基于硬件原型的C語言課程教學案例設計

張婧婧

（新疆農業(yè)大學 計算機與信息工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

0 引 言

C 語言是一門通用、面向過程的計算機程序設計語言。Proteus軟件是一款蘊含巨大的教學資源，用于模擬各類電路、微控系統(tǒng)、單片機及嵌入式系統(tǒng)設計的EDA仿真平臺。在Proteus軟件中演繹C語言教學專題無疑是程序設計類課程的一種全新嘗試。架構于硬件仿真平臺之上的語言類課程教學，旨在為學習者還原課程的真實應用情景，為教學者瞄準學以致用的教學目標[1]。

1 Proteus軟件適于C語言案例教學

首先，作為教學助手，Proteus軟件的教學應用前景廣闊，支持C語言和匯編語言的編程[2]。就微程序控制技術而言，基于C語言的程序設計更受青睞，因此用于情景式教學的原型案例資源豐富，易于為C語言教學設計者提供各類專題及教學素材。

其次，應用Proteus仿真平臺開展C語言程序設計致力于豐富初學者的編程體驗。例如，電路的仿真過程通常融入功能模塊設計，嚴密的邏輯推理能夠強化初學者對C語言各類程序結構（分支、循環(huán)、遞歸等）的理解和運用；定義仿真電路的輸入、輸出部分，如按鍵、指示燈的設置，數碼管、傳感器的應用等能夠大幅提升初學者對各類變量、數組、指針、作用域規(guī)則等概念的認識和把握；仿真電路追求硬件功能的完整性，往往包含輸入、存儲、控制、顯示等模塊，在此基礎上的編程能夠加深初學者對C程序完整性設計的理解；在仿真電路的運行過程中，豐富的虛擬資源和形象的仿真效果能夠讓編程、調試過程更加直觀、生動，且Proteus仿真軟件簡單易學、容易上手，適于初學者的實踐和體驗。

最后，仿真模型能夠為教學設計者提供生動的教學場景，優(yōu)化教學資源。以簡易交通燈的C語言設計為例，在授課過程中，教學者可以借助仿真電路展現動態(tài)的程序設計過程（即紅、黃、綠燈的閃爍），如圖1所示。其中，憑借程序的隱蔽性和仿真的靈活性，教學互動過程將更具吸引力和趣味性，另外仿真平臺還支持C程序運行過程的反復推理和演繹，使學習者自覺融入其情景設計中。

此外，鑒于微控制器的程序存儲及運算能力有限，系統(tǒng)的硬件仿真將有助于促進設計者對C程序算法[3]在時間和空間上優(yōu)劣與否進行思考，進而對程序算法提出更精細的要求，這對提高C語言程序設計質量具有重要意義。

更值得一提的是，C語言作為微控系統(tǒng)、單片機及嵌入式系統(tǒng)設計的首選編程語言，在相應課程開課過程中沒有分配獨立課時，通常以自學為主。對電子類及相關專業(yè)的初學者而言，在C語言課程入門階段就接觸硬件仿真，對其將來的專業(yè)學習意義非凡。

圖1 交通燈系統(tǒng)的仿真電路

2 仿真設計的實例解析

基于Proteus的仿真平臺進行C語言課程的教學嘗試，其教學重點和難點在于如何忽略硬件對程序設計的“干擾”，為硬件“零”基礎的學習者提供“無障礙”的虛擬平臺，進而在系統(tǒng)仿真中體會C語言編程的內涵和魅力。以單片機的仿真模型為例，筆者將C語言案例教學設計的具體內容解析如下，供相關教學設計者參考。

2.1 精選教學案例

基于硬件設計平臺，C語言教學應甄選硬件簡潔、情景直觀的系統(tǒng)作為原型案例。多模式的花樣流水燈的電路設計簡單，無需對硬件進行深度學習，如圖2所示。多路按鍵、多路LED燈、一位數碼管電路將分別指向分支語句、循環(huán)語句及數組的運用，同時LED燈、數碼管的顯示過程還伴隨著延時子程序的反復調用，屬于復合結構程序設計的原型案例，符合C語言教學用例的綜合評判。

2.2 推演程序結構

C語言遵循結構化程序設計的規(guī)則[4]，利用仿真平臺進行的C程序結構分析無疑彰顯了仿真教學模式的天然優(yōu)勢。對初學者而言，較之其他開發(fā)工具，基于仿真模型的設計更容易分化程序結構和構思編程策略，如圖3所示。

圖3中，（a）和（b）兩幅仿真圖分別模擬按鍵發(fā)音和一位計數器的設計。在按鍵發(fā)音電路中，判斷按鍵是否按下，否則將執(zhí)行相應的代碼是C語言中典型的多分支語句，可采用if…else結構或switch…case結構完成；在一位計數器的電路中，數碼管將會在0～9 之間循環(huán)顯示，且譯碼過程通常采用數組查詢方式，因此編程時需要定義數組且構造循環(huán)結構，亦屬于C程序設計的典型應用。

2.3 梳理指令系統(tǒng)

基于仿真平臺中的C程序設計與標準C語言設計運行著不同的指令集[5]，如果仿真案例僅以專題形式講授，教學設計者就必須為初學者厘清二者的區(qū)別和一致性。以單片機仿真設計為例，其C51的編程與標準C的編程在語法規(guī)定、程序結構、編程技巧方面高度一致，但在數據類型、變量存儲模式、輸入輸出處理、函數等方面有一定的區(qū)別。例如，標準C中的頭文件是stdio.h，在單片機C51中的頭文件為reg51.h或reg52.h；再如常用函數printf在標準C中用于輸出字符至屏幕，而單片機中則輸出到串口等。

對各專業(yè)的初學者而言，不同指令集下編程必定會增加學習的難度。為了避免學習者的抵觸情緒，教學中應該為其配套相應的指令使用指南，梳理并解析兩類指令系統(tǒng)的區(qū)別與一致性。

圖2 多模式的花樣流水燈的仿真電路

圖3 各類典型的程序結構案例

2.4 儲備程序模板

就C語言的教學目標而言，學習者針對程序中結構和算法的設計遠遠重要于對某類定義、數據處理模式的掌握。本著這一原則，教學實踐環(huán)節(jié)中，設計者還需要儲備仿真案例的程序模板，旨在跳過部分硬件驅動和數據處理模式的編程，同時弱化不同指令之間的區(qū)別，為初學者呈現與標準C語言近乎“無差別”的仿真設計平臺。

以水量檢測系統(tǒng)[6]為例，其程序模板如下：

2.5 整合實踐教材

基于硬件仿真平臺的C語言課程教學目前正處于課改的規(guī)劃和資源整合階段，尚無成熟的教材和豐富的教學資料，因此為教學設計相應配套實驗教材，是實施課程教學計劃的重要環(huán)節(jié)[7]。根據案例的選取和知識點的銜接，設計難度相當、知識點匹配的實驗項目無疑是對教學設計者的客觀要求。值得注意的是，在項目的設計階段，還需同時儲備程序模板和指令解析指南，供學習者在實踐過程中參考。

2.6 編寫仿真指南

與C語言編譯器的功能不同，Proteus仿真軟件支持Keil C編譯器編譯的.HEX文件[8]，并用于程序的加載和運行，為此，針對Keil C編譯器的使用及Proteus仿真軟件的運行編寫一部基本操作指南，即能幫助學習者在課程實踐中解決各類仿真操作的問題。

3 應用仿真軟件的棘手問題

（1）課程知識點的銜接處理。在標準C語言的教學中，初學者很容易適應該課程“從易到難”的教學進度和“由淺入深”的推演原則；而在Proteus的硬件仿真平臺中，如何循序漸進地分解程序設計的知識點，并進行硬件設計“不留痕跡”的銜接處理，對教學設計者提出很大的挑戰(zhàn)。

（2）軟、硬件的配套設計。為防止基于硬件仿真的C語言教學過程本末倒置，電路仿真適于選取硬件結構簡單、程序算法復雜的案例進行，這與程控系統(tǒng)設計的實際情況相互矛盾，因此在案例設計中，為了選取仿真電路和軟件設計都難度適宜的項目，設計者還需在仿真資源、程序模板、操作指南、指令解析等教學資料的準備中權衡內容，匹配素材。

4 結 語

基于仿真軟件的C語言課程教學屬于“軟”件“硬”學的課程改革和嘗試，一經實施，定會與標準C語言的教學內容之間展開博弈，在教學目標、授課內容、實踐方式上都表現出很大的差異。該模式能否對C語言教學產生深遠影響還需要各種實施數據和分析，但能夠預見此方式更貼合“應用型”人才培養(yǎng)目標，尤其作為通識教育的語言類課程，C語言的仿真教學將比傳統(tǒng)教學形式更具吸引力。

[1]張婧婧, 李勇偉. 電子類仿真軟件應用的教學之道[J]. 計算機教育, 2016(7): 126-129.

[2]蘇變玲, 朱志平, 袁衛(wèi). 基于Proteus的單片機仿真教學的研究[J]. 實驗室研究與探索, 2009(4): 75-78.

[3]魯強, 李效戀, 王智廣. 程序算法識別研究綜述[J]. 計算機應用, 2012, 32(10): 2863-2868.

[4]汪紅兵, 姚琳, 武航星, 等. C語言程序設計課程中的計算思維探析[J]. 中國大學教學, 2014(9): 59-62.

[5]王恒廠, 周燕飛.由C語言程序格式解析宏程序[J]. 現代制造工程, 2008(5): 126-128.

[6]任洪娥, 孫麗萍, 韓麗萍, 等. 智能霍爾效應水流量測試儀[J]. 東北林業(yè)大學學報, 1996(3): 99-102.

[7]陳婷. C語言程序設計實驗教學改革探究[J]. 實驗技術與管理, 2010, 27(10): 182-184.

[8]鄧力. 基于Keil時序邏輯和Proteus的電路仿真[J]. 實驗室研究與探索, 2017, 36(1): 80-83.