基于信息化环境的单片机课程的教学方法探讨

梁美丽，程静涛，尹礼寿

(1.山西轻工职业技术学院，山西 太原 030013；2.太原工业学院，山西 太原 030008)

教育部[2018]2号文件中第11条提出推动课堂教学革命，24条提出重塑教学形态。教育部高等教育司司长吴岩透漏到2022年将建设国家和省级两万门“金课”。高职高专学生入学成绩普遍偏低，基础文化知识比较薄弱。他们的学习主动性自觉性不足学习习惯也不好，如果代课老师在授课过程中以单一的讲授方式教学，往往学生抱怨听不懂，老师抱怨自己在唱独角戏，最终一堂课下来师生互动较少，教学效果也不理想。本文以单片机课程为例, 把虚拟仿真软件作为单片机教学的工具，在此基础上增加了线上讨论互评环节，线下辅助等教学手段，此方法突破了传统教学方式存在的弊端，将理论、仿真，实践与应用相结合，以项目为单位，以学生为主体，充分发挥学生在学习中的主观能动性，调动了他们的学习欲望和学习热情，改善了课堂气氛，改变了教学主体。

1 单片机课程教学现状分析

传统的单片机技术课程教学主要存在以下几个方面的问题：

(1)单片机教学分为硬件设计和软件开发两大部分内容。在课程规划中讲授单片机技术前应开设模拟电子技术，数字电子技术，计算机基础等课程。有些孩子因为电子技术课程没有学好，刚接触单片机时硬件电路看不懂，语言知识也比较薄弱。面对单片机技术课程，他们觉得那是一本天书，对课程学习没有信心。而单片机老师在教学中按部就班，首先系统性的对基本原理进行详细讲解，文化基础知识比较薄弱的学生思考无果，很容易失去学习的兴趣和动力。教师往往觉得已经讲解的很透彻了，而学生却怎么也想不明白是怎么回事。造成这种现象的根本原因是教师已经具备一定的知识体系，而学生还未建立起自己的知识体系，在具体到个别差异，有的学生理解能力比较差，接受能力比较慢，授课老师对一些基础知识没有深入讲解，老师认为水到渠成的东西学生却无法理解过程是如何推导出结果的，教师讲授完后学生处于一知半解的状态。

(2)单片机技术课程课堂教学演示的效果不太理想。要完成一次课堂的教学演示老师一般要提前准备硬件设备，需要的时间比较长也比较繁琐。课堂演示时，演示效果的好坏受各种现实条件的限制，不能充分达到教学目的。还有一些同学离老师的演示设备比较远，无法清晰的看到一些参数的调整设置，故而放弃对课程的深入学习。

(3)单机片课程是一门实践性很强的学科。单机片实验实训占有十分大的比重。传统的实训操作中,学生不熟悉实训理论,比较容易出现误操作,实验设备较易损坏,部分院校由于资金限制,不能及时补充充足的耗材,在一定程度上阻碍了相关知识点的实验进度。而且随着大学扩招，高职高专的生源成绩越来越低，有些同学基础知识太差，对老师反复强调的注意事项聪耳不闻，若电路中需要接220V的电源时，学生的安全意识比较薄弱，实验老师往往心力憔悴。

(4)实验室内实验设备数量、种类的不足，满足不了人人动手的实验教学需要，当几人一组做实验时，有些同学从头到尾不参与实验过程，跟着其他同学混数据。还有传统的单片机实验教学内容多以验证性为主，设计性和开放性不多，对学生的自主意识及实际操作能力方面的培养有所欠缺。还有一部分同学只是照着老师的演示连接电路，并没有完全理解相关知识点，只会死搬硬套，达不到实验的最终目的。

(5)随着生活方式越来越智能化,单机片的种类及性能也不断增多,高校实验室的建设不可能随时更新设备。而且对于一些高职院校也没有足够的资金投入到实验室的建设中,实验设备较为落后的现象暂时无法解决,导致一些实训无法操作。

2 学生学习现状

随着中国制造2025战略规划的实施，工业产品的智能化与信息化融合对人们的生活影响越来越明显。物联网，车联网，嵌入式相关专业就业前景好，学生渴望从事其相关专业的工作，作为其基础课程的单片机技术的讲解尤为重要。一边是枯燥繁杂的理论，另一边是大学扩招的文化知识比较薄弱的学生水平，再加上学生沉迷于手机，主动学习的热情和动力不足。如何吸引学生的注意力，引导学生主动学习，使学生不再沉迷于网络游戏言情小说是教师值得探索的课题。提高教学的质量，培养学生的自信心，改进教学的方法，吸引学生的注意力，提高学生的参与度是教学活动的重点所在。对于综合性强的工科课程，如单片机、嵌入式，怎样突破传统的教学模式，提升学生的学习动力，锻炼学生的实践动手和操作能力，是任课教师们不懈追求的目标。因此如何改进教学模式，怎么改，效果怎样成为任课教师的研究重点。

3 在传统的单片机编程课中引入Protues仿真软件

虚拟仿真软件 Proteus 是由英国Labcenter Electronics 公司于1989年开发的EDA 软件，它不仅可以作为一个画图软件，还可以实现硬件电路设计与仿真。Protues仿真软件在单片机课程教学中的价值可以归纳为三个方面:一是提高了教学质量。传统的理论讲授教学方法,很容易使学生失去学习教材的信心。在单机片教学中中有效应用portues虚拟仿真软件,学生可以较为直观、生动、形象的电路演示效果，这样更有助于学生吸收和理解相关知识点,激发学生的求知欲,引导学生主动探索的能力。portues虚拟仿真软件支持各种主流单机片,可以满足普通的教学需求。在虚拟实验操作中学生可以通过虚拟仪器满足电路设计，随时调整单片机电路。二是提高了学生的设计电路板的效率和动手操作能力。一般实际的硬件电路理论构思上是可行的，但往往与实际电路会有出入。为了提高学生设计可行电路板的效率，可在焊接电路板之前将硬件电路在Protues仿真软件中画好，同时在KEIL软件中编译程序联调。如果电路可行学生可以直接进入到下一步操作中。如果电路出现问题，学生可以在Protues仿真软件中调出仿真器，从虚拟仿真软件中找出电路的问题所在然后修改电路，这样就避免了电路板焊接好后再修改电路。学生在设计、调试以及修改电路的过程中,为了解决电路中出现的问题会反思理论知识点之间的联系，这个过程不仅巩固了知识点而且提升了学生运用理论知识设计构思电路的能力。采用Proteus仿真软件避免了真实操作不当而造成的仪器仪表的损坏，提高了真实实验的效率。三是Proteus仿真软件为学生随时随地学习电路提供了便利。学生只要有一台电脑，就可以随时在自己的PC上进行仿真。

4 在上述的教学中引入新的教学理念，改变以往的教学手段

手机是学生的必需品，上课时经常有一些学生低头玩手机，任何一个老师都不能保证学生在上课时不玩手机。既然不能杜绝这种情况，老师干脆可以让手机进课堂，在手机上下载学习软件，老师以手机为平台组织课堂教学，用手机打败玩手机！授课老师应用学习软件可以了解每个学生的学习情况，如迟到早退，作业是否完成，线下准备了那些功课。提前有针对性开展教学活动；也可以帮助老师课程建设，老师自建资源，融入教学管理。

课堂教学可以采用项目驱动教学法。项目驱动教学发是以项目为载体,通过项目分析来阐述课程的相关理论，将课程的主要内容设置成相关的任务，纵向上以项目为导向，横向以任务为驱动，具体教学过程将纵向设计与横向实施有机结合。宏观上采用项目驱动教学法，引导学生以实现教学项目为目的而学习理论知识，而微观上则采用任务驱动教学法，将教学项目分解为若干独立任务，引导学生进行分析任务、设计任务方案、实施任务方案。具体授课环节老师可以以问题为导向，设置任务，采用嵌入测验 巧设通关关卡，投屏教学等教学手段激活课堂。具体任务方案的实施不仅教会学生相关的课堂理论知识，而且培养了学生发现问题、分析问题、解决问题的综合能力，还有合作能力和社会能力等。

课堂活动中学生在手机上下载统一的学习软件，手机不再是另老师头疼的工具，它可以促进学生自主学习、自主探究，成为师生共同完成教学目标的有力工具。老师也可以组织小组讨论环节，用手机软件控制学生参与环节，在讨论中培养学生的表达、思辨、归纳总结能力。课后作业老师也可以在学习软件做出针对性的回答，有助于学生知识体系的构建。学生可以利用手机互评打分，教学效果得到了及时的动态反馈。这样的教学模式既活跃了课堂氛围，也在玩儿中理解了知识点，教师的教和学生的学的效果和效率都应能得到明显提升。合理利用手机解决了学生到课率差，抬头率低，参与率低的突出问题。

总之，授课应坚持“以学生为中心”原则，落实学生在课堂教学中的主体地位，坚持“教无定法”的教学原则，以多样化、多元化的课堂教学方式，激发学生的求知欲和学习热情，培养学生热爱学习，终身学习的能力。

5 单片机课程教学案例设计讲解

单片机电路的实现离不开硬件电路和软件电路。硬件电路是电路设计基础，软件电路是单片机系统设计的灵魂；是基于硬件电路而设计的；是实现单片机系统相关功能的关键所在。利用Proteus仿真软件构建虚拟实验室，不再拘泥于实验条件和实验设备，学生可以随时随地实践自己设计的电路。例如“60 秒计时系统”实验中，用到了单片机最小系统，I/O端口扩展，LED灯，定时器中断等硬件，同时针对该硬件需要编写定时器中断程序、数码管显示程序、主程序以及子程序，这些都是单片机教学的重点和难点。具体授课环节中老师可纵向设定60秒计时为项目总体 ，横向设定数码管显示，中断程序为任务。在任务讲授时插入相关知识点。下图电路中红方块代表高电平，蓝方块代表低电平，测量与调试统一，如果电路出现异常，学生可随时调出虚拟仪器测试电路，在解决问题的过程中有助于学生感性理解和接收相关理论知识，增强学生学习的信心。图1为60秒计时器仿真截图，学生可以在同一电路上举一反三，如百位计数器，千位等，难度可逐步加大。学生分组讨论如何实现电路功能，也可以对定时器和延时的设置做一个互评，相互参照，学生在讨论中看到了电路的多样性。

图1 60秒计数器仿真结果图

6 结束语

学习知识最好的途径是让学生到切身体验知识的应用过程与应用结果，即“亲身经历”，理论分析与“真实反馈”，这样获取知识更易接受也更易培养灵活应用能力。本文研究的项目驱动教学法实现了平面教学到立体教学的转变。它采用虚拟仿真软件Proteus开发的仿真软件为平台，以仿真实验为媒介，将“可运行的单片机系统”引入到课堂中，实现了理论知识融入到仿真实验中，让枯燥的理论生动起来。项目设计中硬件设计、软件开发的全过程都可以通过虚拟仿真软件实现。总之，项目驱动教学法和合理的设置教学环节可以有效的活跃课堂气氛，提升教学效果。教师在理论知识传授过程中，以项目导入，虚拟仿软件作为工具，通过演示运行结果调动学生的学习兴趣。子项目中合理设置相关知识点，提出问题，引导学生思考，在师生互动中构建教学项目，激发学生的学习欲望，提高理论教学效果，培养创新思维。在实践过程中，本课题确定了研究推进的两个策略：一是让学生从参与课堂转变为主导课堂，学生在调试过程中发现问题，老师帮着解决问题。老师起到答疑解惑的作用，不再是一个人的独角戏。二是学生掌握了一定知识点后可自行设计电路，培养了学生的创新思维能力，真正的做到学以致用。