基于虛擬實驗技術的單片機課程實踐教學改革研究

葉彥斐　李志華　劉久付　任祖華

【摘 要】針對單片機課程傳統實踐教學諸如靈活性差、不直觀、成本高等缺點，結合卓越工程師培養要求，本文提出一種基于虛擬實驗技術的單片機課程實踐教學方法，Proteus和Keil構建虛擬環境，進行以與工程實際接軌為目標的創新實踐訓練。

【關鍵詞】單片機課程；教學改革；虛擬實驗；創新能力

0 引言

單片機課程是一門實踐性很強的課程，全國工科大專院校已普遍開設了單片機相關的專業課程。“卓越工程師教育培養計劃”旨在培養創新能力強、適應經濟社會發展需要的各種類型的優秀工程師后備軍。[1]這就要求高校調整人才培養目標定位、改革人才培養模式，強化培養學生的自主學習能力、創新意識和探索未知領域的興趣，提高學生解決工程實際問題的能力。

但在單片機課程教學及實踐中存在諸多現實問題：單片機課堂教學多以理論教學為主，教學中需要很多硬件設備，一般理論課堂難以輔助硬件進行教學，即便演示，效果也不好；學生除了課題實驗外，平時難得有機會實踐，而且采用的實驗設備大多是成品，學生很難參與細節設計，學生動手能力難以得到提高；實驗設備多采用實驗箱或硬件仿真器配目標實驗板，可做的實驗項目有限、實驗時間過長、設備維護工作量大；實驗設備不足、落后，單片機實驗室建設成本高。[2]

針對上述問題，本文基于虛擬實驗技術，提出以與工程實際接軌為目標的單片機應用系統開放性實踐訓練，重點促進學生自主動手、提升創新能力，培養創新型應用人才。

1 教改思路

Proteus嵌入式系統仿真軟件，實現了單片機仿真和SPICE電路仿真相結合；可以提供支持主流單片機的仿真環境，具有全速、單步、設置斷點等調試功能；可以觀察各個變量、寄存器的當前狀態，同時支持第三方軟件編譯和調試環境；可以提供豐富的外圍接口器件及豐富的虛擬儀器；具有方便易用的單片機系統設計工具。Keil軟件支持匯編、C語言以及混合編程，同時具備強大的軟件仿真、調試功能。[3]

可以將Proteus與Keil整合起來構建單片機的虛擬實驗開發環境，其強大仿真功能，使得設計調試程序固化、軟硬件結合的單片機應用系統變得十分有效。Proteus提供硬件電路的設計、調試及仿真， Keil完成應用程序的編寫、調試，并可將調試好的程序下載到仿真電路MCU中，最后由Proteus與Keil的整合調試實現系統的總調，不但能夠直接地觀看仿真效果，同時還可以對仿真結果進行分析。

在虛擬實驗環境下，單片機課程實踐工作過程變得直觀形象，可以直接在基于原理圖的虛擬模型上進行編程，并實現源碼級的程序仿真調試，配合各種虛擬儀表來展現整個單片機系統的運行過程。可以對單片機應用系統設計進行評估，驗證所設計電路是否達到所要求的技術指標，通過改變元器件參數使整個電路性能達到最優化。在虛擬實驗設計階段，方案、元器件調整方便，避免元器件損壞，節省設計時間與經費，提高設計效率與質量。

具體實施可參照實際單片機應用系統工程研發過程分為4個階段：選題及方案設計、虛擬開發驗證、實際系統實現、項目總結交流。在進行充分的虛擬創新實驗及自由探索基礎上，進行實際單片機應用系統電路板制作、硬件連接、軟件調試及系統聯調實現。

基于Proteus和Keil構建的虛擬實驗環境，開展單片機應用系統開發與實現創新實驗項目，自主選擇實驗內容，制訂設計任務書（給出軟硬件資源、實驗要達到的效果等），取代原有的實驗指導書。將科技方法訓練、機電綜合設計、創新設計等實踐教學內容融合到一個實際應用系統設計與實現創新實踐中，培養學生的創新設計能力和強化現代工程意識。

2 實施過程

2.1 具體步驟

單片機課程實踐教學改革覆蓋自動化、電子信息等多個專業。具體步驟如下：

第1階段：給出實踐要求、實驗資源；講解Proteus和Keil虛擬實驗技術在單片機應用系統設計中的應用；學生根據興趣選擇具體應用系統，制訂設計與開發方案。備選單片機應用系統選取舉例如下：

①溫度測量顯示系統設計與實現（自主選擇熱電阻、熱電偶或數字溫度傳感器測溫機理；自主選擇溫度液晶屏或數碼管顯示方式；自主元器件選型；自主定義鍵盤操控流程）；

②直流電機調速控制系統設計與實現（自主選擇調壓變速或調PWM波變速機理；自主選擇手工或自動調速控制模式；自主選擇速度液晶屏或數碼管顯示方式；自主元器件選型；自主定義鍵盤操控流程）；

第2階段：學生基于Proteus和Keil的虛擬開發環境，針對所選具體應用系統，進行虛擬實驗、設計、開發及驗證。

第3階段：在虛擬設計開發驗證完成后，進行實際單片機應用系統搭建、軟硬件調試及系統實現。

第4階段：總結交流，提交作品、完成項目報告。

2.2 實施要求

學生根據興趣分組選擇不同單片機應用系統，每組至少提出兩種設計與實現方案；

學生在個人電腦上構建虛擬實驗環境，充分利用課余時間進行創新實驗；

基于虛擬實驗環境所取得的系統設計開發成果，完成實際應用系統的構建、調試及實現；

自主設計實驗方案、自由探索研究，形成有獨立見解的、創新性實驗報告；

完成創新實踐過程不同時間節點的過程設計文檔及進展報告。

3 教改特色

基于教師提出的實驗目標及要求，學生自主設計實驗方案、開展自由探索研究，分組合作，經歷單片機應用系統工程開發及實現的完整過程，既強調學生自主創新和自由探索，又強調工程設計開發規范。

Proteus與Keil的整合為單片機應用系統開發提供了一種低投資、高仿真且功能齊全的開放、實戰虛擬實驗環境。

單片機應用系統虛擬實驗開發階段，利用現有計算機就可以完成，無需實際CPU芯片或其他相關元器件，學生隨時隨地進行單片機應用系統設計、開發，實驗時間、實驗空間及實驗資源開放。

單片機應用系統虛擬實驗開發階段，器件根據需要進行組合、器件參數可以及時仿真優化，充分發揮單片機仿真設計實現的靈活性、充分調動學生的積極性創造性。

在虛擬實驗室環境下，學生無需擔心損害實驗設備，可以自由、大膽地進行各種設計，無需承擔反復設計、調整的各種費用，節約實驗經費。

實際系統實現與虛擬實驗開發相結合，符合工程實踐規律。在仿真環境下設計的應用系統達到要求指標后，根據目標要求加以制作、實現。

把培養創新型應用人才作為首要目標，注重學生發現問題的過程、解決問題的方法與能力、探究的精神和個性品質，強調啟發式教學、發現式學習和互動合作式學習，充分利用現代教育技術，強調學生的創新能動性和個性化發展。[4]

4 結語

單片機課程實踐教學改革針對單片機課程傳統的實驗箱內部模塊固化、僅能進行驗證性實驗教學，存在諸如學生實驗后對系統和芯片的工作原理與程序認識不清、不能靈活創新設計開發、學習開發積極性不高等缺點，讓學生基于Proteus和Keil構建的虛擬實驗技術，分工合作，經歷單片機應用系統實際工程開發實現的完整過程，既強調學生自主創新和自由探索，又強調工程設計開發規范。重點促進學生自主動手、提升創新能力，培養創新型應用人才。

【參考文獻】

[1]教育部關于實施“卓越工程師教育培養計劃”的若干意見（征求意見稿）[Z].2010，6.

[2]胡文金，鐘秉翔，楊健.單片機應用技術實訓教程[M].重慶：重慶大學出版社，2005：2-3.

[3]林立，單片機原理及應用[M].3版.北京：電子工業出版社，2014，8.

[4]張敏，鞠春花.大學生創新能力的培養的研究[J].教育探索，2013（9）：105-106.

[責任編輯：楊玉潔]