大學(xué)生在面對(duì)象“高等數(shù)學(xué)”這種較難的基礎(chǔ)課程時(shí),可以沿襲中學(xué)課程的學(xué)習(xí)方法,不需要?jiǎng)邮謱?shí)踐,也可以應(yīng)對(duì)。本文是一篇山東教育雜志投稿的論文范文,主要論述了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,促進(jìn)單片機(jī)教學(xué)與學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐互動(dòng)雙贏。
【摘要】針對(duì)單片機(jī)知識(shí)抽象難懂,學(xué)生提不起興趣的現(xiàn)狀,以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為切入點(diǎn),提出多項(xiàng)有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、使單片機(jī)知識(shí)深入淺出的教學(xué)改革方法;同時(shí)結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐、學(xué)科競(jìng)賽需要應(yīng)用單片機(jī)知識(shí)的情況,提出利用實(shí)踐成果促進(jìn)教學(xué)的教法以及挖掘人才、鼓勵(lì)學(xué)生參與實(shí)踐的指導(dǎo)方法,學(xué)生反映良好,也推動(dòng)了創(chuàng)新實(shí)踐與競(jìng)賽出成效,使單片機(jī)教學(xué)與學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐達(dá)到了互動(dòng)雙贏。
【關(guān)鍵詞】單片機(jī),教學(xué)改革,創(chuàng)新實(shí)踐
1.引言
當(dāng)前大學(xué)生不缺應(yīng)試與做習(xí)題的能力。然而面對(duì)《單片機(jī)原理及應(yīng)用》這樣需要通過(guò)實(shí)踐才能理解其中抽象、繁雜概念的課程時(shí),原來(lái)應(yīng)付基礎(chǔ)課程的方法失效,許多學(xué)生遇到了前所未有的困惑與不適應(yīng)。對(duì)機(jī)械專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō),“單片機(jī)”這樣帶有計(jì)算機(jī)科學(xué)特點(diǎn)的知識(shí)使他們尤為不適應(yīng),造成學(xué)習(xí)效果不佳,學(xué)習(xí)興趣提不起來(lái)。“數(shù)據(jù)指針”、“狀態(tài)標(biāo)志位”、“工作寄存器”、“中斷”等等這些聞所未聞的概念是什么,有什么作用,為什么會(huì)有這些東西,計(jì)算機(jī)運(yùn)行怎么需要那么多的抽象概念。這些對(duì)于計(jì)算機(jī)運(yùn)行原理還是未知數(shù)的學(xué)生來(lái)說(shuō)確實(shí)是困難的。因?yàn)椴簧俪鯇W(xué)者會(huì)想當(dāng)然認(rèn)為計(jì)算機(jī)運(yùn)行與操作看起來(lái)是那么友善與簡(jiǎn)單,而接觸到原理的時(shí)候,卻會(huì)遇到那么多晦澀難懂的概念,這種理想與現(xiàn)實(shí)的巨大落差,導(dǎo)致興趣驟然下降,如果不加以改善,課程教學(xué)難以取得理想的效果。因此從激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣入手,探討提高單片機(jī)課程學(xué)習(xí)效果的方法意義重大。
另一方面,各大學(xué)都設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課、創(chuàng)新實(shí)踐課,每年也有各類創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目,以及機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)、機(jī)器人或挑戰(zhàn)杯等大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽。這些實(shí)踐項(xiàng)目往往是機(jī)電相結(jié)合,是單片機(jī)知識(shí)應(yīng)用的重要平臺(tái),也是檢驗(yàn)大學(xué)生是否將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到創(chuàng)新實(shí)踐,檢驗(yàn)課程學(xué)習(xí)效果的重要試驗(yàn)田。因此研究將單片機(jī)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新實(shí)踐相結(jié)合互動(dòng)雙贏的方法有著積極的實(shí)用價(jià)值。
本文應(yīng)此背景提出,從激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣入手,既提高課堂學(xué)習(xí)效果,又鼓勵(lì)大學(xué)生投身實(shí)踐與比賽,使課程知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐,促進(jìn)了單片機(jī)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新實(shí)踐的互動(dòng)雙贏。
2.改革教學(xué)方法,提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣
傳統(tǒng)的單片機(jī)課程教學(xué)注重理論,授課一般按“結(jié)構(gòu)”、“指令”、“編程”、“接口擴(kuò)展”等過(guò)程進(jìn)行,這種方式固然需要,然而如果僅僅是理論的灌輸,則顯得枯燥無(wú)味,學(xué)生難以提起興趣。另一方面,當(dāng)前許多單片機(jī)教程也是按照上述思路介紹,語(yǔ)言文字都是呆板的專業(yè)術(shù)語(yǔ)。有時(shí),有些專業(yè)詞可能都未解釋就被用來(lái)又解釋另一生疏專業(yè)詞的功用。比如剛出現(xiàn)“程序狀態(tài)字寄存器”,就用“進(jìn)位”和“溢出”來(lái)說(shuō)明程序狀態(tài)字寄存器就是存儲(chǔ)這些狀態(tài)特征。那么“進(jìn)位”、“溢出”又是什么意思,代表什么現(xiàn)象,并未進(jìn)行說(shuō)明,而這樣的現(xiàn)象在單片機(jī)教材中幾乎遍地都是。這些造成了初學(xué)者的困惑,也是學(xué)生普遍反映這門(mén)課抽象的重要原因。
因此對(duì)于單片機(jī)中普遍出現(xiàn)的抽象名詞,應(yīng)該改進(jìn)教學(xué)方法,用容易理解的方式進(jìn)行傳授。本文提出并實(shí)施了以下幾種改進(jìn)的教學(xué)方法。
2.1 多采用比喻手法,化抽象為形象
對(duì)一些單片機(jī)術(shù)語(yǔ)可采用比喻的方式進(jìn)行傳授,引導(dǎo)學(xué)生與生活中的類似現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái),化抽象為形象。
比如為了讓學(xué)生理解什么是“存儲(chǔ)器”,什么是“寄存器”,兩者有什么區(qū)別?蓪“存儲(chǔ)器”比喻成是圖書(shū)館,可存儲(chǔ)較多的書(shū)。但是圖書(shū)館離我們有些遠(yuǎn),對(duì)于使用非常頻繁的書(shū),放在圖書(shū)館就不方便了,就必須放在我們的身邊,比如宿舍。CPU的“寄存器”就類似宿舍,存的書(shū)不多,但存取方便。CPU在運(yùn)算時(shí),也是類似道理,需要迅速處理大量臨時(shí)數(shù)據(jù),寄存器可使CPU就地取信息,提高了運(yùn)行速度。這種形象的比喻,方便了學(xué)生理解寄存器與存儲(chǔ)器的概念區(qū)別。我們發(fā)現(xiàn)這種形象的教學(xué)方法增強(qiáng)了教學(xué)趣味性,提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,學(xué)生反映良好。
2.2 合理解釋概念,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)規(guī)律
對(duì)一些單片機(jī)術(shù)語(yǔ)可采用合理的解釋讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)點(diǎn)的基本特點(diǎn)與規(guī)律。
比如程序狀態(tài)字寄存器中的“進(jìn)位”標(biāo)志位。學(xué)生剛開(kāi)始是不能理解這是什么,為什么需要它,而我們發(fā)現(xiàn)大多教材并沒(méi)有給出一個(gè)淺顯易懂的解釋。其實(shí)在開(kāi)始講單片機(jī)時(shí)就應(yīng)該告訴學(xué)生,計(jì)算機(jī)就是在模擬人類的許多行為。但人類一個(gè)很不經(jīng)意的行為,計(jì)算機(jī)是不會(huì)自動(dòng)執(zhí)行的,這就是計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本特點(diǎn)。比如,在這個(gè)“進(jìn)位”標(biāo)志位的概念上,要告訴學(xué)生,兩個(gè)八位數(shù)相加,完全可能高于八位,產(chǎn)生進(jìn)位,人相加時(shí)會(huì)自然地記住“進(jìn)位”這個(gè)事。而一個(gè)八位的單片機(jī)只能存八位結(jié)果信息,并不會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)這個(gè)現(xiàn)象,需要某個(gè)存儲(chǔ)單元來(lái)記錄兩數(shù)相加是否發(fā)生了進(jìn)位,因此當(dāng)初設(shè)計(jì)單片機(jī)或計(jì)算機(jī)的人就使用程序狀態(tài)寄存器的一個(gè)“位”來(lái)存儲(chǔ)了這個(gè)現(xiàn)象。
類似這樣的現(xiàn)象在單片機(jī)或計(jì)算機(jī)中十分普遍。比如“堆棧”就像生活中的杯子可放東西,但人們生活中將杯中的東西拿走是可以看到杯底的,而對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō),這個(gè)現(xiàn)象不會(huì)自動(dòng)發(fā)生,需要人為通過(guò)軟件使指針指向棧底,這就是堆棧指針的一個(gè)重要作用。
通過(guò)這樣的解釋讓學(xué)生開(kāi)始初步適應(yīng)計(jì)算機(jī)只是個(gè)機(jī)器,許多動(dòng)作需要我們指定它完成。有了類似的解釋,并且在以后不斷強(qiáng)化,學(xué)生就不會(huì)對(duì)新的類似現(xiàn)象感到陌生,而是提前知道了有關(guān)規(guī)律,有利于消除恐懼感,調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。
2.3 強(qiáng)調(diào)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,增強(qiáng)教學(xué)趣味性
單片機(jī)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,十分有必要采取實(shí)驗(yàn)演示或讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐,讓學(xué)生真正感受單片機(jī)的功用與趣味。
教學(xué)中,我們根據(jù)當(dāng)前多媒體教學(xué)作為主要模式的特點(diǎn),有時(shí)采用單片機(jī)的虛擬動(dòng)畫(huà)演示,讓學(xué)生清晰看到投影畫(huà)面顯示的模擬效果,提高了課堂教學(xué)的趣味性。在課堂教學(xué)中,發(fā)現(xiàn)僅憑陳述或模擬演示單片機(jī)是如何運(yùn)行仍然比較抽象,如果能實(shí)際立即運(yùn)行給學(xué)生看,則會(huì)顯著改善教學(xué)效果。對(duì)于比較簡(jiǎn)單的情況,學(xué)生一般能夠現(xiàn)場(chǎng)理解有關(guān)程序,這類實(shí)驗(yàn)也不占用課堂教學(xué)太多時(shí)間,因此我們有時(shí)直接將實(shí)驗(yàn)箱帶到課堂讓學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)觀察單片機(jī)的運(yùn)行效果,增強(qiáng)了教學(xué)的直觀性與趣味性。最典型的有發(fā)光二極管輪流點(diǎn)亮等簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn),可使學(xué)生立刻體會(huì)并驗(yàn)證單片機(jī)端口怎樣傳送電平信息,怎樣通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)移位,從而生成前述的效果。 對(duì)于較復(fù)雜的程序,課堂上進(jìn)行詳細(xì)講解,比較枯燥,讓學(xué)生當(dāng)場(chǎng)理解并不現(xiàn)實(shí),即便課堂上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),也未必能讓學(xué)生將知識(shí)消化得透。我們認(rèn)為對(duì)于這樣的復(fù)雜程序與實(shí)驗(yàn),適合采用課堂講解大體思路與關(guān)鍵點(diǎn),要求學(xué)生課后花充足的時(shí)間理解消化,然后在實(shí)驗(yàn)課上進(jìn)行驗(yàn)證。時(shí)間允許,則可在課堂上再次解釋其中的關(guān)鍵點(diǎn),使學(xué)生鞏固知識(shí)點(diǎn)。這種講課與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的“學(xué)到做,做到學(xué)”模式,可有效解決學(xué)生對(duì)復(fù)雜知識(shí)的理解,消除學(xué)生對(duì)復(fù)雜知識(shí)的恐懼。在理解知識(shí)的基礎(chǔ)上,生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)效果,可大大增強(qiáng)學(xué)生對(duì)單片機(jī)深入學(xué)習(xí)的信心與興趣。
2.4 利用創(chuàng)新實(shí)踐與比賽激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣
當(dāng)前大多院校都重視學(xué)生的課外創(chuàng)新實(shí)踐,鼓勵(lì)學(xué)生參加大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽,其中單片機(jī)是機(jī)電類學(xué)生常用的控制平臺(tái),單片機(jī)的應(yīng)用可以說(shuō)就在大學(xué)生的生活周圍。因此,將大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的實(shí)例、大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽的作品作為成功案例向?qū)W生介紹,可起到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的效果。筆者從事指導(dǎo)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐與學(xué)科競(jìng)賽多年,基本上都有單片機(jī)的應(yīng)用。在課堂上筆者將自己指導(dǎo)的2012年獲全國(guó)獎(jiǎng)的樓道清潔機(jī)器人與機(jī)器章魚(yú)作品有關(guān)演示錄像、以及參賽者的創(chuàng)作過(guò)程給學(xué)生介紹與展示。同學(xué)們對(duì)其中作品的巧妙以及控制得自然感到特別神奇。不少好奇的同學(xué)摩拳擦掌,充滿著對(duì)單片機(jī)學(xué)習(xí)的渴望,不僅想學(xué)好這門(mén)課,也想在課余時(shí)間應(yīng)用單片機(jī)知識(shí)制作自己設(shè)計(jì)的作品,鍛煉自己,努力把課本知識(shí)與創(chuàng)新實(shí)踐相結(jié)合。
大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐或比賽作品往往需要較復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng),對(duì)于課堂上大多還未接觸過(guò)單片機(jī)的同學(xué)來(lái)說(shuō),不適合直接將復(fù)雜的單片機(jī)平臺(tái)或程序講授給學(xué)生,需要化復(fù)雜為簡(jiǎn)單。因此,我們?cè)诮虒W(xué)中,進(jìn)行了很大的簡(jiǎn)化。比如作品中機(jī)器人遇障礙避讓,控制實(shí)際使用的是STM32平臺(tái),該平臺(tái)擁達(dá)百個(gè)中斷,用戶輸入輸出口達(dá)幾十,甚至上百,這樣的復(fù)雜系統(tǒng)對(duì)于毫無(wú)單片機(jī)概念的同學(xué)是難以適應(yīng)與理解的,但基本的道理仍然是某輸入端口接受到電平信號(hào)變化,觸發(fā)單片機(jī)轉(zhuǎn)入中斷服務(wù),中斷服務(wù)程序就是一個(gè)控制電機(jī)不同旋轉(zhuǎn)速度與方向的子程序,從而使輪子差動(dòng)旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人轉(zhuǎn)身的動(dòng)作。針對(duì)課堂教的是51單片機(jī)及匯編語(yǔ)言,我們就采用簡(jiǎn)單光敏電阻接受遮擋,通過(guò)中斷輸入口產(chǎn)生中斷信號(hào),使51單片機(jī)原本控制的電機(jī)旋轉(zhuǎn)暫停或反轉(zhuǎn)來(lái)簡(jiǎn)單模擬實(shí)現(xiàn),以此聯(lián)系到復(fù)雜的機(jī)器人控制,使學(xué)生理解機(jī)器人控制實(shí)現(xiàn)的基本過(guò)程與原理。該方式有利于解開(kāi)單片機(jī)的運(yùn)行奧秘,消除學(xué)生對(duì)單片機(jī)學(xué)習(xí)的恐懼。
3.鼓勵(lì)大學(xué)生積極將知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐
當(dāng)前許多大專院校為鼓勵(lì)大學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐,積極創(chuàng)新,設(shè)立各種實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目,教育部以及有關(guān)協(xié)會(huì)組織各類學(xué)科競(jìng)賽,培養(yǎng)促進(jìn)大學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。這些實(shí)踐項(xiàng)目與競(jìng)賽是課堂所學(xué)知識(shí)應(yīng)用的重要試驗(yàn)田,不僅考驗(yàn)著大學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力,也是對(duì)教師專業(yè)課程教學(xué)效果、引導(dǎo)大學(xué)生應(yīng)用知識(shí)效果的檢驗(yàn)。
3.1充分挖掘人才,向高級(jí)應(yīng)用轉(zhuǎn)型
僅憑課堂上學(xué)習(xí)的知識(shí)不足應(yīng)對(duì)作品的機(jī)電控制實(shí)現(xiàn),需要培養(yǎng)學(xué)生在課堂知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步學(xué)習(xí)更復(fù)雜的單片機(jī)知識(shí),更重要的是將知識(shí)應(yīng)用于作品的實(shí)現(xiàn)中。而教師不可能為所有學(xué)生提供實(shí)踐項(xiàng)目的相關(guān)指導(dǎo)。為此,我們通過(guò)教學(xué)積極發(fā)現(xiàn)人才,吸收了若干有興趣有能力的同學(xué),充分挖掘他們的潛能,利用課余時(shí)間向他傳授STM32等高級(jí)平臺(tái)的應(yīng)用,主要鼓勵(lì)他們?cè)谡n堂單片機(jī)知識(shí)的基礎(chǔ)上自學(xué)高級(jí)平臺(tái)單片機(jī)的知識(shí),掌握其中軟件的特點(diǎn),不斷鍛煉自己,為復(fù)雜的單片機(jī)平臺(tái)在實(shí)踐與參賽作品的成功應(yīng)用做好知識(shí)的儲(chǔ)備。
筆者實(shí)際就從教學(xué)的班級(jí)中選拔了五到位同學(xué)參加了兩個(gè)小組的作品控制實(shí)現(xiàn),分別參加了2012年、2013年的大學(xué)生課外學(xué)術(shù)作品競(jìng)賽與國(guó)家級(jí)、省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目;2014年又在單片機(jī)教學(xué)所在班級(jí)選拔了若干位同學(xué)參加機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽,并提前讓有關(guān)同學(xué)自學(xué)STM32等32位的單片機(jī)平臺(tái),讓他們?cè)缭缱龊脺?zhǔn)備,及時(shí)使他們向高級(jí)應(yīng)用轉(zhuǎn)型,這樣為創(chuàng)新實(shí)踐作品的成形,比賽的順利進(jìn)行鋪平了道路。
3.2 安排階梯性訓(xùn)練,迎接實(shí)踐與比賽的挑戰(zhàn)
選拔學(xué)生向高級(jí)應(yīng)用轉(zhuǎn)型是使大學(xué)生參加創(chuàng)新實(shí)踐與學(xué)科競(jìng)賽的基本要求。那么如何轉(zhuǎn)型,幫助他們盡快適應(yīng)作品制作的要求,是最終使單片機(jī)知識(shí)在實(shí)踐中成功應(yīng)用的保證。
為了迎接實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目與大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽,給學(xué)生安排了階梯性訓(xùn)練,從簡(jiǎn)單練習(xí),到復(fù)雜實(shí)驗(yàn),使他們既快速又扎實(shí)地學(xué)好學(xué)深單片機(jī)知識(shí)。例如,我們提前讓他們走進(jìn)本學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室,重點(diǎn)進(jìn)行更迫切需要的傳感器中斷響應(yīng)、定時(shí)器、繼電器、電機(jī)控制等51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)。然后在我們自己購(gòu)置的若干STM32單片機(jī)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,讓他們及早掌握ARM指令的基本特點(diǎn)。由于有了51單片機(jī)的基礎(chǔ),學(xué)生學(xué)起來(lái)已經(jīng)不很費(fèi)勁,特別是STM32支持C語(yǔ)言編程,提供了大量的庫(kù)函數(shù),有些方面甚至比51單片機(jī)掌握起來(lái)更容易,而又能勝任多傳感器復(fù)雜控制的要求。這些為迎接實(shí)踐項(xiàng)目與比賽的挑戰(zhàn)做好了準(zhǔn)備。
在2012年、2013年多次訓(xùn)練大學(xué)生參加創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目,筆者指導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)獲立國(guó)家級(jí)、省級(jí)4項(xiàng)。還經(jīng)常鼓勵(lì)并安排學(xué)生參加實(shí)踐創(chuàng)新性的學(xué)科競(jìng)賽,其中“升降伸縮式樓道清潔機(jī)器人”作品在全國(guó)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽獲一等獎(jiǎng),其它作品也獲得了全國(guó)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽二等獎(jiǎng)、南通市首屆大學(xué)生課外學(xué)術(shù)作品一等獎(jiǎng)、優(yōu)秀獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。這些創(chuàng)新項(xiàng)目與參賽作品幾乎都是機(jī)電相結(jié)合,都依靠單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn),充分證明了我們倡導(dǎo)的單片機(jī)教學(xué)與應(yīng)用方法的成功之處。
4.結(jié)束語(yǔ)
單片機(jī)教學(xué)歷年來(lái)是各高校老師教學(xué)的難點(diǎn),學(xué)生普遍感到知識(shí)抽象難懂,而另一方面單片機(jī)知識(shí)又是大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐迫切需要的知識(shí)點(diǎn)。為此,我們以激發(fā)學(xué)生興趣為切入點(diǎn),提出多項(xiàng)有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的教學(xué)改革方法,又將大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐、學(xué)科競(jìng)賽與課堂單片機(jī)教學(xué)相結(jié)合,提高課堂教學(xué)效果,同學(xué)們反映良好,同時(shí)也促進(jìn)了大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐、學(xué)科競(jìng)賽取得顯著成效。這些證實(shí)了我們教學(xué)改進(jìn)方法的有效性,希驥對(duì)今后單片機(jī)教學(xué)方法的發(fā)展帶來(lái)積極的參考價(jià)值。
參考文獻(xiàn):
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