虛實結合的單片機教學案例創新研究與實踐

陳 瑋 羅慶躍 王曉芳 顧思思 鄧小娟 寧康琪 蔡玉梅

（邵陽學院，湖南 邵陽 422004）

虛實結合的單片機教學案例創新研究與實踐

陳 瑋 羅慶躍 王曉芳 顧思思 鄧小娟 寧康琪 蔡玉梅

（邵陽學院，湖南 邵陽 422004）

傳統單片機教學案例往往基于實驗箱、開發板等特定裝置，存在一定的局限性。通過對虛擬仿真技術的研究，并結合單片機課程的特點，對教學案例進行創新和優化，可以幫助學生更好地掌握單片機應用技術。實踐證明，案例創新教學效果好，實現了預定的研究目標。

單片機教學；案例創新；虛擬仿真

1 引言

當今最熱、最火的云計算、物聯網、應用生態系統、可穿戴電子設備、移動互聯網、消費電子產品…都離不開單片機（嵌入式）系統。統計數據顯示，INTEL和AMD生產的所有x86類型的處理器（即桌面計算機、筆記本電腦、服務器…等通用計算機的CPU），加在一起還不到微處理器總消耗量的0.1%。單片機（嵌入式）系統的工業年產值已超過1萬億美元，單片機（嵌入式）技術應用前景一片光明。通過研究虛實結合的單片機教學案例，可以幫助學生多、快、好、省地掌握單片機及其相關應用技術，實實在在地為學生就業、深造、創業服務[1]。

2 虛擬仿真技術

虛擬仿真的概念最早由美國Virginia大學的William Wulf教授提出。隨之，許多世界著名大學都進行了虛擬仿真技術的研究。目前，國外對于虛擬仿真技術的研究已經逐漸成熟。美國Michigan大學化工系創建的VRiCHEL(Virtual Reality in Chemical Engineering Laboratory)將虛擬仿真技術應用在化學工程教育領域，設計了多個虛擬實驗，一些原型虛擬實驗室已通過國際互聯網對用戶開放，允許通過國際互聯網在虛擬實驗室進行交互式實驗。近年來，國內一些高校(如清華大學、上海交通大學、大連理工等)的教室和實驗室也裝備了仿真軟件或虛擬儀器平臺，如：中國科學技術大學的大學物理虛擬實驗室將虛擬實驗應用于教學演示與物理實驗方面，是全國第一套真正意義上的虛擬實驗教學軟件-采用虛擬智能儀器代替價格昂貴、操作復雜、容易損壞、維修困難的實驗儀器，具有操作簡便、效果真實、物理圖像清晰、著重突出物理實驗設計思想的特點。南京大學建立的分析化學大型儀器虛擬實驗室，可以在虛擬實驗室中對實驗儀器虛擬操作。浙江大學的“大學工程化學實驗系統VLABS”基于網上虛擬技術提供了一系列工科化學實驗的網上仿真。此外，西安交通大學、西北工業大學等許多大學也建立了虛擬實驗室，方便學生學習或者科研。以上虛擬仿真技術的應用都致力于讓人們在虛擬實驗室中進行模擬實驗或是在Internet上演示實驗的仿真結果。

互聯時代、后PC時代，新的智能微控制器層出不窮。隨著微控制器應用的日益廣泛，虛擬仿真技術越來越多地被應用于單片機（嵌入式）領域。英國Labcenter Electronics公司推出的Proteus[2]軟件不僅可以Caputre schematic、Layout PCB，而且可以進行單片機及其外圍電路仿真，非常適合單片機教學和開發。

3 教學案例創新研究

3.1 教學案例研究現狀

(1)以“單片機 教學 案例”為關鍵詞，百度共搜索出5,980,000個相關結果。通過中國知網（CNKI）等國內常用檢索系統和百度搜索引擎，大致了解到目前國內實施單片機案例教學的部分高校的案例設置基本情況-國內主要以51內核的單片機為學習對象，案例既包括流水燈等經典實驗案例，也包括DS1302、AT24C02等新案例。

(2)以“MCU teaching case”為關鍵詞，Google共搜索出About 23,400,000 results個相關結果。通過Google搜索和委托國內學術科研第一站-小木蟲論壇的網友進行國外常用檢索系統的檢索，初步了解到目前國外單片機案例設置的基本情況-主要以AVR、PIC系列單片機教學[3]，其中不乏小而精的案例，更不乏機器人等復雜案例。

3.2 教學案例創新研究實踐

課題組為案例教學選用的仿真軟件均為標準化程度高、實用性強、功能完善、技術支持廣泛的商用軟件Demo版（見圖1）。綜合運用KEIL μVision和Proteus的案例教學，相比傳統開發板、實驗箱的教學案例，不受具體實驗室場地、設備和條件的限制，可以為學生課后自主學習創造更佳的條件，不僅方便靈活，而且降低了學習成本，可謂省時省力省錢。

圖1 虛實結合的案例教學軟件

(1)案例創新

在入門教學階段，創新性地將通用計算機上ANSI C編寫的Hello world程序移植至（嵌入式）單片機，并進行針對性的代碼演進。

在國內，C語言程序設計課程的開設往往早于單片機課程，而理工科學生學習C語言編程，接觸的第一份代碼往往是Hello world。通過Hello world移植演示的案例，學生可以類比ANSI C與Keil C51在語法、頭文件、IDE等方面的異同，達到觸類旁通，快速上手實踐的目的。再通過將Hello world代碼基本型修改為函數型的案例，可以規范學生代碼編寫風格，培養其良好的編程習慣，增強其對C語言面向過程（函數）編程思想的理解。

創新性的設計代碼移植案例，一方面鞏固了學生的程序設計基礎，一方面令學生對單片機有了一個初步的認識，一方面使學生通過親身感受，了解到先修C語言程序設計課程與再修單片機課程的關聯。教學實踐證明，基于新的教學案例，學生在2-4學時后，即可完成傳統教學模式下需講授10多個課時才能完成的實驗項目。快速入門的指導思想，遵循學生的認知規律，對于學生樹立信心、建立成就感、提高學習興趣大有裨益。

(2)案例優化

在深入教授單片機應用技術的階段，對傳統教學案例進行優化和微創新，科學組織案例鏈：①由易至難的安排教學案例，如研討完軟件延時案例后，即按定時/計數器、中斷系統的內容順序講解和實驗單片機功能部件。學生通過對延時功能一而再、再而三的應用，可以深刻體會軟件延時、硬件延時、中斷延時各自的關鍵所在；②結合生活和工程實際，仔細推敲知識點，從小到大的設計最具代表性、實用性，同時最能說明問題的典型案例和實驗。幫助學生先部分再整體、循序漸進地完善一個或多個單片機（嵌入式）系統設計，為學生下一階段的學習奠定基礎。

課題組通過教學實踐后，初步確定了教學改革后的案例鏈（見圖2）。

圖2 改革后的教學案例及實踐環節安排

創新案例結合工程實際項目的教法，注重學生自主學習能力的培養，將虛實結合的案例教學理念落到了實處，完全符合工程教學在做中學(Learning by Doing)的先進教法。通過設計科學、縝密的創新案例，以項目驅動[4]的方式穩扎穩打地夯實基礎，不但可以幫助學生掌握單片機應用技術，而且可以進一步強化C語言編程能力，不斷增強學生的實踐動手能力，為后續嵌入式系統開發奠定基礎。

(3)應用現代信息技術輔助案例教學

通過為學生設計典型、有趣的任務案例，應用虛擬仿真技術，構建課堂、課外、實驗室統一的立體化課程學習平臺；應用計算機網絡和通信技術，建立方便計算機、手機訪問的學習資源庫；應用計算機輔助教學軟件，寓教于樂，進而寓樂于教，使學生在輕松愉快的氛圍中，掌握單片機及其相關應用技術。此外，還依托班級QQ群、飛信、微信群，開展實時討論、即時問答；利用課程網站、教師世界大學城空間和博客、QQ群論壇，加強師生互動。現代信息技術的應用和互動反饋機制的實施，不但有利于學生互幫互助，而且可以培養學生的責任感和團隊協作能力。

4 結束語

通過直觀易懂、虛實結合的單片機教學案例，有效降低了單片機學習曲線(The learning curve)的陡峭度，很好地激發并保持了學生的學習興趣，令學生在入門和后續學習階段均受益匪淺。對比采用傳統案例教學的系部和班級，創新的教學案例營造了更加良好的環境和學習氛圍，大大縮短了學生上手實踐的時間，增強了學生的單片機應用系統設計能力，提高了單片機課程的教學質量，達到了引導學生多、快、好、省地掌握單片機及其相關應用技術的教學改革目標。與此同時，增進了課題組教師之間的交流和學習，為項目成果在課程直接或間接相關專業推廣做好了各方面的準備。

[1]何立民．物聯網概述第5篇:物聯網時代的人才需求與人才培養[J]．單片機與嵌入式系統應用,2012,(2):79-81．

[2]Labcenter Electronics Ltd．[EB/OL]．http://www．labcenter．com

[3]Cornell University．Designing with Microcontrollers[EB/OL]．http:// people．ece．cornell．edu/land/courses/ece4760/．

[4]顧思思．項目驅動式教學法在我校文科類專業Access課程教學中的應用研究[J]．中國科教創新導刊,2012,20:154-156．

The Research and Practice of Virtuality and Reality Combined MCU Teaching Case

Chen WeiLuo Qingyue Wang Xiaofang Gu SisiDeng Xiaojuan Ning KangqiCai Yumei
(Shaoyang University,Shaoyang 422004,Hunan)

act】Traditional MCU teaching case is usually based on experiment box,development board,etc.Specific devices have certain limitations.With the virtual simulation technology research and combination of the characteristics of MCU course, teaching cases are innovated and optimized,helping students to grasp the MCU applied technology in a better way.Practices show that teaching case innovation have good effect,achieving predetermined research goal.

MCU teaching;case innovate;virtual simulation

G42文獻表示碼：A

1008-6609(2015)03-0029-02

陳瑋，男，湖南邵陽人，碩士，講師，研究方向：嵌入式系統及應用。

湖南省教育廳普通高校教學改革研究項目，項目編號：湘教通[2013]223號文399項；邵陽學院教學改革研究資助項目，項目編號：2013JG23；本文得到邵陽學院電力系統及其自動化重點學科資助。