基于实例的实验教学方法

摘要:从现代教育理论出发,在分析建构主义理论的基础上,提出新型基于实例的实验教学方法,结合实验教学实际,在嵌入式系统设计的实验方面取得激发学生学习兴趣和提高学生动手设计能力的实验教学效果。

关键词:建构主义;基于实例;实验教学方法;嵌入式系统设计

在高等教育大众化的环境下,随着知识容量的剧增,知识更新的加速,内容陈旧、形式单一、理论与实际脱节的实验教学方法已不适应我国现阶段高等教育的教学要求,不能满足当代大学生的学习需求。因此,改进实验教学方法和手段,提高实验教学效率,是缓解现阶段高等教育教、学矛盾的有效手段和重要途径,是深入实践国家高等教育“质量工程”的体现[1]。

嵌入式系统就是嵌入到实际应用系统中进行测量和控制的计算机系统。单片机(MCU)是一块芯片上集成中央处理单元、存储器、定时器及多种输入输出接口的比较完整的数字处理系统,便于嵌入实际应用系统中。目前大部分嵌入式系统采用MCU,所以MCU是最典型、最广泛的嵌入式系统[2]3-4。本文所阐述的嵌入式系统即为MCU。笔者基于建构主义[3],探讨研究新型基于实例的实验教学方法在嵌入式系统设计中的应用,对其他计算机专业课程的建设也具有一定的借鉴意义。

1教学方法简介

基于实例的实验教学方法,是教师借助现代化的实验教学环境和教学手段,采用合适的设计实例,结合建构主义理论,引导学生分析实例,理解模块的工作原理及寄存器的使用原理,掌握编程基本思路,了解编程所采用的基本结构形式等。教师逐步引导,使学生在实例分析过程中理解模块应用的基本知识,同时进一步提高学生学习兴趣,使其养成探究学习、协作学习、继续学习的习惯,为进一步深造奠定坚实的基础。

基于实例的实验教学方法的实施对教师提出了更高的要求。教师在课程实验教学中要遵循如下原则:1)教师要根据实验教材的内容、学生的知识结构、认知规律和实际情况提供软件、硬件实例,提出相应的学习要求,引导学生主动学习、理解和思考;2)设计的实例要涵盖课程主要知识点,提出的要求又要循序渐进,有一定梯度;3)鼓励学生大胆尝试,勇于提出问题,在分析答疑过程中帮助学生提高解决问题的能力。

2实验教学案例

基于上述原则,结合嵌入式系统设计的特点,我们围绕实例程序提出不同程度的实现要求,讲解嵌入式系统编程实现的过程,使学生掌握嵌入式系统设计的方法,提高嵌入式系统设计能力。这里介绍两个实验教学案例。

2.1从小灯闪烁程序入门

嵌入式系统设计课程以飞思卡尔8位单片机 MC68HC908GP32(以下简称GP32)[4]为例,是学生总结前导课程知识,学会运用的一门重要课程。如何引导学生运用软件工程知识组建项目,编写小灯变亮或变暗的函数,激发学生进一步学习的动力,至关重要。传统的实验教学方法只介绍嵌入式系统设计的第一小灯(LED)闪烁程序[2]103-110的组织特点,接着介绍利用嵌入式系统的输入输出口(I/O)点亮小灯编程的基本结构,然后教学生将程序编译下载至嵌入式系统实验箱,演示小灯的闪烁,并修改小灯闪烁时间,观察实验效果。而在建构主义理论指导下,我们首先画出小灯与MCU的连接原理图,让学生明白嵌入式系统的软件设计是面向硬件的,分析硬件是软件设计的基础。然后在MT-IDE for Freescale HC08)[5-7]环境下,让学生在教师提供的填空式基本构架(图1)下当场编写程序代码,如图2所示,填空项就是有关模块程序编写的关键。这一方面可以让学生抓住编程要点,另一方面又鼓励学生自己动手编程。学生既理解了程序执行过程,又可以尽快了解用软件工程知识组建项目的基本框架。填空式编程降低入门难度,便于学生动手编写,调动了学生的学习积极性。

基于上述第一个实例程序,教师引导学生总结程序的基本结构如下:1)程序遵循C语言语法特点,有且只有一个主函数(main函数),是程序的入口点,其中含主循环while(1),它具备操作系统的最基本功能――循环等待;2)项目文件除了包含main文件,还有中断文件、MCU的资源宏定义文件、MCU初始化文件和模块头文件及源文件等。

在教学过程中,教师还要强调程序结构规范的重要性,使学生养成编程的良好习惯。

2.2 MCU的通信程序

在MCU与PC机通信、MCU与其他MCU通信以及MCU与板内其他芯片通信等多种通信中,通信程序是MCU教学中的一个难点。从适用角度看,通信有适用于PCB板内的通信,如SPI、IIC等,有适用于PCB板间的通信,如SCI、CAN、USB、以太网等;从信息通信方式角度说,通信有信息单字节通信和多字节通信,如SCI、SPI、IIC为单字节通信,CAN、USB、以太网为多字节通信,这类多字节通信都要加信息头。通信协议一般较复杂,难以切入,实验教学以SCI(即异步串行通信)[2]148-151为例,给学生一个简单填空式的框架,让学生动手完成实现,便于学生切入,增强信心。

所谓SCI通信,是通信双方在相同的通信频率(即波特率)下,一方的1个字节信息要发送给另一方,发送方检测自身的发送缓冲区空标志位是否为空,不空则重新测,空则将数据送入数据寄存器,MCU自动将数据送给接收方,而接收方检测自身的接收缓冲区满标志位是否为满,不满则重新检测,满则可以从数据寄存器收取数据。犹如一个人给另一个人倒茶,倒茶水的人一见杯子空就添加,喝茶水的人一见杯子有茶就喝。通过这样简单原理的讲述,学生有了一个简单清晰的思路,就比较容易完成填空式的基本通信框架程序,如图3、图4所示。

接收数据是被动的动作,在实际应用中,接收对方数据时,为了防止发生死等待情况,编程代码应该作修改完善,教师可引导学生翻阅教材[2],培养学生主动学习的能力。

3设计环节

在学生理解、掌握模块工作原理的情况下,结合不同模块的设计特点与知识,教师可进一步提出更高要求,引导学生分析讨论,发挥学生的主观能动性,提升实验教学效果。比如通信方式由查询方式改变为中断方式;又如模仿小灯模块程序编写开关模块程序,两者都是I/O程序,只是一个是输出,另一个是输入,即输出的是输出一个电平,点亮或熄灭小灯;输入的是依靠开关改变状态,MCU测试相应引脚的电平,即MCU读入的逻辑值是1或者0。开关和小灯一起接在MCU上,实现互动效果,构成一个较完整的系统,学生认真完成后也会获得一定成就感。

4考查环节

基于这种基于实例的实验教学方法,我们对考查环节进行了改进。第一,平时考查由老师提供一份填空式的实验报告,以其为模块设计性实验的实验报告,学生亲自动手完成。每次实验课中,老师边指导边考查学生的完成情况;第二,期末考查依据综合设计性实验进行综合考查。综合设计性实验采用分模块设计综合方式,是在平时模块设计性实验基础上综合设计实现的。即在第一次实验中,学生建立一个综合设计实验框架,经过每次模块的设计性实验,逐步添加,最终完成一个综合设计性实验,并形成综合设计性实验报告,教师在期末检查综合设计性实验系统的运行情况即可。

5效果评价

采用基于实例的实验教学方法,学生的学习热情和主动性有明显提高,坚定了指导教师的信心。采用填空方式让实验报告变得清晰简洁,减少了指导教师平时考核学生的随意性;在期末综合考查中,老师依据综合设计性实验程序的运行效果判断学生的掌握情况,简化了综合考查方式。

但是,还是有部分学生的积极性不够,抄写他人实验报告和拷贝他人程序,因此也可以进行理论实验考试,方法参考文献[8]。实验教学效果考查也可以结合多种形式,然后进行总评,措施参见文献[9]。为了提高学生的实践能力和创新能力,建议学校进一步加大实验教学在教学中的比重,重视学生动手能力的考查[10]。

6结语

改进实验教学模式,提高实验教学效果,是提升高等教育质量的一个重要方面。激发学生学习专业课程的兴趣,激励学生进一步开展研究性学习,甚至开展创新性的研究工作,将为培养高素质、适应社会需求的计算软件人才奠定基础。

参考文献:

[1] 教育部,财政部. 教育部财政部关于实施高等学校本科教学质量与教学改革工程的意见[S]. 教高[2007]1号.

[2] 王宜怀,刘晓升. 嵌入式技术基础与实践[M]. 北京:清华大学出版社,2007.

[3] 张建伟,陈琦. 简论建构性学习和教学[J]. 教育研究,1999(5):56-60.

[4] MOTOROLA Inc.MC68HC908GP32 Technical Data HCMOS Micro-controller Unit[R]. Motorola Semiconductors H.K.Ltd, 2001(5):1-410.

[5] 王宜怀.MC68HC908GP32单片机编程器的设计与实现[J]. 计算机工程,2004,30(20):191-194.

[6] 刘晓升,曹金华,沈安东. HC08系列微控制器编程调试器通用性设计[J]. 计算机工程,2008,34(24):253-255.

[7] 曹金华,刘晓升,王宜怀. Freescale HC08系列MCU集成开发环境的设计[J]. 微计算机信息,2009,25(26):77-79.

[8] 吴起凡. 计算机软件课程实验教学考试试点及结果分析[J]. 实验技术与管理,2007,24(12):132-135.

[9] 王方,高行山,张光,等. 力学实验教学改革初探[J]. 实验技术与管理,2007,24(10):331-349.

[10] 李晓勇,周丽涛. 提升计算机专业实践能力的研究与探索[J]. 计算机教育,2010(10):116-118.

A New Experiment Teaching Method Based on Example

CAO Jin-hua, SHEN An-dong, WANG Yi-huai, LIU Xiao-sheng

(Computer Science & Technology School, Soochow University, Suzhou 215006, China)

Abstract: From the angle of the modern educational theory, based on the analysis of the constructivism theory, this article presented a new experiment teaching method based on example application. Combined with the actual condition of experiment teaching, in experiment of Embedded System Design, the application of the method will greatly waken students interest and enhance the students’ capability of practice.

Key words: constructivism; based on example; experiment teaching method; embedded system design