與船舶專業知識相結合的單片機實驗教學改革研究

方智 方春慧

摘? ?要：為解決現有的單片機教學模式中理論與實踐相脫節的教學弊端，提出一種仿真和實驗板相結合的雙平臺單片機教學改革方案。主要采用“理論教學+Keil 編譯軟件+Proteus仿真軟件”和“實踐教學+Keil 編譯軟件+實驗板”的虛實結合的雙平臺教學思路，將理論教學和Proteus仿真平臺以及開發板實踐平臺相融合，兼顧虛實雙平臺的優勢，結合船舶專業開設相關實驗使用單片機控制船模，激發學生學習理論知識和自主實踐的興趣，進而達到培養學生的科研素質和工程實踐能力，提高學生創新意識的目的。

關鍵詞：雙平臺? 單片機? 船舶? 教學改革

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（a）-0217-03

Abstract： In order to 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 teaching 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 the 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 cultivate students' scientific research quality and engineering practice ability， and improve students' innovative consciousness.

Key Words： Double-platform;Single-chip computer;Ship; Teaching reform

“大眾創新，萬眾創業”，掀起了全國上下創新創業的浪潮，作為創新人才培養的主要陣地，各大高校對此極為重視，各種創新創業競賽也層出不窮。在諸多創新創業大賽中，以單片機為首的嵌入式系統課程的知識和技能是完成比賽的基本條件。根據我校輪機工程及其自動化專業的本科人才培養方案可知，該專業的人才培養目標是培養與現代造船業相適應的高級工程技術人才，與此相適應的核心課程就是以單片機為首的嵌入式系統課程。在高等院校創新型、研究型人才培養目標的前提下，學生對單片機技術的學習，不僅要會應用，還要熟練掌握單片機的內部構造和設計原理，進而達到理論與實踐相輔相成的學習目標。

1? 存在問題

首先，由于單片機硬件結構主要由電路圖組成，而編程語言主要有英文字母組成，因此，在傳統的教學模式中，教師們多采用板書和多媒體結合的教學手段開展教學，造成講授的知識極為抽象，內容極為枯燥。與此同時，傳統教學模式也造成了接口電路、程序及運行結果三者的割裂，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行結果是否正確。實踐證明，這樣不直觀、抽象晦澀的教學方式，直接導致了教學效果大打折扣。

其次，單片機的傳統教學中也有課內實驗，但是通常采用在實驗室里用“電腦+集成好的實驗板”的教學方式。由于實驗電路已固定，大多數實驗為驗證性實驗，只需簡單的連線即可完成，導致學生無法了解接口電路工作原理，學習興趣也不大。

同時，現有的教學模式還將單片機單獨獨立出來，無法與專業課程體系相融合，使得學生無法直觀地了解所學知識在行業中的應用。

以上單片機傳統教學的三種現狀，造成了目前學生學習單片機課程“知其然而不知其所以然”的局面，嚴重影響了專業人才培養目標的實現，也非常不利于學生創新精神和能力的培養。因此，應用新的教學工具、教學軟件和教學方法，進行單片機課程的教學改革，提高單片機課程的教學質量，勢在必行。

鑒于此，我們提出了“基于虛實結合的雙平臺單片機教學改革探索研究”的項目研究，擬通過此研究，將解決現有的單片機教學模式中理論教學和實踐教學相脫節的問題，在有限的課時內，消除傳統教學弊端，提高學生學習興趣，既讓學生了解更多的知識，又能使理論教學和實踐教學相得益彰，還能使教學內容與專業課程體系以及行業相融合，從而達到學生科研素質和工程實踐能力提升，學生自主創新意識提高的教學目標。

2? “虛實結合”的雙平臺教改方案

本項目擬在單片機課程改革中采用“虛實結合”的雙平臺教學模式，先虛擬平臺后開發板平臺，雙平臺同時出現，兼顧雙方優點，彌補各自不足，大大提高了學生理論與實踐相結合的雙重能力，激發學生自主創新的興趣。

2.1 “虛擬”環節學原理

Proteus仿真軟件[4]不僅能仿真單片機的工作情況，也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機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，不管在質量還是數量上，都是可靠和經濟的。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，而不需要花費任何硬件成本，大大激勵了學生的創新創造力，這也是工科學生工程素質養成的重要內容。

因此，采用Proteus仿真軟件作為單片機課程教學平臺，通過“理論教學+Keil編譯軟件+Proteus仿真軟件”虛擬的教學環節，學生可以對單片機的內部構造結構和編程語言的設計原理有細致的學習，對單片機的硬件部分包括存儲器結構、并行I/O 接口、定時器/計數器、中斷系統、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板中硬件電路固定、學生不能更改、實驗內容固定等方面的局限性，也可以擴展學生的思路和提高學生的學習興趣，從而達到訓練學生對單片機硬件系統的構建能力和對單片機系統設計能力的目的。

2.2 “實驗”環節重創新

Proteus仿真總歸是軟件，其運行過程總是保持在最理想的狀態，和實際電路還是存在一些區別的。比如仿真時默認單片機的復位電路和時鐘電路是已經存在的;默認所有引腳接高電平;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，但仿真時序和實際有別。因此，在教學改革中，除了Proteus仿真軟件的應用，實驗板的實踐環節也不可或缺。

在“實踐教學+Keil編譯軟件+實驗板”的真實實驗板的教學環節，學生可以對單片機系統有更直觀的認識和熟悉。每位學生在自己的筆記本或臺式機上安裝相應的驅動程序、相應的編程軟件，可方便地在任何地點完成程序的編寫和系統編程調試，實現了單片機實驗平臺的便攜化，提高了學生學習單片機的便利性，激發其動手實踐創新的興趣。

3? 具體措施

3.1 “理論教學+Keil編譯軟件+Proteus仿真軟件”虛擬教學平臺

在32學時的課程體系中，前8學時用來課堂講解單片機的內部結構構造以及單片機的工作原理，使得學生對單片機有一個整體的感官。在接下來的4學時講解單片機編程語言以及KeilC51編譯軟件的應用，使得學生在Keil編譯軟件中編寫簡單運算程序及查看運行結果的過程中，更直觀地學習單片機內部存儲器的結構和存儲原理，以達到對理論知識的鞏固和直觀認識的目的。使用4學時分部講解單片機的并行接口，定時器/計數器和中斷系統的相關內容，中間穿插4學時的課堂時間用來Proteus仿真軟件的仿真練習，實驗室每臺電腦都配置Keil編程軟件以及Proteus仿真軟件。課堂實驗采用“虛擬仿真動態數碼管顯示”和“虛擬仿真航標燈控制器”的案例，老師帶領學生對其中一個項目進行建模，電路設計，程序流程圖設計，編寫代碼，繪制電路，進而仿真模擬。學生手提筆記本中也安裝Keil編程軟件以及Proteus仿真軟件，要求學生利用課堂和課余時間獨立完成另一個實驗項目的仿真模擬，鍛煉學生連接單片機接口電路，編寫中斷服務程序以及使用定時/計數器的能力。并且建立建立一個答疑交流的qq群，使得學生可以能夠隨時對課程內容進行學習，對課本例題或者自己自創的題目在proteus仿真軟件中進行驗證和模擬，并且能夠與老師和同學及時進行信息交流，達到讓學生學有參考，問有答案，練有指導的學習體驗。

3.2 “實踐教學+Keil 編譯軟件+實驗板”實驗板教學平臺

在經學校立項的教學研究項目的支持下，建立一個全方位的單片機學習環境，包括40套51單片機最小系統開發板的硬件實驗室，實驗室中每臺電腦和學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學時分部講解單片機串行口以及系統擴展和接口電路的相關內容知識，中間穿插4學時的實驗時間用來實驗板的實踐學習。課堂實驗采用“實驗板設計PWM輸出”的案例，老師和學生一起學習PWM原理以及對實驗板進行設計和焊接，將單片機知識和船舶模型相結合，鍛煉學生對單片機實驗板進行焊接的能力以及編寫系統擴展程序的能力，激發學生自主創新的意識。

3.3 課后大型綜合設計實驗平臺

大型綜合設計項目以創新設計能力為主要培養目標，綜合考察全面應用單片機各個知識點的能力，將原來分散的小型演示驗證實驗集成為一個大型的系統設計項目。本實驗作為學生的課程設計作業，將學生按3-4人為一組進行分組，以“基于51單片機的簡易螺旋槳調速器開發”為設計題目進行軟硬件開發。同時鼓勵學生自創項目，要求與船舶專業知識相結合，并且能夠將所學知識點應用全面。學生分組選擇項目后，組織學生討論，使學生充分發揮想象力，引導學生思考并提出項目解決方案，描繪出設計藍圖;然后開始查找資料、論證方案、設計電路、焊接硬件、編寫程序、最后調試，整個過程以學生為主，教師指導點撥為輔，注重培養學生的自學能力、單片機軟硬件設計能力和團隊協作能力。

4? 結語

本項目采用虛實雙平臺的教學改革方案，將理論教學和Proteus仿真平臺以及開發板實踐平臺相結合，將理論教學和實踐教學融合，兼顧虛實雙平臺的優勢，激發學生學習理論知識和自主實踐的興趣，進而達到培養學生的科研素質和工程實踐能力，提高學生創新意識的目的。本項目具有以下創新點。

（1）突破傳統僅采用實驗板或仿真軟件的單一平臺教學模式，將Proteus仿真平臺和開發板實踐平臺相結合，兼顧雙平臺的優勢。在Proteus仿真平臺教學環節學生可以對單片機的內部結構和接口電路原理有更深入的理解，在開發板實踐環節學生可以對單片機系統有較直觀和客觀的認識，為學生提供較為便利的學習機會，提高學生的創新興趣。

（2）將單片機知識和船舶專業知識相結合，采用“航標燈設計”和“螺旋槳轉速控制”兩個實踐項目，使得學生對單片機在專業領域的應用有細致的了解和更為深入的認識，為學生今后參加本專業的相關創新創業大賽提供基礎。

參考文獻

[1] 姚廣宇.創新教育形勢下的單片機教學模式改革研究[J].科技創新導報，2017，38：202-204.

[2] 王楠，陳應舒.基于創新型應用人才培養模式的單片機課程教改方法研究[J].教育教學論壇，2017（8）：93-95.

[3] 白萍.基于翻轉課堂的單片機原理課程教學改革分析[J].科學教育，2017，7：449.

[4] 樓俊君，程啟明，黃云峰，等.Proteus仿真軟件在單片機課程創新教改中的應用[J].蘭州石化職業技術學院學報，2017，17（1）： 64-66.