基于虛擬實驗技術(shù)的單片機(jī)課程實踐教學(xué)改革研究

葉彥斐　李志華　劉久付　任祖華

【摘 要】針對單片機(jī)課程傳統(tǒng)實踐教學(xué)諸如靈活性差、不直觀、成本高等缺點(diǎn)，結(jié)合卓越工程師培養(yǎng)要求，本文提出一種基于虛擬實驗技術(shù)的單片機(jī)課程實踐教學(xué)方法，Proteus和Keil構(gòu)建虛擬環(huán)境，進(jìn)行以與工程實際接軌為目標(biāo)的創(chuàng)新實踐訓(xùn)練。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)課程；教學(xué)改革；虛擬實驗；創(chuàng)新能力

0 引言

單片機(jī)課程是一門實踐性很強(qiáng)的課程，全國工科大專院校已普遍開設(shè)了單片機(jī)相關(guān)的專業(yè)課程。“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”旨在培養(yǎng)創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的各種類型的優(yōu)秀工程師后備軍。[1]這就要求高校調(diào)整人才培養(yǎng)目標(biāo)定位、改革人才培養(yǎng)模式，強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新意識和探索未知領(lǐng)域的興趣，提高學(xué)生解決工程實際問題的能力。

但在單片機(jī)課程教學(xué)及實踐中存在諸多現(xiàn)實問題：單片機(jī)課堂教學(xué)多以理論教學(xué)為主，教學(xué)中需要很多硬件設(shè)備，一般理論課堂難以輔助硬件進(jìn)行教學(xué)，即便演示，效果也不好；學(xué)生除了課題實驗外，平時難得有機(jī)會實踐，而且采用的實驗設(shè)備大多是成品，學(xué)生很難參與細(xì)節(jié)設(shè)計，學(xué)生動手能力難以得到提高；實驗設(shè)備多采用實驗箱或硬件仿真器配目標(biāo)實驗板，可做的實驗項目有限、實驗時間過長、設(shè)備維護(hù)工作量大；實驗設(shè)備不足、落后，單片機(jī)實驗室建設(shè)成本高。[2]

針對上述問題，本文基于虛擬實驗技術(shù)，提出以與工程實際接軌為目標(biāo)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開放性實踐訓(xùn)練，重點(diǎn)促進(jìn)學(xué)生自主動手、提升創(chuàng)新能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才。

1 教改思路

Proteus嵌入式系統(tǒng)仿真軟件，實現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合；可以提供支持主流單片機(jī)的仿真環(huán)境，具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能；可以觀察各個變量、寄存器的當(dāng)前狀態(tài)，同時支持第三方軟件編譯和調(diào)試環(huán)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(jī)系統(tǒng)設(shè)計工具。Keil軟件支持匯編、C語言以及混合編程，同時具備強(qiáng)大的軟件仿真、調(diào)試功能。[3]

可以將Proteus與Keil整合起來構(gòu)建單片機(jī)的虛擬實驗開發(fā)環(huán)境，其強(qiáng)大仿真功能，使得設(shè)計調(diào)試程序固化、軟硬件結(jié)合的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)變得十分有效。Proteus提供硬件電路的設(shè)計、調(diào)試及仿真， Keil完成應(yīng)用程序的編寫、調(diào)試，并可將調(diào)試好的程序下載到仿真電路MCU中，最后由Proteus與Keil的整合調(diào)試實現(xiàn)系統(tǒng)的總調(diào)，不但能夠直接地觀看仿真效果，同時還可以對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

在虛擬實驗環(huán)境下，單片機(jī)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(jìn)行編程，并實現(xiàn)源碼級的程序仿真調(diào)試，配合各種虛擬儀表來展現(xiàn)整個單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行過程。可以對單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行評估，驗證所設(shè)計電路是否達(dá)到所要求的技術(shù)指標(biāo)，通過改變元器件參數(shù)使整個電路性能達(dá)到最優(yōu)化。在虛擬實驗設(shè)計階段，方案、元器件調(diào)整方便，避免元器件損壞，節(jié)省設(shè)計時間與經(jīng)費(fèi)，提高設(shè)計效率與質(zhì)量。

具體實施可參照實際單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工程研發(fā)過程分為4個階段：選題及方案設(shè)計、虛擬開發(fā)驗證、實際系統(tǒng)實現(xiàn)、項目總結(jié)交流。在進(jìn)行充分的虛擬創(chuàng)新實驗及自由探索基礎(chǔ)上，進(jìn)行實際單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)電路板制作、硬件連接、軟件調(diào)試及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)實現(xiàn)。

基于Proteus和Keil構(gòu)建的虛擬實驗環(huán)境，開展單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)創(chuàng)新實驗項目，自主選擇實驗內(nèi)容，制訂設(shè)計任務(wù)書（給出軟硬件資源、實驗要達(dá)到的效果等），取代原有的實驗指導(dǎo)書。將科技方法訓(xùn)練、機(jī)電綜合設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計等實踐教學(xué)內(nèi)容融合到一個實際應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)創(chuàng)新實踐中，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力和強(qiáng)化現(xiàn)代工程意識。

2 實施過程

2.1 具體步驟

單片機(jī)課程實踐教學(xué)改革覆蓋自動化、電子信息等多個專業(yè)。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(shù)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用；學(xué)生根據(jù)興趣選擇具體應(yīng)用系統(tǒng)，制訂設(shè)計與開發(fā)方案。備選單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)選取舉例如下：

①溫度測量顯示系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)（自主選擇熱電阻、熱電偶或數(shù)字溫度傳感器測溫機(jī)理；自主選擇溫度液晶屏或數(shù)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(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)（自主選擇調(diào)壓變速或調(diào)PWM波變速機(jī)理；自主選擇手工或自動調(diào)速控制模式；自主選擇速度液晶屏或數(shù)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(xué)生基于Proteus和Keil的虛擬開發(fā)環(huán)境，針對所選具體應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)行虛擬實驗、設(shè)計、開發(fā)及驗證。

第3階段：在虛擬設(shè)計開發(fā)驗證完成后，進(jìn)行實際單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)搭建、軟硬件調(diào)試及系統(tǒng)實現(xiàn)。

第4階段：總結(jié)交流，提交作品、完成項目報告。

2.2 實施要求

學(xué)生根據(jù)興趣分組選擇不同單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，每組至少提出兩種設(shè)計與實現(xiàn)方案；

學(xué)生在個人電腦上構(gòu)建虛擬實驗環(huán)境，充分利用課余時間進(jìn)行創(chuàng)新實驗；

基于虛擬實驗環(huán)境所取得的系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)成果，完成實際應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建、調(diào)試及實現(xiàn)；

自主設(shè)計實驗方案、自由探索研究，形成有獨(dú)立見解的、創(chuàng)新性實驗報告；

完成創(chuàng)新實踐過程不同時間節(jié)點(diǎn)的過程設(shè)計文檔及進(jìn)展報告。

3 教改特色

基于教師提出的實驗?zāi)繕?biāo)及要求，學(xué)生自主設(shè)計實驗方案、開展自由探索研究，分組合作，經(jīng)歷單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工程開發(fā)及實現(xiàn)的完整過程，既強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主創(chuàng)新和自由探索，又強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計開發(fā)規(guī)范。

Proteus與Keil的整合為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)提供了一種低投資、高仿真且功能齊全的開放、實戰(zhàn)虛擬實驗環(huán)境。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)虛擬實驗開發(fā)階段，利用現(xiàn)有計算機(jī)就可以完成，無需實際CPU芯片或其他相關(guān)元器件，學(xué)生隨時隨地進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)，實驗時間、實驗空間及實驗資源開放。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)虛擬實驗開發(fā)階段，器件根據(jù)需要進(jìn)行組合、器件參數(shù)可以及時仿真優(yōu)化，充分發(fā)揮單片機(jī)仿真設(shè)計實現(xiàn)的靈活性、充分調(diào)動學(xué)生的積極性創(chuàng)造性。

在虛擬實驗室環(huán)境下，學(xué)生無需擔(dān)心損害實驗設(shè)備，可以自由、大膽地進(jìn)行各種設(shè)計，無需承擔(dān)反復(fù)設(shè)計、調(diào)整的各種費(fèi)用，節(jié)約實驗經(jīng)費(fèi)。

實際系統(tǒng)實現(xiàn)與虛擬實驗開發(fā)相結(jié)合，符合工程實踐規(guī)律。在仿真環(huán)境下設(shè)計的應(yīng)用系統(tǒng)達(dá)到要求指標(biāo)后，根據(jù)目標(biāo)要求加以制作、實現(xiàn)。

把培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才作為首要目標(biāo)，注重學(xué)生發(fā)現(xiàn)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(zhì)，強(qiáng)調(diào)啟發(fā)式教學(xué)、發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)和互動合作式學(xué)習(xí)，充分利用現(xiàn)代教育技術(shù)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的創(chuàng)新能動性和個性化發(fā)展。[4]

4 結(jié)語

單片機(jī)課程實踐教學(xué)改革針對單片機(jī)課程傳統(tǒng)的實驗箱內(nèi)部模塊固化、僅能進(jìn)行驗證性實驗教學(xué)，存在諸如學(xué)生實驗后對系統(tǒng)和芯片的工作原理與程序認(rèn)識不清、不能靈活創(chuàng)新設(shè)計開發(fā)、學(xué)習(xí)開發(fā)積極性不高等缺點(diǎn)，讓學(xué)生基于Proteus和Keil構(gòu)建的虛擬實驗技術(shù)，分工合作，經(jīng)歷單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)實際工程開發(fā)實現(xiàn)的完整過程，既強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主創(chuàng)新和自由探索，又強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計開發(fā)規(guī)范。重點(diǎn)促進(jìn)學(xué)生自主動手、提升創(chuàng)新能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才。

【參考文獻(xiàn)】

[1]教育部關(guān)于實施“卓越工程師教育培養(yǎng)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(jī)應(yīng)用技術(shù)實訓(xùn)教程[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2005：2-3.

[3]林立，單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2014，8.

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

[責(zé)任編輯：楊玉潔]