試析單片機課程在計算機專業中的教學

【摘要】由于單片機技術在當代社會中的廣泛應用，單片機原理與應用課程已被各技工院校的電子、機電、計算機等專業列為其中一門專業課。該課程是一門綜合性、實踐性較強的專業課，內容涉及單片機硬件結構和軟件控制。因此，要讓學生學好這門課程，教學方法很重要。但不同專業對該課程的需求有所不同，教學重點與方法也就必定有所差異，本文主要是針對單片機在計算機專業教學中教學方法的探討。

【關鍵詞】單片機；計算機應用；教學方法

單片機技術是現代電子技術、計算機實現數據采集與信號處理、計量測試與自動控制等技術中至關重要的一項新興技術。同時，作為一種典型的嵌入式系統，它在工業控制、通信、日常生活等領域也都得到了廣泛的應用。因此，國內各技工院校的電氣自動化、機電一體化、計算機應用等專業都開設了單片機原理與應用課程。而對于計算機專業學生而言，學好單片機課程能幫助學生更好地學習其他相關專業知識，為此，筆者開始探索單片機課程在計算機專業中的教學教法。

1.單片機課程在計算機專業與電類專業中定位的不同

在我校計算機專業，雖然單片機原理與應用是學生的一門專業選修課。但對于計算機專業的學生來說，即使暫時沒有從事單片機的應用與開發，學習單片機也有很重要的意義。一方面為將可能從事該方面的工作打下基礎；另一方面，由于單片機作為微型計算機的一個種類，可以把它作為微型計算機的一個簡化模型來看待，學習單片機可以加深對微型計算機工作原理的理解，更加清楚計算機的脈絡。同時這門課又是一門實踐性很強的課程。其實驗教學環節不僅僅是對理論教學的深化和補充，而且對培養學生綜合應用所學知識，解決實際問題的能力，也起著非常重要的作用。因此，在計算機專業開設單片機課程是非常必要的，但教學內容的重點與層次、教學方式等應跟電類學生有較大區別。

電類專業學生在學習該門課程之前已經學習了電工基礎、數字電路、常用電工儀表測量等基礎課程，不僅掌握了單片機一些基本外圍電路的原理與應用，同時也具備了一定的焊接基礎與常用儀表儀器的使用方法。學習單片機課程主要的目的是將這些基礎知識與單片機芯片進行連接調試，實現智能化控制。因此，針對電類專業學生主要是培養他們根據項目需求設計硬件電路、軟件編程與及整體調試的綜合能力。而對于計算機專業的學生，這一定位顯然過高，是他們難以達到的層次。相對應的，根據專業特點我們采用的教學方式也就不一樣。

2.計算機專業中單片機課程教學方式的選擇

我們希望計算機專業的學生能學習一定的理論知識，對微型計算機的工作原理有一個更深的理解，但傳統的“實驗箱”教學方式根本無法實現這一學習效果。因為“單片機試驗箱”采用了集成化的封裝，學生在進行實驗測試時，只需要進行簡單的按鈕撥動與接線即可完成外圍電路的設計，在這個過程中學生無需對單片機技術中的電路原理、程序運行過程等進行思考。因此，學生在實驗過后仍無法真正了解單片機的結構原理，更談不上應用。

另一方面，我們又必須考慮到單片機硬件電路的設計需要經過電路設計、焊接、測試等環節，而且根據設計的內容還需用到示波器、信號源、頻率特性測試儀等儀器。要完成一項單片機系統的硬件設計，不僅需提供設備支持，還要求設計者本身具備一定的專業知識與實操技能。而這些，都是計算機專業的學生所缺乏的。因此，跟據學生特點、專業需求及學校實際情況。我校計算機專業的單片機采用了Proteus軟件仿真教學為主、開放式實驗室為輔的教學方式。

3.基于Proteus仿真教學為主的教學模式

Proteus軟件由ISIS和ARES 2個軟件構成，其中，ISIS是原理圖編輯與仿真軟件，ARES是布線編輯軟件。

在這里我們主要用到的是ISIS軟件，ISIS軟件的主要特性有：

（1）支持大量的存儲器和外圍接口元器件。Proteus軟件提供了30多個元件庫，數千種元件。元件涉及到數字和模擬，交流和直流等。這樣學生就不需要局限于實驗室中僅有的元器件，在電路設計中可以有更多的選擇方案。

（2）具有強大的原理圖繪制功能。學生可根據任務需求設計電路原理圖并在軟件上進行繪圖。ISIS的智能化程度很高，具有實時捕捉和自動布線（Toggle Wire Autorouter）功能。

（3）可以仿真、分析各種模擬器件和集成電路。在Proteus繪制好原理圖后，調入已編譯好的目標代碼文件：*.hex，可以在Proteus在原理圖中看到模擬的實物運行狀態和過程。可以實時觀察各個變量、寄存器等的當前狀態。

（4）提供豐富的虛擬儀器。Proteus可提供示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、信號發生器、交直流電壓表、交直流電流表等。同一種儀器可以在一個電路上隨意的調用。這些儀器儀表具有理想的參數指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，盡可能地減少了儀器對測量結果的影響。

基于Proteus軟件以上特點，計算機專業的單片機教學主要采用仿真教學為主，其教學流程如下：

（1）學生根據提供硬件電路圖，調用元器件并進行連線，在軟件上進行原理圖的繪制。

學生根據提供的程序，在軟件上進行程序編寫、編譯。

（3）分析已知的軟硬件條件，操作軟件，調用相關的虛擬儀器，進行模擬仿真。

學生觀察存儲器等各參數，對已實現功能進行描述。

（5）學生理解單片機運行過程后，舉一反三，對任務的硬件或軟件進行修改，完成老師布置的作業。

通過如此學習，學生雖因電路知識的欠缺以及學校實訓場地設備的限制不能動手制作實物，但還是能通過模仿實物這一流程和觀察各寄存器數據的變化來學習單片機芯片的原理結構，進而更好地學習微型計算機。

4.開放式的電子實訓室為輔，進一步激發學生興趣

開放式的電子實訓室是在學生完成基礎實驗之后視學生對知識點掌握程度不同而開設的學習環節。盡管是計算機專業學生，但對于部分學習能力較好或在單片機方面有較大興趣的同學，他們也可能不僅僅滿足于仿真，希望能將自己仿真成功的單片機系統做成實物。為了讓這部分同學有充分的學習機會，體驗學習帶給他們的成就感，進一步激發他們的學習興趣。我們開放電子實訓室，學生只要提前預約，實驗室在沒有教學安排的情況下，學生可以一人或組隊在實驗室完成基礎小實驗的硬件電路焊接，并利用實驗室的儀表儀器進行調試。

在此基礎上，我們也提倡學生自選小課題、小制作進行創新設計，經過老師審核，實驗室可提供學生自選課題中所需的電子元器件。開放實驗室能更有效的培養和鍛煉學生獨立思考和獨立制作的能力，尊重學生的個性發展，開發和引導學生對電子制作和微機應用的愛好和興趣，培養學生的綜合能力。

5.兩種方式相結合，實現較好教學效果。

利用Proteus仿真軟件實現的仿真教學作為主要的教學方式，可以彌補傳統的單片機教學方法的不足，仿真的形象、生動、過程跟蹤、結果顯示等特性，達到師生互動，理論教學與實際應用相結合，起到較好的教學效果，同時，又可以降低計算機專業學生因缺乏電類知識對實驗室設備與元器件造成的過多損耗。

而開放式實驗室主要是面向學有余力的同學，他們在實物調試過程中，也可以充分體現到仿真軟件帶來的方便，對課堂教學也將起到積極的促進作用。單片機系統實物的實現，不僅鍛煉了他們的動手能力，功能實現所帶來的成就感也將進一步激發他們的學習興趣，吸引他們更加努力學習單片機課程。

參考文獻

[1]袁鋒偉，趙立宏，朱惠玲等.基于Proteus的單片機課程教學與實驗改革[J].實驗室研究與探索，2007，26（12）：75-78.

[2]蔣輝平，周國雄.基于Proteus的單片機系統設計與仿真實例[J].機械工業出版社，2009.

[3]董晉松.Proteus在單片機系統設計中的應用[J].現代電子技術，2008.

[4]喬建華，張臨生，田起川.Proteus在單片機教學中的應用分析[J].山西技術，2008（6）.