虛實結合促進硬件類課程教學改革的實踐與思考

汪成義

（湖北經濟學院信息工程學院，湖北武漢430205）

虛實結合促進硬件類課程教學改革的實踐與思考

汪成義

（湖北經濟學院信息工程學院，湖北武漢430205）

電子信息類專業的硬件類課程實踐性強，教學過程需與應用緊密聯系，傳統的圖文顯示加講解的簡單多媒體教學模式已不能滿足課程教學需要。將虛擬仿真技術引入課堂教學，可使項目驅動教學法得到充分體現；通過仿真實驗與實物實驗的虛實結合，采用模塊和項目分級結合的綜合教學模式，可突破實驗條件的限制，充分激發學生的創新能力，并讓不同基礎的學生都能得到充分的能力訓練；對課程如何進一步適應專業的差異、需求的差異進行了初步分析。

虛實結合；實驗；硬件類課程；教學改革

一、引言

電子信息類本科專業通常會開設一系列涉及硬件或軟硬件結合的課程，如模擬電子技術、數字電子技術、單片機原理與應用、數字信號處理、嵌入式系統等，這些課程的教學環節有一個共同特征，就是都必須做一系列實驗，并需要在有電腦、實驗設備、測量儀器的實驗室環境進行實驗。作為電子信息類本科專業開設的應用性、實踐性很強的課程，理論如何聯系實際一直是課程教學改革的關鍵，也相應提出了很多教學方法，如案例教學法、項目驅動教學法［1］等，由于限于實驗條件、成本等因素制約，課堂教學內容往往限于紙上談兵，無法現場驗證。［2］將仿真軟件逐步引入教學的各個環節，不僅對教學方法、教學模式帶來根本性的影響，對提升學生的設計能力、調試技能和創新能力有著實實在在的幫助。

由于仿真實驗與實物實驗仍然有一定的差別，在用人單位的實際設計過程中，往往是先利用虛擬仿真進行初步設計，需要時再進行實物驗證，虛實結合，相輔相成，實現高效低成本的設計。教學環節更需要引入虛擬仿真技術，虛實結合，克服教學條件的限制與不足。

二、技術及課程背景

可用于硬件類課程教學的仿真軟件眾多，主要有美國國家儀器（NI）有限公司的Multisim（原名EWB），其在電路仿真方面具有獨特的優勢，并特地為教與學提供了技術支持和設備支持，使教學中的理論、仿真、實驗室三者融會貫通，并能仿真單片機；［3］澳大利亞Altium公司的Altium Designer（原名Protel），在電路原理圖繪制、印刷電路板文件制作及電路仿真方面一體化程度高，在國內行業應用也較多；英國LabCenter Electronics公司的Proteus，能實現數字電路、模擬電路及數模混合電路的設計與仿真，特別地，它還能夠支持各種單片機及其外圍模擬電路、數字電路的軟硬件聯合仿真，并能支持大量的接口電路、測量儀器的仿真。

在涉及硬件的課程中，單片機課程是電子信息類本科專業的必修課程，由于其重要性，通常又分為理論課和實驗課兩個不同階段的課程，如單片機原理與應用課和單片機課程設計課，理論課本身配有基礎實驗課，課程設計課則是進行項目式的綜合設計，它們的特點是軟件與硬件緊密結合，且是在模擬電子技術、數字電子技術、C語言程序設計課程的基礎上開設的綜合應用型課程，也是后續的嵌入式系統或更復雜的綜合性應用課程的基礎，在虛實結合的教學環節中具有典型性。

基于Multisim、Proteus類軟件的綜合仿真能力和單片機課程的綜合應用特性，下面主要以單片機課程的理論課堂教學和實驗課程教學環節為對象，對教學改革實踐過程中的一些做法進行總結。

三、虛擬實驗與理論課堂教學

（一）課堂教學改革的演進

近十年來，單片機課堂教學隨著技術的進步和用人需求的變化而不斷變化，課堂教學內容由單純的匯編語言教學，逐步改革為以匯編語言為主C51語言為輔的混合模式，到全程以C51語言進行教學的模式，大大降低了學生學習的難度，提高了教與學的效率，特別是更便于后續課程和實踐環節對單片機的實際運用，但再要進行大的改革卻遇到困難。另一方面，原來只需學習傳統的MCS-51系列單片機即可適應社會需要，而今應用更多的是增強型的8051單片機、帶有大量片內外設的16位的單片機和32位單片機。這就對教學的組織、教學效率、教學手段提出了更高要求，傳統的黑板板書教學模式、圖文顯示加講解的簡單多媒體教學模式已不能勝任時代發展的需要。虛擬仿真軟件進入教學課堂，為推進適應時代需要的教學改革提供了難得的技術手段，可以極大地加快教學改革的步伐。

（二）虛擬實驗促進課堂教學方法的改革

作為實踐性極強的單片機課程，讓教學過程全程實驗室化，應是未來課程改革方向的選擇之一，但目前還不太符合國情，有實驗室資源的限制，有理論教學的習慣與方法的限制等。通過將虛擬仿真軟件引入課堂教學，不僅能展示實驗結果圖，還能將課堂所有例題以現場仿真實驗的形式呈現，將電路原理圖的設計、控制程序的編寫、軟硬件聯合調試的過程根據課堂教學需要靈活演示、講解，并在課程配套的基礎實驗中使用仿真與實物相結合的方式進行實驗，使教學過程實驗化，實驗過程多樣化，從而使理論教學與應用開發過程緊密聯系，讓模擬實際項目的各種教學方法能更貼近實際設計場景，讓學生在直觀、有趣、高效的教學過程中學習理論知識，觀察設計與調試的過程，讓現場形成的實驗結果與理論相互印證。

就教學方法而言，由于虛擬仿真的引入，項目驅動法、案例教學法等可以更加行之有效，如通過2到3個較大項目方案的演示，確立不同階段的目標，激發學生的興趣，結合不同知識點對應的小案例的虛擬仿真，通過逐項知識點的理解和小案例功能的實現，在階段后期進行歸納、總結并形成項目完整的實現方案。［4］通過虛擬仿真實驗的方式，部分項目還可以以大作業的形式讓學生課外完成。

（三）效果分析

通過近年來教學改革實踐過程的摸索，以及跟每屆畢業班學生的交流情況來看，將所有例題全程仿真的課堂教學方式深得學生喜愛，可有效激發學生的學習興趣，降低學習認知的難度，提高教學效率和學生綜合能力培養的效果。

四、虛實結合與實驗課程教學

（一）實驗課程涉及的內容

實驗課程主要是指為單片機課程配套的單片機課程設計課，是單片機課程在實踐方面的進一步延續與強化。該課程主要以項目的形式對學生進行實踐能力、創新能力的訓練，同時通過團隊協作、報告撰寫來提升學生的團隊意識、溝通能力和文字表達能力。傳統的單片機課程設計是基于集成軟件開發環境進行程序設計，基于簡單的畫圖實現電路的方案設計，并通過實物的連接與測試進行電路的準備，具體環節包括：任務選擇；總體方案設計；功能實現，包括實驗箱、小系統板、面包板或自制電路板的實際運用；報告的撰寫；驗收測試與答辯。由于實驗學時有限、實驗用的元器件的種類和個數有限、實驗測量和調試手段有限等因素，學生能力培養仍受到局限。

（二）虛擬仿真實驗促進實驗課程改革

虛擬仿真的引入，改變了實驗的流程和實驗的約束條件，使實驗可以擁有巨大的虛擬元件庫、調試工具庫和測量儀器庫，無論是老師出題還是學生設計可以更加“隨意”，即通過將仿真實驗和實物實驗進行分開評分，讓老師出題時既考慮實驗硬件條件限制，也能充分利用虛擬仿真軟件的靈活性，讓學生的設計功能不一定都要用硬件實現。而學生則可以利用仿真軟件的優勢，以創新的思維設計系統功能，以能從實驗室領到的硬件實現實物功能。特別地，可通過老師精心的任務設計，讓不同層次、不通能力背景的學生都能盡情發揮，做到自己能力的極致，從而可充分激發學生的創新能力、溝通能力，實現學生綜合運用單片機的能力，實現有效的分層教學。［5］

（三）實踐中的教學安排

基于以上思路，結合單片機課程設計中的一個綜合設計題，說明如何進行仿真與實物實驗的評價分開，分層安排設計功能等。綜合設計題的題目是“基于單片機的多功能綜合應用系統的設計”，該題由多個單項設計綜合構成一個綜合系統的設計，每組（或每人）可根據本組（或本人）實際情況進行內容組合選擇，設計內容分成四大模塊，分別是基本功能模塊、擴展模塊、基本應用模塊和賽前訓練應用模塊。

1.基本功能模塊：主要基于單片機小系統、4x4鍵盤或按鍵開關、液晶屏、LED燈組成的基本硬件實現一系列控制功能，如燈的花樣變化控制、燈的速度變化控制、模擬真彩色屏單個像素點的色彩連續變化控制、三色聯動控制、炫彩音樂顯示等，考慮到基礎比較差的學生的及格率，這部分分值可以比較高，如占實驗部分的50%，且功能可進行組合選擇，并要求先做虛擬實驗實現后再做實物實驗，兩階段實驗各占一半分，以強調兩者都重要。

2.擴展模塊：主要是16x32點陣屏顯示、步進電機控制、直流電機控制等模塊，主要是作為在應用小項目中未必會用到，但值得訓練的模塊，且只需任選其中一項，考慮到難度和實驗設備個數的不足，點陣屏模塊可以只做仿真實驗，其它模塊是先仿真實驗后實物實驗。

3.基本應用模塊：主要是相對簡單但較完整的應用小項目，如數字溫度計的設計、數字時鐘的設計等，也可以是征得老師同意的自定小項目，每個小項目要求有多功能，要先仿真實驗再實物實驗，若應用項目功能覆蓋部分基本功能模塊中的功能，認同該功能在基本功能模塊中已實現。

4.賽前訓練應用模塊：主要是針對像“藍橋杯”之類的單片機設計大賽進行小項目訓練，是基本應用模塊的補充，也是為滿足學生參加競賽的訓練需要，要求與基本應用模塊相同。

（四）效果分析

通過近三年的教學效果來看，采用模塊和項目分級結合的綜合教學模式，并按子項難度分項給分的計分方式，能對學生的單片機應用能力和基本功進行較全面的訓練，同時通過學生的自我選擇與實現，形成自然分級，讓不同能力的學生都能得到充分的訓練。從學生課程總結、交流情況，畢業班學生反饋的找本專業崗位工作的適應情況，以及班上學生近兩年連續獲“藍橋杯”單片機設計比賽省賽第一名的情況來看，教學效果改善明顯。

五、問題與思考

課程的教學內容和方法沒有最好，只有能與時俱進并適應時代發展的教學內容和方法才會更好。下面就課程教學中仍然令人糾結的兩個問題略加分析，以期在下一步的教學改革中得到解決或驗證。

（一）專業的差異

單片機作為控制開發的基礎平臺，在電子信息類不同專業的應用領域都有應用，但不同專業具體應用的軟硬件平臺和用法存在差異，學生學習的課程體系也有差異，課程訓練內容如何適應這種差異？目前針對我校學生的學習能力水平和專業情況，正在嘗試的做法是，單片機原理課程全部以MCS-51單片機為對象，但在原單片機課程設計環節已做了調整，主要是結合不同專業特色課程內容進行針對性的綜合性設計，如物聯網工程專業改成感知與控制系統綜合設計，即結合AT89S5x單片機、基于8051核的增強型單片機CC2530以及各種傳感器進行項目化的訓練。類似地，電子信息工程專業（嵌入式系統方向）則將單片機與小型嵌入式操作系統相結合進行綜合設計等。實際效果待進一步觀察。

（二）課程基礎與用人單位需求的差異

學校學的單片機課程是基于傳統的MCS-51單片機，而用人單位用的可能是8051增強型單片機、PIC或AVR類精簡指令集的8位單片機、MSP430類16位的單片機和基于ARMcortex-Mx系列的32位單片機等，帶來一個新的問題是：到底要以什么單片機作為單片機課程的教學平臺？其實，基于8051核的8位單片機也在應用中發展，過去已用了三十六年，未來還會繼續有自己的位置，關鍵是學習起來原理簡單、概念清晰、應用經典、知識的擴展性強，方便進一步學習更復雜的單片機。目前嘗試的解決辦法是，能在綜合性課程設計環節涉及的，可以部分涉及，重點是在培養方案中增加相應的后續選修課程，以及在課外活動、學生項目、學生比賽前的訓練中加以強化。在這些課程的實踐環節中，虛擬仿真軟件都能發揮應有的作用。

六、結語

電子信息類專業開設的硬件或軟硬件結合類課程都有實踐性強、需要大量實踐訓練的特點，且不同課程的仿真軟件可以相同或類似，故文中方法也適用于其它硬件類課程。無論是為滿足教學的需要，還是為滿足學生早日適應用人單位的實際設計過程的需要，都應借助虛擬仿真軟件進行項目的初步設計、調試，通過虛實結合達到高效學習、開發的目標，虛擬仿真軟件也是教學改革能依托的一個重要技術手段。

［1］牛軍，張宏偉.單片機技術課程項目驅動法教學的改革與實踐［J］.教育教學論壇，2016，（3）：90-91.

［2］張毅剛，胡瑞強.基于Proteus的單片機課程的教學改革與實踐能力培養［J］.教育教學論壇，2012，（5）：149-150.

［3］謝斌盛，謝陳躍.Multisim 10在單片機實驗教學中的應用［J］.實驗科學與技術，2011，（3）：53-55.

［4］藺玉珂.基于工作過程教學的單片機課程改革研究［J］.單片機與嵌入式系統應用，2010，（4）：5-7.

［5］金國華等.單片機課程設計中應用能力的分層培養［J］.中國現代教育裝備，2015，（11）：81-83.