虚拟仿真技术与单片机程序设计能力的应用研究
摘 要:针对目前高中单片机技术程序设计难教、难学的问题,研究借助现代虚拟仿真技术,以建立学习资源库、学习范例等方法,开展实验研究,研究表明基于虚拟仿真技术的单片机学习有利于提高学生单片机程序设计的能力和自主学习的能力,并提出了虚拟仿真与真实实验相结合的教学建议。
一、问题的提出。
随着现代电子技术的发展,2007年单片机技术这一新型技术也纳入了高中电子技术模块教学中,并成为整个模块中最为重要的内容之一。然而笔者在近几年的一线教学中发现教学效果并不理想,能独立完成一件单片机作品的学生人数很少,不能完成程序设计是其中的主要原因,大部分学生都觉得单片机程序设计难学,而程序设计对于单片机作品制作又有极其重要的作用,因此,如何提高学生单片机程序设计的能力对于学生学好单片机技术有着重要的实际意义。
等院校、高职、中职学校成为热点,他们的研究主要集中在以下几方面:(1)仿真软件在单片机教学中应用研究,认为构建基于Proteus软件的单片机实验系统,能够很好的解决传统单片机实验教学中存在的实验设备问题,减少学校单片机硬件设备损耗,提高单片机实验灵活性[1];(2)单片机教学方法的研究,他们主张以实际的实验项目制作为载体,打破原来抽象的逻辑知识体系,并将知识按照实验项目划分单元,让学生在“做中学”,在制作过程体验知识,有利于学生对单片机理论知识的理解,并以“实例驱动法[2]”、“项目教学法[3]”、“任务驱动法[4]”、“案例教学方法[5]”等开展单片机教学研究;(3)单片机教学改革理论探讨,指出单片机教学要注重理念的转变,突出学生的主体性;要注重案例教学,缩短理论与实践的距离[6]。
前辈的研究对开展基础教育单片机教学有一定的参考意义,但对于单片机程序设计能力的研究较少涉及。本研究针对目前高中阶段单片机技术教学的现状,借助计算机虚拟仿真技术,开展提高学生单片机程序设计能力的实验研究。
二、研究设计。
(一)研究对象。
为了不影响学校常规教学,研究只能采用“准实验”研究,但为了提高实验研究的效度,尽量减少被试差异对研究结果的影响,笔者在所任教的几个班级中进行了精心选择,从学生原有的电子技术基础知识与能力、上课纪律、男女数量、学习态度等方面进行对比,最终选定了高二(7)班和高二(11)班进行实验研究。高二(7)班为对照班,采用常规教学,高二(11)班为实验班,采用虚拟仿真技术辅助单片机教学。
传统的通用技术教学,学生的主体性很难得到发挥,大部分的时间都是教师在讲、示范,学生机械模仿操练。的确掌握相关的电子技术基础知识和操作技能是学习的基本要求,更是创新作品制作的基础。但以这种被动学习的方式获得的知识与技能不仅要付出很多的学习时间,学习效果差,而且这些知识与技能可迁移性也会差,因为只有学习者自己主动建构的知识、技能才能得到好的迁移。研究借助虚拟仿真软件Multisim10.0平台,为学生提供教师事先制作好的信息化教学资源——单片机学习范例,让学生以自主学习范例的方法来主动建构单片机程序设计知识与技能,从而达到提高学生单片机程序设计的能力。范例是用Multisim10.0制作的单片机实验效果,范例的设计充分体现建构主义思想。以教材“夜明灯”为例,学习者范例自主学习的方法是,第一步是进入范例学习的情境,激发学生学习兴趣,情境如下:我们希望有这样一盏灯,白天它休息,节省能量不工作,不发光,到了晚上,它自动开始工作发光,方便人们夜间行动,这样的一盏神奇小灯,我们称它为“自动夜明灯”。自动夜明灯是如何实现的呢?请同学进入范例自主学习JB指令的使用与“自动夜明灯”程序的设计;第二步是学生利用单片机学习网站(网站也是由教师课前建立),下载“自动夜明灯”范例观摩实验效果;第三步,打开范例中附带的Word文档,自主学习JNB指令及程序的编写方法;第四步,再打开范例中附带的任务单(也是一个Word文档),按里面的要求完成单片机实验,巩固所学知识,有利于知识的迁移。类似这样的范例笔者提供了5个,将单片机指令都融入其中。
(三)研究材料、工具及方法。
研究材料主要是实验使用的常用元件,包括电阻、普通发光二极管、光敏电阻、电子线路板、电池3V、导线。每四个学生一套实验材料。
研究需要在计算机网络教室进行,工具主要包括每个学生一台计算机,并且每台计算机装有Multisim10.0软件。此外,还需要用于学生实验的单片机学习平台。研究方法主要是用测验法获得学生单片机程序设计能力方面的数据。
(四)实验数据收集与处理。
通过测试收集学生单片机程序设计能力测试的成绩,并用spss软件统计分析,最终得出结论。
(五)试卷的编制与信度、效度检验。
试卷主要由几位从事单片机教学的教师共同商量编制,并采用复本法进行信度检验,实验班rtt=0.64,对比班rtt=0.62;采用准则关联效度进行效度检验,在测定前,请相关教师按照平时印象对实验班每个被试的相应能力作出评价,即将教师对学生的评定值作为准则,然后求出与实际结果相关的系数,系数越高,效度越高。结果是实验班rXY=0.63,对比班rXY=0.61。
三、研究的结果与分析。
学生单片机程序设计能力测试成绩经SPSS软件统计整理如表1和表2,由于测试卷还包括其他方面的内容,单片机程序设计能力测试只是其中的一部分,满分为30分。
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表2程序设能力t检验输出结果。
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从表1统计结果可得出对比班学生程序设计成绩平均分为16.273分(满分30分),标准差为6.160,实验班程序设计平均分为18.94.,标准差为5.658,表2方差齐性检验结果P=0.529>0.05,表明方差具有齐性,不需要数据校正,双侧t检验,P=0.030>0.05,两个程序设计成绩差异显著。表明实验班采用虚拟仿真技术后对学生程序设计的能力有显著性提高。
笔者认为至少有以下两个方面的原因,使得两个班级有显著的差异。
1.资源库。
基于虚拟仿真技术的单片机教学为学生学习提供了资料库,资料库中有范例文件及相应解释,这些范例既紧贴学生的生活,触动了学生的好奇心,激发学习的兴趣与内驱力;又以形象直观的方式将单片机指令融入其中,便于学生理解指令的作用;还提供了程序设计流程思路,让学生掌握单片机程序设计的方法。此外范例安排了相应的“动手试一试”作为练习,让学生通过亲自动手实验主动来建构知识,提高单片机程序设计能力。
基于虚拟仿真技术的单片机教学利用现代虚拟技术,借助Multisim10.0软件既能辅助教师教学突破教学难点;还给学生提供了一个很好的虚拟电子平台,促进他们自主学习单片机程序设计。传统单片机教学受到实验仪器、实验时间、实验地点等方面的影响,学生实验的机会很少,难于提高学生单片机程序设计的能力。Multisim10.0虚拟实验台则克服了传统教学的不足,突破时间、地点的限制,学生只要在一台装有Multisim10.0软件的计算机上就能实验了,而基于虚拟仿真技术的单片机教学,学生是学习的主体,他们利用Multisim10.0进行了更多的单片机程序设计虚拟实验;加上资源库中范例文件也是用Multisim10.0制作的,学生能很方便地借助Multisim10.0观看和模仿。此外,Multisim10.0具有动态仿真功能,学生能从仿真后反馈的信息及时了解程序运行的情况,以便对程序作出相应修改或重新设计,直到实现预期的效果。
四、结论与建议。
1.结论。
基于虚拟仿真技术的单片机教学相比传统教学,对提高学生单片机程序设计能力有显著的效果。新策略能提高大部分学生的单片机程序设计能力,这主要是因为新策略在教学准备、教学实施阶段进行了精心策划组织,不仅为学生学习提供了丰富的范例资源观摩;而且借助计算机虚拟技术,为学生营造环境,创设条件,学生在一系列活动中,利用Multisim10.0虚拟电子实验台仿真实验,使单片机指令、程序的学习变得直观、有趣,从而降低了单片机程序设计的难度。
2.建议。
加强虚拟仿真实验与真实实验的结合。在单片机技术学习后,笔者用问卷的方法了解学生对虚拟仿真技术学习单片机的想法,结果显示大部分学生希望能通过更多的真实实验来体验单片机技术。因此,在基于虚拟仿真技术提高学生单片机程序设计能力的同时,也要主张虚拟仿真技术与真实实验的结合,做到既可以提高学生的单片机程序设计能力,也能提高学生的动手操作能力,真正实现技术课上动手与动脑的结合,如何有效将仿真实验与真实实验结合,有待于进一步研究。
参考文献:。
[1]周灵彬.张靖武.Proteus的单片机教学与应用仿真[J].单片机与嵌入式系统应用,2008(01):76—79.
[2]李加望.实例驱动法在单片机课程教学中的应用[J].广西教育.2009(02):90—91.
[3]周红明,张萍珍.项目教学法在“单片机应用”教学中的实践[J].科教文汇.2009(04):108—112.
[4]刘国光.任务驱动法在单片机教学中的应用[J].中国职业技术教育.2005(10):41—42.
[5]李法春.案例教学法在单片机教学中的应用[J].长沙通信职业技术学院学报.2007.6(1):82—85.
[6]潘言全.单片机教学改革的思考[J].湖北师范学院学报.2007.1(27):113—115.
作者单位:华师大教育科学学院 华师大第一附属中学。