單片機實驗教學平臺的改革

摘要:單片機實驗教學平臺在單片機實驗教學中占有十分重要的位置，它直接影響單片機實驗教學的效果。本文總結傳統單片機實驗教學平臺的優劣，提出新的實驗教學平臺模式，即以虛擬實驗平臺Proteus為主并對部分典型的實驗有選擇地進行硬件搭建實驗平臺的方式，旨在最大程度地激發學生學習興趣和主觀能動性，滿足單片機實驗教學中的不同要求，取得最佳的實驗效果。

關鍵詞:單片機;實驗教學平臺;實驗改革

“單片機原理與應用”是計算機、通信、自動化等專業的主干課程，具有很強的技術性和實踐性。實踐教學平臺在單片機實驗教學中占有十分重要的位置[1]，是“單片機”實驗教學的基礎，它直接影響單片機實驗教學的效果。因此，許多高校及教師都在探索提高該課程實驗教學效果的方法[2-5]。

本文對傳統的實驗教學平臺進行總結分類，闡述其優缺點，提出新型的實驗教學平臺，即前期采用英國Labcenter electronics公司研發的EDA工具軟件Proteus作為單片機實驗教學的入門學習環境，后期則以對一些典型的實驗有選擇地進行硬件搭建實驗平臺的方式，對過去的實驗教學平臺進行改革，以適應我國目前對現代化、創新性人才的需求。

1現狀分析

“單片機原理與應用”課程傳統的實驗教學平臺大致分為兩大類，一是直接采用現成的單片機實驗箱;二是完全進行硬件搭建實驗平臺。

1.1直接采用現成的單片機實驗箱

在這種方式中，實驗教學的硬件平臺是采用已成品的單片機實驗箱，在實驗箱上集成單片機課程中要驗證的絕大部分基礎實驗與接口功能，實驗的硬件設計過程簡單，可靠性高，學生在實驗中能夠將注意力集中在系統的架構和軟件開發上，而不會造成硬件線路搭建不當的問題，從而加深學生對實驗目的的掌握。

目前，我國大多數院校采用這種方式，它在我國的單片機系統的研發與教學中發揮了重要的作用。這種教學實驗平臺是以驗證性實驗為主，其優點是采用可靠的成品硬件，減少實驗中硬件的錯誤及硬件損耗，有助于學生對系統整體的把握。但是其缺點也是明顯的。實驗裝置有限的功能，實驗裝置上各器件固定的搭配限制了學生的思維，使其無法發揮主觀能動性及創造思維，也不能滿足千變萬化的系統設計需要，因此，與這類開發系統配套的實驗裝置在綜合性、創新性設計實驗中幾乎無用武之地。

1.2完全進行硬件搭建實驗平臺

圖1顯示的是進行硬件搭建實驗平臺時所需的儀器設備及相應的實驗步驟。很顯然，完全進行硬件搭建是一個相當麻煩的事情，它要求學生有相當豐富的軟硬件知識，這對大多數初學學生來說是不現實的;同時，實驗還要有相對多的配套設備儀器及元器件，這對大多數學校的實驗室來說也是不現實的。然而，它提供了相當大的自由度，方便學生根據設計的需要進行相關的硬件設計和軟件開發，直至最后的軟硬件測試，能夠有效地提高學生的動手能力，開拓學生的創新性思維。

基金項目:“單片機原理與應用”實驗教學模式改革(20090427)。

作者簡介:馮剛，男，副教授，博士，研究方向為單片機與嵌入式。

圖1硬件搭建實驗平臺的步驟與設備需求

完全硬件搭建進行實驗需要很多儀器設備，這種方式在早期的單片機實驗中采用得很多，它的優點是能夠讓學生對整個單片機系統的設計過程有一個認識，幫助學生從硬件設計到軟件設計，以及軟硬件集成測試的開發過程有一個清晰的認識，提高學生的軟硬件開發能力。但在實際的實驗教學中，由于大多數學生在前期并未接觸過軟硬件集成開發的方式，結果事與愿違，還不僅不能培養學生自己動手的能力，還因購置的設備比較多，增加學生學習和研究的投入，造成實驗過程中儀器設備的巨大損耗。另外，在這個方式下，單片機實驗室的教學資源比較緊張，即使是全方位開放，也很難滿足所有學生的需求。很多學生為了做某一實驗，在初期花費了大量的時間與精力，但是，因受元器件、實驗儀器與設備的限制卻半途而廢，這挫傷了學生對實驗和科研的積極性。

由此可見，傳統的實驗教學平臺雖然能夠滿足一定的實驗教學要求，但存在著很大的缺陷，它不能滿足單片機技術日新月異的發展要求，無法達到培養學生自主創新實驗的要求，我們必須結合傳統教學實驗中兩種不同實驗平臺的優點，如采用虛擬實驗平臺Proteus為主并有選擇地進行硬件搭建實驗平臺相結合的方式，從而滿足學生對實驗教學平臺不斷提高的要求。

2實驗教學平臺的改革

由于傳統的實驗教學平臺存在著各自無法克服的問題，因此，選擇一個合適的開發平臺，結合前面所提到的兩種實驗平臺的優點，克服各自的缺點就具有十分重要的意義。在此我們提出前期采用Proteus虛擬實驗平臺作為入口學習環境，后期則對一些典型實驗有選擇地進行完全硬件搭建的方法來對傳統實驗教學平臺進行改革。

2.1采用虛擬實驗平臺Proteus的意義

Proteus軟件具有以下優點[6-7]:

Proteus軟件提供可仿真數字和模擬、交流和直流等數千種元器件和多達30多個元件庫。

Proteus軟件提供多種現實存在的虛擬儀器儀表。如示波器、邏輯筆、邏輯分析儀、SPI調試器等。

支持單片機匯編源碼級、C源碼級仿真與調試。

無需硬件電路就可對單片機電路進行軟硬件的開發、測試與調試。

一套系統就可實現數字電路設計、模擬電路設計和單片機仿真設計的全部實驗。

支持的單片機類型非常多:8051、ACR、PIC10/12、PIC16、PIC18、HC11、ARM7。

鑒于Proteus軟件的優點，以Proteus軟件為核心構建虛擬實驗平臺就具有以下意義:

構建實驗室的硬件投入少，只需提供計算機即可。

Proteus虛擬實驗平臺無需提供大量的實驗用儀器儀表，只需使用Proteus軟件中提供的多種虛擬儀器儀表就能完成對硬件電路的探測。

實驗室運行成本降低，整個使用過程中損耗很小，基本沒有元器件的損耗問題。

實驗平臺更新速度提高，只需更新仿真軟件即可。

支持學生自行實驗。Proteus軟件支持單片機及其外圍設備仿真，克服了傳統實驗教學時，學生自行實驗時需購置較多外設備的缺點。同時采用仿真軟件后，也可以先在軟件環境中模擬通過，再進行硬件的投入，這樣出來，不僅省時省力，也可以節省因方案不正確所造成的硬件投入的浪費。

支持學生的創新性培養。Proteus虛擬實驗平臺可充分發揮學生的創新性，克服了單片機實驗箱由于是成品，學生很難參與到其中的細節設計中去的缺點，提供了訓練與提高學生動手能力的平臺。

通過對實驗平臺的改革，用較少的實驗費用就能達到過去采用完全硬件搭建平臺才能做到的提供給學生自主的、創新的實驗環境，學生在實驗過程中不用擔心儀器件及儀表儀器設備的損壞，這極大地調動了學生實踐動手的興趣，提高了學生學習的主動性和積極性。

2.2部分采用完全硬件搭建平臺的必要性

采用Proteus仿真軟件進行虛擬單片機實驗，具有十分明顯的優點，但是也存在一定的缺點，如Proteus提供的實驗環境與實際環境相比存在一定的誤差及實時性不太好等問題。雖然學生前期學習單片機課程的實驗教學足夠，但在后期進行創新性和綜合性實驗以及實際工程開發時顯得不足。

因此，針對一些典型的單片機實驗，特別是Preoteus處理得不太好的實驗，如A/D、D/A實驗等，以及后期進行創新性和綜合性實驗時，可以根據具體實際情況，先進行軟件仿真，然后用完全硬件搭建實驗平臺的方法來對其進行補充與修正。這樣既節省了成本，又達到了實驗設計的目的，既克服了虛擬實驗環境與真實世界的差別，又提高了學生進行軟硬件協同開發設計的經驗。因此，對部分實驗采用完全硬件

搭建實驗平臺是十分必要的。

2.3改革后的教學效果

在2007、2008兩年的教學中，我們采用了新的實驗教學方案。通過教改實踐，我們發現學生采用Proteus虛擬實驗平臺根據需要搭建實驗內容，進一步跟蹤、調試并觀察實驗的效果，極大地提高了學生實踐的自主性和創新性，避免了硬件資源不足及易損等一系列缺點，獲得了很好的實驗效果。其中一個明顯的成果就是學生的教學質量評分從過去的83.4分上升到91.3分，使“單片機原理與應用”成為我校優秀教學課程。

3結論

單片機實驗教學平臺的改革是單片機課程教學改革的基礎，沒有一個良好的實驗環境，課程教學的改革往往是一句空話。本文提出的實驗教學平臺改革的方案，是在充分考慮傳統實驗平臺的特點基礎上總結并提出的，具有很好的實際應用前景。該方案在我校計算機專業本科單片機實驗中的實施，激發了學生學習的積極性和主動性，提高了學生的創新能力。

參考文獻:

[1] 聶一雄，程漢湘，周永旺. “單片機原理與應用”教學的研究與實踐初探[J]. 廣東工業大學學報:社會科學版，2007，7(1):166-167.

[2] 田建立，晁學鵬. 傳統單片機實驗教學的改革思路[J]. 中國現代教育裝備. 2005(8):9-11.

[3] 唐永紅. 單片機實踐教學探索[J]. 電氣電子教學學報，2007，29(1):72-81.

[4] 廖平. 單片機實驗教學的改革[J]. 實驗室研究與探索，2004，23(7):36-38.

[5] 張鑫，張巖，楊莉，高群. 單片機實驗教學改革與探索[J]. 計算機教育，2007(4):28-31.

[6] 張靖武，周靈彬. 單片機系統的PROTEUS設計與仿真[M]，北京:電子工業出版社，2007.

[7] 周潤景，袁偉亭，景曉松. Proteus在MCS-51ARM7系統中的應用百例[M]. 北京:電子工業出版社，2006.

Reform of the Platform in Experimental Teaching of Single Chip Microcomputer

FENG Gang

(College of Computer， South China Normal University， Guangzhou 510631， Chian)

Abstract: The platform in experimental teaching of single chip microcomputer (SCM) is so important that it affects the experimental teaching directly. In this paper， we summarize the advantage and disadvantage about the traditional platform in experimental teaching of SCM， and present a reformed platform that is virtual experimental platform Proteus combining part experiment in hardware， in order to inspire the students’ interest and initiative， meet the different requires and gain a best effect in experimental teaching.

Key words: single chip microcomputer (SCM); platform in experimental teaching; experimental reform

(編輯:郭小明)