“虛實結合”的單片機實踐教學探討

胡晶晶，李 娟

（淮南聯合大學 機電系，安徽 淮南 232038）

單片機原理及應用（或單片機原理及接口技術）是一門理論與實踐結合非常緊密的課程，其理論知識眾多且較為難懂，對學生的實際動手能力要求又較強.整個課程具有理論知識復雜、實踐入門門檻高、外圍元器件眾多等特點.針對上述特點，各大專院校越來越重視單片機實踐課程的實施，本文提出虛擬仿真與硬件實訓相結合的單片機實踐教學方法，并提出實施過程中的相關建議.

1 單片機課程特點及傳統教學的不足

單片機原理及應用（或單片機原理及接口技術）是工科院校電子信息類、自動化類及計算機類普遍開設的一門專業課，該課程實用性較強，且當前發展很快，很多學生對課程很感興趣.但在單片機教學實施過程中存在很多難點，使得部分學生接觸不久就放棄了.現對單片機課程的特點總結如下：

1.1 理論體系復雜

單片機內部結構復雜，學生剛開始接觸CPU、存儲器、I/O接口等單片機內部結構時會感覺很難理解，無從下手.且匯編語言指令較多，容易混淆，寫程序較為麻煩.不學習匯編語言又很難理解單片機的工作過程.

1.2 實踐動手入門門檻較高

初學者要入門單片機電路設計，除了了解單片機原理外還需要學習很多環節，首先要學會畫原理圖（通常用protues或protel軟件），其次編寫程序（通常用匯編語言或C語言），在編寫程序前要學會使用開發軟件（如keil），然后將編寫好的程序下載到單片機，不同廠家的單片機有不同的下載軟件和方法.然后搭建好硬件電路進行試驗.這些環節熟悉了后并不復雜，但對于初學者來說，只要一個地方使用不正確，可能就導致實踐無法繼續，這對初學者的積極性有很大的打擊，很多初學者在這個地方會卡很長時間，甚至放棄學習.

1.3 外圍電路眾多

單片機在學習過程中要掌握眾多的外圍電路，如發光二極管、數碼管、蜂鳴器、液晶顯示屏、點陣、A/D、D/A轉換、外部存儲器、串口通信等.不同的外圍電路原理各不相同，差異巨大，這需要學生主動查閱各種手冊等資料.

以上特點是單片機教學過程中普遍存在的困難，也是單片機教學改革中所重點關注的對象.

2 虛擬仿真軟件在單片機教學中的應用

計算機輔助設計在工業設計中已得到廣泛的應用，在真正設計出產品前，先用計算機進行仿真，然后再進行試驗驗證，這樣不僅可以節約大量的人力物力，還可以少走很多彎路，節省時間，減少開發周期.在單片機設計領域也不例外，現在常用的仿真軟件有protues等.雖然學生在校期間很難接觸到實際產品開發，也無法體驗產品開發過程中的人力、物力和產品開發周期.但對于學生掌握開發技能，了解產品開發思路來說，虛擬仿真這個環節是比不可少的，所以現在很多院校也開始建設虛擬仿真實訓室.

除上述原因外，虛擬仿真對理論教學上也有很大的輔助作用，在講單片機實例時可以先用仿真軟件仿真，這樣學生可以有個直觀的了解，然后進行硬件實訓時不至于脫節，對于硬件實訓過程中遇到的問題也容易對癥分析，如果通過虛擬仿真，則說明整個設計的思路和程序是沒有問題的，就可以把焦點對準硬件電路本身.

3 硬件電路實訓對在單片機教學過程中的重要意義

由于虛擬仿真能夠模擬實際電路的運行，所以很多學校和學生為了方便，就完全取代硬件電路實訓，用來訓練學生的單片機開發能力.雖然在上述文章中分析了虛擬仿真的重要性，但完全用虛擬仿真來代替硬件電路實訓是不適合的.因為硬件電路實訓對訓練學生的動手能力、故障診斷與分析能力及綜合能力有著不可替代的作用，原因如下：

（1）實際電路的搭建與布局與仿真電路會有區別，不能完全用理論電路圖來代替實際電路的布局和接線.

（2）再完善的模擬也不能保證在實際電路的運行過程中不出問題，而對出現問題的解決是訓練學生能力的重要途徑，這在虛擬仿真中是無法替代的.

（3）硬件電路實訓對學生認識元器件、外圍電路以及對學生訓練焊接或接線能力具有重要的意義.

（4）在硬件電路實訓過程中，如果電路設計成功，學生即可看到自己的成果實際運行，這對激發學生的興趣和成就感具有重要作用，使得學生能夠積極主動的學習，以及產生深刻的記憶.

4 “虛實”結合的教學方法研究

針對上述問題，筆者提出在單片機教學過程中一定要進行虛實結合，即在教學過程中既要進行虛擬仿真又要進行硬件電路實訓.根據筆者長期的教學經驗以及廣泛的調研發現，虛擬仿真和硬件電路實訓結合存在教學內容較多，課時不夠用等問題.前面已經說過，單片機教學過程中需要講解的內容眾多，包括芯片原理、內部結構、匯編程序設計，各種外圍元器件的原理、應用、以及與單片機的接口，單片機程序開發時的各種軟件的使用等，“虛實結合”使得本來就較為緊張的課時更加不夠用.這樣的問題使得有些學校要么放棄虛擬仿真，要么放棄硬件電路實訓.

根據上述情況，如何將虛擬仿真與硬件實驗相結合，而又不增加課時提出如下幾點建議：

4.1 對每次的實驗課程（哪怕是最簡單的流水燈實驗），也要引導學生按照產品開發的思路，先分析產品需求，然后選擇電路元器件，查詢外圍電路的功能及原理，分析整個電路框架，然后畫出電路圖進行虛擬仿真，搭建硬件平臺，下載軟件并運行程序，觀察運行結果并寫出實驗報告.再簡單的實驗也不要省略其中的任何一個環節，讓學生一開始就培養出認真的學習態度和嚴謹的學習思路.下面以數碼管開發為例，闡述整個設計過程.

設計題目：用單個數碼管實現0～9往復循環電路，時間間隔為1秒.

教學過程如下：

（1）引導學生查找7段顯示數碼管的類型（1位數碼管、4位數碼管、共陽極、共陰極等）、原理，學會查找芯片手冊.允許學生選擇不同類型的管子，當然不同的選擇會導致后續的電路設計和程序程序產生差異.

（2）分析功能需求：數碼管從0開始每隔1s增加1，直到9后回到0，循環顯示.

（3）3根據需求畫出電路原理圖，如圖1所示.

圖1 單個數碼管電路圖

（4）設計程序代碼并進行仿真.其中C語言參考程序如下所示（也可以用匯編程序設計，限于篇幅從略）：

（5）搭建硬件電路平臺，下載程序并運行，利用硬 件電路實現0～9循環顯示.

（6）撰寫試用報告和心得.

（7）提出擴展題目，供學生課后思考.如用2個單個數碼管如何實現00～59循環顯示；自學4位數碼管原理，實現00～99循環顯示.

4.2 對理論知識的講解要由淺入深，循序漸進，理論與實驗教學要相互穿插，互相推進.有些老師和學生喜歡先將理論知識先學完，然后再進行動手實驗，這樣在學習理論知識的時候會覺得非?？菰?可以在學生學習最基本的體系結構和關鍵的幾條匯編語言后即可讓學生進行簡單的實訓（如流水燈、數碼管等）.這樣可以讓學生及時看到學習成效，提高學習的興趣.

4.3 引導學生自主完成整個實驗過程，從外圍電路的原理開始，到整體思路設計，再到局部電路的具體設計，要引導學生獨立思考，不能完全由老師進行灌輸，培養學生獨立思考的能力.

4.4 引導學生對比虛擬仿真與實際硬件電路的差異，感受各自的特點.有的學生喜歡編程，有的學生則更喜歡硬件電路的焊接或接線.根據不同學生的興趣，有差異的培養起特長.

4.5 建立開放實驗室，單片機實驗不僅要圍繞課堂教學，還必須結合學校的相關社團、技能大賽等活動，形成一個完整的學習鏈.通過社團和技能大賽，使學生的拓寬學生的學習面，而不是僅僅拘泥于課堂，可以有效的將單片機與其他相關領域相結合，另外可以大大拓展學生的有效學習時間，補充課堂教學的不足.經過實踐證明，開放的實驗室可以大大提高學生的學習興趣.

4.6 精選實訓案例，現在很多實驗完全按照實驗指導書，按部就班的實施，由于課堂教學時間有限，實驗無法完成，很多知識點都無法覆蓋.在實驗教學過程中要精選部分有代表性的案例，讓學生掌握單片機開發的關鍵要點，同類型的案例可以放到課后讓學生進一步去探索，且根據不同學生的學習情況，提出不同的要求.

4.7 進行綜合實訓，在課程快結束時，一定要有相對集中的時間完成一個典型的綜合實訓（如電子鐘）.綜合實訓不僅可以將前面所學的知識進行連貫起來，起到融會貫通的作用，還可以訓練學生對實際產品開發流程的掌握，讓學生切實體會實際產品的開發過程，對以后走上社會后可以盡快的融入工作環境提供初步的訓練.

5 總結

單片機實踐教學對真個單品就學習過程起著至關重要的作用，隨著虛擬仿真軟件的發展以及硬件成本的不斷下降，使得學生學習單片機的實驗環境不斷完善.合理的將虛擬仿真和硬件實驗相結合起來，可以對單片機教學提供非常有效的幫助.本文對此進行了一些探討.

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