用。以上單片機(jī)傳統(tǒng)教學(xué)的三種現(xiàn)狀，造成了目前學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)課程“知其然而不知其所以然”的局面，

9、嚴(yán)重影響了專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，也非常不利于學(xué)生創(chuàng)新精神和能力的培養(yǎng)。因此，應(yīng)用新的教學(xué)工具、教學(xué)軟件和教學(xué)方法，進(jìn)行單片機(jī)課程的教學(xué)改革，提高單片機(jī)課程的教學(xué)質(zhì)量，勢在必行。鑒于此，我們提出了“基于虛實(shí)結(jié)合的雙平臺單片機(jī)教學(xué)改革探索研究”的項目研究，擬通過此研究，將解決現(xiàn)有的單片機(jī)教學(xué)模式中理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相脫節(jié)的問題，在有限的課時內(nèi)，消除傳統(tǒng)教學(xué)弊端，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，既讓學(xué)生了解更多的知識，又能使理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相得益彰，還能使教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)課程體系以及行業(yè)相融合，從而達(dá)到學(xué)生科研素質(zhì)和工程實(shí)踐能力提升，學(xué)生自主創(chuàng)新意識提高的教學(xué)目標(biāo)。2  “虛實(shí)結(jié)合”的雙平臺教改方案本

10、項目擬在單片機(jī)課程改革中采用“虛實(shí)結(jié)合”的雙平臺教學(xué)模式，先虛擬平臺后開發(fā)板平臺，雙平臺同時出現(xiàn)，兼顧雙方優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自不足，大大提高了學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的雙重能力，激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新的興趣。2.1 “虛擬”環(huán)節(jié)學(xué)原理proteus仿真軟件4不僅能仿真單片機(jī)的工作情況，也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。proteus仿真軟件所提供的元件庫中，大部分可以直接用于接口電路的搭建，同時該軟件所提供的儀表，不管在質(zhì)量還是數(shù)量上，都是可靠和經(jīng)濟(jì)的。對同一類功能的接口電路，可以采用不同的硬件來搭建完成，而不需要花費(fèi)任何硬件成本，大大激勵了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造力，這也是工科學(xué)生工程素質(zhì)養(yǎng)

11、成的重要內(nèi)容。因此，采用proteus仿真軟件作為單片機(jī)課程教學(xué)平臺，通過“理論教學(xué)+keil編譯軟件+proteus仿真軟件”虛擬的教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以對單片機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造結(jié)構(gòu)和編程語言的設(shè)計原理有細(xì)致的學(xué)習(xí)，對單片機(jī)的硬件部分包括存儲器結(jié)構(gòu)、并行i/o 接口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行接口等的工作原理有更深入的理解，不僅克服了用單一開發(fā)板中硬件電路固定、學(xué)生不能更改、實(shí)驗內(nèi)容固定等方面的局限性，也可以擴(kuò)展學(xué)生的思路和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生對單片機(jī)硬件系統(tǒng)的構(gòu)建能力和對單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計能力的目的。2.2 “實(shí)驗”環(huán)節(jié)重創(chuàng)新proteus仿真總歸是軟件，其運(yùn)行過程總是保持在最理想的

12、狀態(tài)，和實(shí)際電路還是存在一些區(qū)別的。比如仿真時默認(rèn)單片機(jī)的復(fù)位電路和時鐘電路是已經(jīng)存在的;默認(rèn)所有引腳接高電平;有些較新的芯片在庫里找不到;有些芯片即使能夠在庫里找到，但仿真時序和實(shí)際有別。因此，在教學(xué)改革中，除了proteus仿真軟件的應(yīng)用，實(shí)驗板的實(shí)踐環(huán)節(jié)也不可或缺。在“實(shí)踐教學(xué)+keil編譯軟件+實(shí)驗板”的真實(shí)實(shí)驗板的教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以對單片機(jī)系統(tǒng)有更直觀的認(rèn)識和熟悉。每位學(xué)生在自己的筆記本或臺式機(jī)上安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序、相應(yīng)的編程軟件，可方便地在任何地點(diǎn)完成程序的編寫和系統(tǒng)編程調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)實(shí)驗平臺的便攜化，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的便利性，激發(fā)其動手實(shí)踐創(chuàng)新的興趣。3  具體

13、措施3.1 “理論教學(xué)+keil編譯軟件+proteus仿真軟件”虛擬教學(xué)平臺在32學(xué)時的課程體系中，前8學(xué)時用來課堂講解單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及單片機(jī)的工作原理，使得學(xué)生對單片機(jī)有一個整體的感官。在接下來的4學(xué)時講解單片機(jī)編程語言以及keilc51編譯軟件的應(yīng)用，使得學(xué)生在keil編譯軟件中編寫簡單運(yùn)算程序及查看運(yùn)行結(jié)果的過程中，更直觀地學(xué)習(xí)單片機(jī)內(nèi)部存儲器的結(jié)構(gòu)和存儲原理，以達(dá)到對理論知識的鞏固和直觀認(rèn)識的目的。使用4學(xué)時分部講解單片機(jī)的并行接口，定時器/計數(shù)器和中斷系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容，中間穿插4學(xué)時的課堂時間用來proteus仿真軟件的仿真練習(xí)，實(shí)驗室每臺電腦都配置keil編程軟件以及pro

14、teus仿真軟件。課堂實(shí)驗采用“虛擬仿真動態(tài)數(shù)碼管顯示”和“虛擬仿真航標(biāo)燈控制器”的案例，老師帶領(lǐng)學(xué)生對其中一個項目進(jìn)行建模，電路設(shè)計，程序流程圖設(shè)計，編寫代碼，繪制電路，進(jìn)而仿真模擬。學(xué)生手提筆記本中也安裝keil編程軟件以及proteus仿真軟件，要求學(xué)生利用課堂和課余時間獨(dú)立完成另一個實(shí)驗項目的仿真模擬，鍛煉學(xué)生連接單片機(jī)接口電路，編寫中斷服務(wù)程序以及使用定時/計數(shù)器的能力。并且建立建立一個答疑交流的qq群，使得學(xué)生可以能夠隨時對課程內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，對課本例題或者自己自創(chuàng)的題目在proteus仿真軟件中進(jìn)行驗證和模擬，并且能夠與老師和同學(xué)及時進(jìn)行信息交流，達(dá)到讓學(xué)生學(xué)有參考，問有答案，練有

15、指導(dǎo)的學(xué)習(xí)體驗。3.2 “實(shí)踐教學(xué)+keil 編譯軟件+實(shí)驗板”實(shí)驗板教學(xué)平臺在經(jīng)學(xué)校立項的教學(xué)研究項目的支持下，建立一個全方位的單片機(jī)學(xué)習(xí)環(huán)境，包括40套51單片機(jī)最小系統(tǒng)開發(fā)板的硬件實(shí)驗室，實(shí)驗室中每臺電腦和學(xué)生手提筆記本中均安裝keil編程軟件以及proteus仿真軟件。課程使用8學(xué)時分部講解單片機(jī)串行口以及系統(tǒng)擴(kuò)展和接口電路的相關(guān)內(nèi)容知識，中間穿插4學(xué)時的實(shí)驗時間用來實(shí)驗板的實(shí)踐學(xué)習(xí)。課堂實(shí)驗采用“實(shí)驗板設(shè)計pwm輸出”的案例，老師和學(xué)生一起學(xué)習(xí)pwm原理以及對實(shí)驗板進(jìn)行設(shè)計和焊接，將單片機(jī)知識和船舶模型相結(jié)合，鍛煉學(xué)生對單片機(jī)實(shí)驗板進(jìn)行焊接的能力以及編寫系統(tǒng)擴(kuò)展程序的能力，激發(fā)學(xué)生自

16、主創(chuàng)新的意識。3.3 課后大型綜合設(shè)計實(shí)驗平臺大型綜合設(shè)計項目以創(chuàng)新設(shè)計能力為主要培養(yǎng)目標(biāo)，綜合考察全面應(yīng)用單片機(jī)各個知識點(diǎn)的能力，將原來分散的小型演示驗證實(shí)驗集成為一個大型的系統(tǒng)設(shè)計項目。本實(shí)驗作為學(xué)生的課程設(shè)計作業(yè)，將學(xué)生按3-4人為一組進(jìn)行分組，以“基于51單片機(jī)的簡易螺旋槳調(diào)速器開發(fā)”為設(shè)計題目進(jìn)行軟硬件開發(fā)。同時鼓勵學(xué)生自創(chuàng)項目，要求與船舶專業(yè)知識相結(jié)合，并且能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識點(diǎn)應(yīng)用全面。學(xué)生分組選擇項目后，組織學(xué)生討論，使學(xué)生充分發(fā)揮想象力，引導(dǎo)學(xué)生思考并提出項目解決方案，描繪出設(shè)計藍(lán)圖;然后開始查找資料、論證方案、設(shè)計電路、焊接硬件、編寫程序、最后調(diào)試，整個過程以學(xué)生為主，教師指導(dǎo)點(diǎn)

17、撥為輔，注重培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、單片機(jī)軟硬件設(shè)計能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。4  結(jié)語本項目采用虛實(shí)雙平臺的教學(xué)改革方案，將理論教學(xué)和proteus仿真平臺以及開發(fā)板實(shí)踐平臺相結(jié)合，將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)融合，兼顧虛實(shí)雙平臺的優(yōu)勢，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識和自主實(shí)踐的興趣，進(jìn)而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)和工程實(shí)踐能力，提高學(xué)生創(chuàng)新意識的目的。本項目具有以下創(chuàng)新點(diǎn)。（1）突破傳統(tǒng)僅采用實(shí)驗板或仿真軟件的單一平臺教學(xué)模式，將proteus仿真平臺和開發(fā)板實(shí)踐平臺相結(jié)合，兼顧雙平臺的優(yōu)勢。在proteus仿真平臺教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)生可以對單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和接口電路原理有更深入的理解，在開發(fā)板實(shí)踐環(huán)節(jié)學(xué)生可以對單片機(jī)系統(tǒng)有較直觀和客觀的認(rèn)識，為學(xué)生提供較為便利的學(xué)習(xí)機(jī)會，提高學(xué)生的創(chuàng)新興趣。（2）將單片機(jī)知識和船舶專業(yè)知識相結(jié)合，采用“航標(biāo)燈設(shè)計”和“螺旋槳轉(zhuǎn)速控制”兩個實(shí)踐項目，使得學(xué)生對單片機(jī)在專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用有細(xì)致的了解