微控制器課程中微控制器實驗教學探究論文
微控制器課程中微控制器實驗教學探究論文
論文摘要：微控制器的開發與應用、學習將造就一批計算機智慧化控制的工程師、科學家。一些中等院校也相繼開設了微控制器課程設計及相關的課程。在微控制器及介面技術課程的教學過程中，實驗教學是重要的組成部分。針對微控制器課程的教學改革，不斷加強微控制器課程實驗環節，改革教學方法，虛擬模擬實驗在微控制器教學中的應用，實踐表明，該方法有利於激發學生的學習興趣，培養學生的工程素養和創新能力，提高了教學效果。
論文關鍵詞：微控制器；教學；模擬實驗
“微控制器原理”是一門理論性、邏輯性、實踐性很強的學科，是電類專業一門非常重要的專業基礎課，把微機介面部分、組合語言部分、通訊技術部分的知識點等綜合在一起，屬於邏輯性、工程性、技術性、實踐性很強的一門專業基礎課。該課程作為電類專業最重要的核心課程之一，它是電類專業高素質技能型人才所需全部自動控制類知識結構的載體，佔據著非常重要的位置。
然而，傳統的微控制器教學一般注重課程本身的體系結構和前後的邏輯聯絡，均以學科體系為出發點，忽略了“可學性”，致使學生學得吃力，老師教得辛苦，教學效果卻沒有顯現出來。
一、研究背景及意義
目前，全國將微控制器列入單獨的比賽專案，在考查中注重學生的能力培養，學生的技能素養教育成為重中之重，加之社會需求高技能人才，許多學校為了適應社會的發展和市場需求在不同的專業開設了微控制器課程，然而微控制器課程是一門實踐性很強的課程，要想在教學過程中取得很好的效果，就必須要求學生在學習過程中多動手實踐，但有的學校教學裝置有限，怎樣解決這個問題。模擬實驗課可以讓學生在微控制器工作室裡做中學，真正玩轉微控制器，也同時解決了學生學起來枯燥，老師教起來吃力的尷尬局面。
目前微控制器教學中存在諸多問題。如微控制器課程理論為主，實驗教學多是進行驗證性實驗。微控制器實驗室存在場地和時間限制，學生除了課上，很難有機會接觸到所需要的裝置，如模擬器、實驗板等，個人配備成本太高，個體無法承擔。而且實驗箱只能驗證試驗的基本作用和意義，就無從談起學生動手能力的訓練和提升。微控制器在當今社會中的應用速度發展迅速，然而微控制器教材陳舊，實驗裝置很容易落後、老化等問題，必然會帶來耗資等問題。
由此可見，構建成本低廉的微控制器模擬實驗系統對於微控制器教學意義重大。它不僅可以降低實驗裝置投資，而且能培提高學生的工程素質，養學生的創新精神。在微控制器控制系統的設計開發過程中，我們不單要突出裝置的自動化程度及智慧性，另一方面也要重視控制系統的工作穩定性，否則就無法體現控制系統的優越性。
由於微控制器控制系統應用系統的工作環境往往是比較惡劣和複雜的，其應用的可靠性、安全性就成為一個非常突出的問題。微控制器控制系統應用必須長期穩定、可靠地執行，否則將導致控制誤差加大，嚴重時會使系統失靈，甚至造成巨大的損失。
影響微控制器控制系統應用的可靠、安全執行的主要因素是來自系統內部和外部的各種電氣干擾，以及系統結果設計、元器件選擇、安裝、製造工藝和外部環境條件等。這些因素對控制系統造成的干擾後果主要表現在下述幾個方面。（1）資料採集誤差加大。（2）控制狀態失靈。（3）資料受干擾發生變化。（4）程式執行失常。
由於受到干擾後計數器的值是隨機的，因而導致程式混亂。通常的情況是程式將執行一系列毫無意義的指令，最後進入“死迴圈”，這將使輸出嚴重混亂或系統失靈。
隨著微控制器及其介面技術的飛速發展，目前面對職業教育存在的突出問題：質量能力與規模能力不相適應，教學資訊化程度低，古老的填鴨式課堂教學模式仍應用普遍，“雙師型”教師隊伍建設機制缺乏完善性，科學管理水平和改革創新能力就提到了日程，管理制度不健全，學校基本辦學規範不健全，科學的職業教育評價標準和評價機制達不到標準，學生成長的“通道”不暢通。
從新的教學要求來看，這類課程僅在課堂上講授基本原理是不夠的，必須在教學中加強實踐環節，開出一定數量的高質量的配套實驗課活獨立的實驗課程，讓學生有足夠的實驗機會。那麼對於微控制器實驗教學環境建設就相應提出了高要求。怎樣解決這個問題，微控制器模擬實驗應運而生。
二、“微控制器模擬實驗”初探
伴隨著計算機技術的飛速發展，在各個領域都出現了各種模擬系統，為各種實際系統的開發提供了準確可靠的保證，同時為很多學校、企業等節約了大量的人力和物力。在電子資訊科技領域也同樣出現了大量的模擬工具，如課堂上用到的各種EDA工具；模數混合模擬的Protel、Multisim等常見的電子應用模擬軟體，數字系統設計的Fundation、MaxplusII、Expert等。
所謂“模擬”，就是透過開發工具真實地模擬使用者系統的執行環境，使使用者能夠在透明和可控的條件下觀察系統執行過程中的狀態和結果，模擬實際上也是一種軟體和硬體的綜合除錯手段，它能提高應用系統開發的效率。
用通俗的話來描述“微控制器模擬實驗”就是在一塊虛擬電路板上按照真實電路的設計構想放置一些虛擬的元器件，並模擬實際燒ROM的過程連結上程式程式碼，“接通”電路觀察效果，如果不理想的話可以反覆修改電路或程式程式碼，直至符合設計要求為止。
模擬實驗的好處是顯而易見的。在沒有模擬實驗的年代，每架構一個真實的電路都需要費時費力費錢，稍有不慎還有可能前功盡棄，再加上微控制器中的ROM晶片是有擦寫次數的，而一段程式可能需要修改擦寫多次，無形中減少了ROM晶片的使用壽命。模擬實驗是在計算機上進行的（可能會費點兒電），以上問題都不存在，而且就現在的模擬軟體來說，模擬出來的電路效果與真實電路一模一樣，毫不誇張地說，只要模擬是成功的，就可以直接下工廠的流水線生產了。
三、微控制器模擬實驗效果
新課程的核心理念是：“關注每位學生的進步與發展，使每位學生在課堂上都能積極主動地參與交流、參與探索、參與彙報，都能動起來，使每位學生都能進入最近發展區，都能有所收穫，具有成功感。”為使這一核心理念能得到有效落實，經過近一段時間的教學實踐，逐漸發現微控制器模擬實驗是一種較為有效的教學手段。不僅解決了學生的只學不練的矛盾，也緩解了部分學校的裝置建設壓力。
首先，學生有濃厚的興趣。職業學校專業不一樣，男女比例天差地別，在上課過程中的反應也不盡相同，但是，由於在模擬實驗裡所見即所得，同學們學習的熱情高漲。模擬實驗中減少了實驗中實驗板，實驗內容不能更改的侷限性，可以擴充套件學生的思路和為不同層次的學生提供良好的實驗虛擬基地。在教學中，要努力創造適合學生髮展的情境，讓學生主動發展，關注學生的獨特感受，以此培養學生的發散思維。其次，學生可以自行設計實驗，鍛鍊瞭解決實際工程問題的能力，提高了學生的動手能力。
實驗能力和設計能力的培養，也是職業學校學生解決實際問題的能力中較為重要的。傳統的實驗中往往忽略學生的設計能力，只是一個驗證的過程，學生學習的理論無法真正應用到實際的工作實踐中，有一些學生有些許的遺憾。採用模擬後，採用建設工程的形式將設計理念融合到軟體中，投入少，實際問題卻能得到驗證和推敲，節省了硬體的損耗。再次，硬體投入少，經濟優勢明顯。微控制器的課程除了開設8051系列微控制器課程之外，還開設AVR系列與MCS51等系列的課程，三菱、西門子等不同系列和型號的微控制器。
要想保證相應實驗的開設，必須要有配套的實驗系統而且要保證一定的實驗硬體裝置套數，那麼這將是一筆非常大的`經濟支出。所以這將使單位和企業面臨著很大的經濟壓力，硬體裝置的更新和硬體裝置的維護等工作。考慮經濟和其他方面的種種因素，引入微控制器軟體模擬系統，就可以大大降低經濟的支出，減少硬體裝置的購置，同時也大大降低了對硬體裝置維護的工作量。為單位和企業減少了不必要的麻煩和經費，緩解了很大的壓力。
先透過軟體模擬成功後再投入硬體，經濟優勢明顯改善，在傳統的實驗教學中實驗板的投入，介面的投入，系列的不同，儀器的投入等，僅儀器的維護也是非常繁瑣的，更何況資金的投入了。因此採用軟體模擬，其經濟優勢很明顯。
微控制器模擬實驗的瓶頸之痛。長時間的課程教學之餘，總覺得留下了許多遺憾。雖然微控制器模擬實驗讓筆者和學生們獲得了一些成功的體驗，但久而久之，也產生了一絲厭倦，畢竟假的成不了真的，整天面對著這些毫無生氣的電路圖，無法接觸電路實物的痛苦與日俱增。
有鑑於此，兼顧教學裝置的投資現實，儀器老化問題及國家對職業教育的投入，在下面兩個方面學校可以參考改革。
一是改革辦學形式。透過“聯合辦學、合併小的機構、多校共建”等方式推動規模化辦學，加強建設，建成規模大、實力強、聲譽好的示範學校；組建職教集團，發揮對農村和民族地區薄弱學校及西部的幫扶作用。
改革教學形式，積極採取場景教學、案例教學、專案教學、模擬教學等多種教育教學方式，增強教育教學的實效性和教學形式的針對性。
改革培養形式，深入推行校企一體、頂崗實習、工學結合；改變單一，強調連續學習，為連續學習和分階段培養相結合，探索以就業為導向的職業人繼續學習模式。
創新專業設定。建立專業設定動態調整機制，重點建設面向先進製造業特別是裝備製造業、現代服務業、新興產業的精品專業；加強貼近區域產業、民族藝術、民間工藝等領域的特色專業。
二是創新教學環境。重點建設現代化的專業技能性教室，創設功能齊全、校園文化和企業文化都並存的，緊密結合的教學環境，使學生感受到課堂和企業的文化和專業的融合。改革教學形式，建立導向性的學校評價模式和能力性的學生評價模式；努力探索職業教育質量評價的新措施、新途徑，引導學生向更高的目標全面發展。
創新教學方法，強化實踐教學的導向性；更新教學手段，構建自己的網路學習平臺，能夠支撐隨時學習；創設生產實習的模擬現場設定，特別是透過模擬流程、虛擬現實、數字模擬等方式生動直觀地展示知識性、技術性和生產服務崗位的可行性。
創新教材的應用能力，開發延伸性、補充性的教輔資料；依託企業研發適應新興產業、新職業和崗位的校本教材；實現多種教材的立體化融合，使學生用發散的思維去思考問題。
改革隊伍建設，聘用企業工程技術人員、有實踐經驗的行業專家和社會中的能工巧匠等擔任兼職教師；落實教師在職進修和企業實踐制度的可行性和有效性，加強專業帶頭人和骨幹教師的培養方向和多元化。
改革管理制度，建立多方參與的決策機制和教育教學質量監測機構；創新人事分配製度；完善招生、教學、資助、免費、就業、財務和資產等學校業務管理辦法。
虛擬模擬實驗系統是微控制器教學的優秀實驗平臺，很好地彌補了傳統微控制器教學的不足，激發了學生的學習積極性與主動性，提高了教學效果，降低了實驗成本，是現代計算機技術與先進的教學理論在微控制器教學中的應用，有著廣泛的應用前景。
四、結束語
透過一段時間的虛擬模擬實驗，電子專業的學生學習主動性、認知水平、專業技能等有了明顯提高。利用模擬系統，可以節約開發時間和開發成本；利用模擬系統，具有很大的靈活性和可擴充套件性；減少了成本，也是學校提升實驗室建設水平有益的嘗試，不必為了比賽換新機型而惶惶然，更不必為時間的侷限性，地點的侷限性而擔憂。有利於促進課程和教學改革，更有利於人才的培養；從經濟性、可移植性、可推廣性角度講，建立這樣的實驗室是非常有意義的。