同步互动“五位一体化”单片机教学探索与实践

张 岩 张 鑫 裴楠楠 刘 伟

山东工商学院信息与电子工程学院 山东烟台 264005

单片机原理及应用课程是电类、机电类及计算机类等本专科专业的一门必修课。该课程具有理论性、实践性和灵活性强的特点[1]。微控制器技术的发展日新月异，如何以学生为主体，根据学习者特征，使其掌握基本理论，引导激发其创新思维，培养工程开发综合能力和再学习创新能力，是单片机教学中需要认真思考的问题。通过对单片机教学目标的深入分析和教学过程中面临诸多问题的探究，本文探索了单片机课程“教师教学—学生学习—仿真模拟—实践训练—创新提高”的五位一体化同步互动式教学模式，并对教学方法和教学手段等进行了深入探究。

1 同步互动“五位一体化”教学模式构建

1.1 教学做一体化

单片机课程的学习，既要使学生掌握基本原理和基础知识，又要注重学生的实践训练与实际应用，因此在教育教学过程中，应当以学生为主体，能力培养优先，边学习边实践，注重学思结合，鼓励创新应用[2]。采用边学边练的互动式教学方法，在实验室上课，讲完一个知识点、程序、器件或应用系统设计后，学生现场直接进行实验验证与应用设计，方便学生理解、应用与探究[3]。充分利用启发式、类比法、实例法、总结归纳法等实施教学，启发学生与教师同步思维，使学生理解重点，帮助学生突破难点。引导带着问题学习、类比学习，总结归纳、积累、扩散、创新。注重学生思维方式的建立、规律的总结、系统概念的建立、工程师的基本训练。新型的工程教学模式强调“学中做”“做中学”，改变课堂理论授课和独立实验分离的教学模式，基于单片机实验教学互动平台，真正实现单片机学以致用的目标，并且大幅度提高学生的兴趣度、参与度和挑战度。

1.2 虚拟仿真与实际实验相结合

基于Proteus，Keil软件平台和实践物理实验设备，共同搭建虚拟仿真与实际实验相结合的实验平台，将理论知识、模拟仿真和实践应用有效地融为一个整体。Proteus仿真环境具有多种类型的虚拟仪器，电路可以实时互动仿真，学生先基于虚拟平台设计并绘制电路原理图，然后在此基础上，编写并调试源代码，经过模拟仿真，功能实现得到验证后再搭建实际物理硬件电路，制作样机测试。通过虚拟实验和实际的实验过程及实验结果对比，提高学生对虚拟实验的认识和对具体实验的理解。虚拟平台的建立让学生有了随时随地都可以使用的开发实验室，解决了学生数量、实验室空间和工作时间等的冲突与矛盾。虚拟的实验平台可以加强学生对单片机工作过程的学习和理解，实际的物理实验室又加强了实际开发应用过程的实践，避免了模拟情境脱离硬件的不利方面。虚实结合是行之有效的方法，两者相辅相成，互相补充，也有利于促进课程和教学改革，从而非常有利于应用型人才的培养。

1.3 创新训练与提高

学生综合实践能力、创新再学习能力和团队协作能力的培养需要课内教学与课外实践相结合[4]。单片机课程配有综合性的集中实训，学生根据综合性设计任务实施项目调研、资料查询、功能设计、方案比较、器件选择、可行性分析与论证、工艺设计与制作、联合系统调试、数据分析、优化系统及结论等过程，学习并实践一个完整的单片机系统开发过程[5]。基于软硬件平台进行综合设计与调试，实现数据采集获取、信号分析处理、执行控制监测、人机界面交互等功能，培养学生的系统分析与设计、项目分工与管理、创新性思维的能力等综合素质。除了课内学习，吸收更多的学生利用课外时间进入创新实验室，并提供软硬件支持和教师辅导。同时，还开展课外科技训练，鼓励组织学生参加与单片机相关的各类学科竞赛，以参加全国大学生电子设计、智能汽车竞赛、互联网+、ICAN物联网及挑战杯等竞赛为契机，充分调动学生自主学习的积极性，训练学生的实践技能，提高学生的创新能力。同时注重产学研结合，将科研项目、基地培训和企业实习交叉结合，使学生走向工作岗位之前就能得到实践锻炼的机会，充分挖掘学生的动手能力和创造性思维。

1.4 同步互动式教学实验环境

单片机同步互动式教学实验平台为教师教学的实施提供更多样化的形式，网络系统与多媒体技术相结合，具有集成性、交互性、控制性特点，为学生创建更真实、更丰富的学习情境，实现硬件电路设计过程、工作过程的动画表述，使学生感受系统的实际工作工程，可视化教学过程使学生从理性认识转变为感性认识。教学与实践相结合，实现了同步教学、实验，有助于学生正确理解知识并将其转换为工程应用开发能力。同时，平台提供了试卷库、题库编辑、考核结果审核等功能，可实现多级考核，搭建了工程学习考核平台，教学资源整合更加优化。

2 单片机教学的几点思考

2.1 合理安排教学内容

在教学内容安排中注重各部分的完整性和前后的连续性，正确处理教学典型性、教学示范内容与实现产品系统设计之间的关系，注重以点带面，重点、难点突出，使学生容易掌握规律性，为学生学习和利用其他类型嵌入式系统打下基础。以单片机内部资源为核心、指令和程序设计为基础，突出常用芯片和典型电路的学习应用，具有较强的实用价值。在外围接口芯片扩展中，每一项都介绍几种方案，并比较各种方案的优缺点、软硬件设计技巧及其相应的适用场合，注重学生工程设计思维的培养，引导学生在工程实践中正确合理地进行各种外围接口扩展，使学生学会怎样设计一个合理的单片机应用系统，培养学生工程意识和创新意识。在内容安排上，注重各门课程之间的联系、融合。关注单片机技术的发展，注重新技术和新器件的引入，注重单片机应用系统工程应用开发的能力，注重培养实践能力和创新能力。

2.2 教学方法丰富多样

单片机教学要钻研课程特点、教学目标、学习者特征和认知规律。采用“Teaching - Learning -Simulation - Training - Innovation”的教学方法，形成了理论与实践融合的同步互动式教学模式。教学过程中采用启发探索式、演绎辩证法、典型案例式、虚实结合等多种教学方法，以学生为主体多向性传递知识，锻炼学生的开发实践能力，激发学生的学习主动性，挖掘学生的创造潜能。

互动式边学边练的教学方法是在学习完一个知识点、程序、器件或应用系统设计后，学生现场直接进行实验验证与应用设计，方便学生理解、应用与探究。充分利用启发式、类比法、实例法、总结归纳法等实施教学，启发学生与教师同步思维，使学生理解重点，帮助学生突破难点。注重学生思维方式的建立、规律的总结、系统概念的建立、工程师的基本训练。

基础理论以对、准为原则。硬件设计基于三总线的连接：片选、数据总线、地址总线(数据地址分时复用的锁存信号、锁存器)、控制总线(读、写、复位)。总结规律，在总的框架下突出个性，培养学生的发散思维，引导学生积累硬件设计的方法与技巧。软件设计基于入口、中断、堆栈、初始化、主程序的连续运行，从数据传送的3种形式(内部、外部数据、外部程序)、控制信号的设置引导学生注意具体程序的设计方法的积累，如循环的基本设计框架、次数设计、间接寻址、位操作、移位的应用。与学生一起总结归纳程序设计的主框架、多种基本问题的程序设计思想及其应用，引导学生总结—发散—提高。应用系统设计基于典型系统设计，强调系统概念的建立。从系统设计的一般方法总结规律，发散到具体设计过程。引导学生积累系统设计的方法与技巧。注重新技术的引入，注重引导学生主动学习。在教学过程中给学生指出了单片机的最新技术、几个著名的单片机网站，引导学生利用网络学习单片机，了解单片机的发展动向和前沿，激发学生学习的积极性。

2.3 教学手段生动具体

在单片机教学过程中，充分利用单片机同步互动教学实验平台，利用其集成性、交互性、控制性等特点辅助教学。充分利用现代教育媒体技术手段，实现硬件电路设计过程、工作过程的动画表述，使学生感受系统的实际工作过程。通过动画帮助学生了解系统的工作过程、时序，信号流向，加深基本理论的理解与掌握。硬件设计时，学生了解各芯片的管脚，但不知道如何连线。从各芯片时序、地址总线、数据总线、片选、读写等硬件设计的基本方法总结规律，针对具体芯片帮助学生积累特殊信号硬件处理方法。按照时序通过动画把硬件电路的设计及工作过程展示给学生，通过设问与解决问题，激发学生的学习积极性与创新性。为了使学生软件设计有思路，采用Flash动画播放框图，循序渐进启发思维，带领学生按照框图把语句一条一条写出来，并通过演示程序的实际执行来验证结果的正确性，使学生成为课堂教学的主体。系统设计主要是硬软件设计的综合利用。以总体设计为主线，通过单片扩展到多片扩展，引导学生建立系统概念，设计与优化应用系统。虚拟仿真与实际实验相结合使学生更好地了解单片机系统的开发过程，掌握系统设计方法、工作过程及功能实现。同时通过教学网站为学生提供了丰富的学习资料，为学生搭建自学、师生课下互动、交流单片机技术的平台。

3 结语

同步互动五位一体化单片机教学模式兼顾了教学与实践应用，并遵循“理论—实践—再理论—再实践”的认知学习规律，引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，注重培养学生的知识应用能力、综合开发设计能力和创新再学习能力。同时，教学过程要紧随教学发展的新要求，突出个性化和创造性。