處理芯片類課程的教學法改革初探

許強 重慶交通大學信息科學與工程學院 400074

處理芯片類課程的教學法改革初探

許強 重慶交通大學信息科學與工程學院 400074

針對電類專業涉及處理芯片類的專業課程，如《單片機及應用》等，根據學生學習的階段特點，設計“三步”教學法，第一步以基礎仿真教學法為主，注重初期學生的理論扎實性和生動性；第二步突出集成仿真教學法，引導學生工程系統集成設計的培養；第三步虛實結合教學法，突顯實作技能培養的目的性，提高學生實際設計、調試和各儀器運用綜合能力。此套教學法，減少了教學的抽象性、復雜性、節省了教學成本、增強了趣味性，提高了學習信心。

仿真;集成仿真;虛實結合;教學改革;

1、引言

處理芯片類課程涉及《單片機原理及應用》《微機原理接口技術》《嵌入式系統原理及應用》《EDA原理及應用》等課程，受眾學生多，在各大專院校、 職業培訓學校均開設，且開設的專業也多，如電子信息、計算機應用、通信工程、機電一體、儀器儀表、自動控制等專業，這類課程的共同特點是注重理論，更重視實訓，是專業職業教育的終端課，是對電氣信息類專業學生的職業生涯有巨大幫助的課程。

通過走訪調查，發現許多高校、職校和培訓機構就這類課程采用傳統式的教學法還有一定比例，課堂上少量的板書和大量的PPT文檔和圖文施以教學，缺乏直觀生動的教學方法，而且少有集成大系統在課堂上進行圖示分析和系統設計過程的解析，在實驗課上，還局限于實驗箱上的實訓，實驗單一、簡單手工化，無法得到實質訓練，也有少量采用芯片搭建訓練，但消耗成本高、單一實驗周期長、內容單一、缺少真正系統集成[1][2]。針對這些不足，探索符合這類課程的教學理念、內容、方法和手段，是非常迫切的。筆者提出了基礎仿真教學法、集成仿真教學法和虛實結合教學法為一體的三步驟教學法，此處稱“三步”法，就是以基礎仿真為基礎訓練，集成仿真為深度訓練，虛實結合為工程系統綜合設計性演練的教學套路。經過筆者多年的教學實踐證明，該教學法是行之有效的，學生學習效果、創新能力明顯得到加強。

2、“三步”教學法在教學過程中的應用

2.1 基礎仿真法的應用

在眾多仿真及開發軟件，如Protues、Labview、EWB、MATLAB、ORCAD、Protel、PSPIC、Multisim、VB、VC等，選中適合處理芯片類課程的仿真軟件Protues，適合數據處理分析的仿真軟件MATLAB，在處理芯片類課程的理論教學中，以MATLAB對公式、處理算法的仿真分析，目的是支持應用環節的算法編程，比如類似自動控制PID調節算法等，讓學生真正撐握應用中的高尖知識。但最重要的是采用Protues軟件，由于軟件本身提供了上千種虛擬器件，包括多種類型的處理芯片，并可在其上搭建虛擬系統，逼真模仿實際系統邏輯的運行，教師在施教前，必須備好對應章節的虛擬系統，比如就《單片機原理及應用》課程，我們建立好了虛擬實驗庫，所涉如接口擴展、8255/8279/8253、鍵盤、LED動態顯示、LCD顯示、A/D轉換、D/A轉換以及串行口和MAX232、陣列鍵盤與顯示組織、步進電機、直流電機控制等實驗內容，充分覆蓋教材各章節的理論、公式和芯片模塊內容。在實驗課上，采用廣泛覆蓋原則，編排基礎仿真設計講解的項目，但基礎仿真系統項目突出第二步提到的集成仿真項目的各部件內容。比如，為了達到圖1的綜合平臺系統的設計，在基礎仿真實驗項目安排上，選擇了接口擴展、8255、鍵盤、LED動態顯示、A/D轉換、D/A轉換以及串行口和MAX232等實驗內容作為基礎仿真設計講解，并安排實驗在8個課時左右，每個課時要讓學生完成一個老師指導下的設計演示驗證小實驗，通過動手設計電路圖、程序，并與課堂講解內容相結合，從而鞏固學生的基礎知識。

基礎仿真法一定在入門階段使用（即各章節講解段）。由于電路圖與程序逼真地結合，動感十足，讓課堂教學更生動直觀，學生易理解、互動性強，讓課堂教學與實驗課既是可行的，又具有吸引性和挑戰性。

2.2 集成仿真教學法的應用

由于芯片類課程教材大多數特點是：按章節，孤立解析相應模塊的原理，加上傳統教學中一般很難作到，將實際工程產品再結合章節內容，實施直觀詳細全面解析。不少學生把這類課程僅作為功能原理學習課，學完課程后很難將所學融入自主工程設計中去，更談不上創造了，其后果是學生僅為考試而學，因考試的本身又以功能原理的知識點為主。調查發現，學生所學離實際工程應用相差甚遠，為此學生常常產生怨言、社會對大學生職業能力產生質疑。

如何擺脫這種只顧原理知識點，不顧工程職業素質訓練的缺陷教學，我們制定了第二階段教學法：集成仿真教學法。即集成前期多項單一仿真項目為一體（即：應用系統）的過程實施教學法。

Protues為集成仿真教學法的開展提供了可能，在教學實踐過程中，筆者總結了如下實施過程：

1）、建立好與理論、公式相結合的單一仿真項目；其項目本身一定要是集成系統的部件內容。如2.1所述例舉，講到哪里，添加相應模塊到集成環境中，如圖1，并添加必要的程序(程序略)，注重添加修改的每一步分析比較。

2）、所講項目內容要設計成多個小設計作業和演示驗證性實驗，布置給學生，借助學生的參與體驗，互動性地講解這些內容，分析系統環境的這些內容硬件集成和軟件組合的過程和原理。

圖1 集成綜合平臺

圖2：0～5電壓測量表功能

圖3 波形發生器圖

圖4 簡易交通燈控制器

3）、隨時變換工程集成仿真思路，比較思路的效果，來擴大學生創新意識。

比如就“單片機”課程，在數據顯示操作上，采用LCD：AMPIRE128*64來替代LED顯示數據；將PID智能化的算法[3]通過編程，加載到A/D到D/A的溫度、壓力控制課題等等。通過一系列比較創新式的現身傳授，學生的創新思維被透導激發出來，由此帶來學生自信心，并愿積極主動參與各類學科的創新活動，如“全國電子大賽”，“盛群杯”以及各種“社團”。

4）、建立多套基于工程應用的集成仿真實驗庫，選擇一套作為學生的動手綜合設計性實驗，安排6個學時來設計調試。比如“單片機”課程，其中一套如圖1的多功能的集成綜合平臺，有電壓表功能（圖2，LED數字顯示電壓值）、波形發生功能（圖3）、交通信號燈功能（圖4，LED每兩位顯示例計時時間），通過左列按鍵設定功能鍵進行按鍵選擇，并指導學生如何集成虛擬器件，如何掌握按鍵選擇下的多功能集成編程技巧等。

2.3 虛實結合教學法的應用

集成仿真可以鍛煉學生的模塊集成和邏輯開發能力，能保障實際系統制作的快速順利進行。

但是，我們也不能將實驗教學完全建立在仿真的基礎上。仿真實驗不是萬能的，它也有自己的缺陷：降低學生對真實器件的認知程度；降低學生對實際出現問題的分析、解決能力，缺乏實際系統調試經驗和真實調試儀器的運用能力。為此教學過程中，采用第三步虛實結合教學法。

理論課上，教師利用實際學生制作過程中的問題，交流、討論和歸納。實驗課上，學生動手將虛擬集成系統轉換制作成實際系統，獲取調試經驗。安排上，進入集成仿真階段時，就將集成仿真上所用到的芯片、必要的工具和消耗品按組發放到每組學生手中，讓學生明白按自己獨立設計的集成仿真系統來完成實作，給出實作在考核中的份量，實踐中我們采用實作占考核總成績的30%考核比例方案，課時安排上集中2課時為評判課，按制作布局、功能完成程度，按比例加以考核。

3、結論

按照“三步教學法”，首先合理規劃虛擬仿真項目與實作項目、內容，以虛擬項目訓練學生的理論分析、邏輯設計、程序編制、虛擬邏輯調試和虛擬創新等能力，以實作訓練學生的實際布版、芯片焊接和系統調試等能力。

通過實施改革，在理論教學、實驗教學中，出現讓教師頗感意外一些新氣象：

第一，工程內容的理論與實際結合的講解更生動，更豐富，學生理解掌握更容易，目的性更明確；

第二，學生參與性更強，無論是課堂上、實驗室還是課堂外，都在互相比拼、更有激情，常常學生為一些問題的解決而通宵達旦地工作，這種現象是以前沒有看到過的；

第三，學生主動性加強，常常在課后主動查閱大量的相關資料，主動與同學、教師探討問題，學習不再是被動的、實驗不再是簡單的手工課，自主學習的潛力得到充分挖掘和發揮；

第四，學生創新意識得到激發，利用仿真的個性化、易操作化、易集成化和低成本化的特點，不斷優化算法、不斷改變系統結構、不斷優化程序并調試，實現不同的應用創新版本；

第五，虛實結合也訓練了學生的使用儀器的能力，如示波器、邏輯分析儀和開發器使用，并積累了系統調試經驗，培養和提高學生工程設計與創新能力；

第六，參與課外科研社團活動更積極，更有信心，為此學生還獲得過全國創業大賽金獎和“盛群杯”單片機大賽多個獎項。

第七，實驗項目的深度加深、廣度加大，長期訓練后，改變了因學生“無技術”、“無經驗”而在就業職業道路上被拋棄的局面。

本文提出的教學改革，提升了電氣信息類專業課堂教學趣味性，推進了實驗室發展，提供了工程人才的更快培養的變革，是培養工程創新人才的新模式。

[1]吳志祥等.Proteus仿真軟件在單片機教學和科研中的應用[J].電子工程師.2007, 33 (11):45-48. [2]周潤景,袁偉停.基于PROTEUS的ARM虛擬開發技術[M].北京:北京航空航天大學出版社.2007 [3]徐凱,許強.仿真技術在電氣信息類專業中的應用 [J].電力系統及其自動化學報.2009,21(1)113-117.作者簡介許強（1964-），男，高級工程師，主要研究方向：單片機應用系統，嵌入式系統，測量與控制，智能交通，系統結構。

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.14.130

本文系重慶交通大學教改基金項目（編號SYJ200918）