虛擬仿真技術(shù)在中職單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

周偉偉，姬五勝，段 揚(yáng)

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 電子工程學(xué)院，天津 300222)

0 引言

隨著國家現(xiàn)代化進(jìn)程越來越快，社會各行業(yè)對技能型人才的需求與日俱增，越來越多的學(xué)生開始選擇接受職業(yè)教育。因此，中等職業(yè)學(xué)校的辦學(xué)規(guī)模越來越大，學(xué)生人數(shù)急劇增加，導(dǎo)致學(xué)校在課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面出現(xiàn)超負(fù)荷狀態(tài)[1]。特別是在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于受經(jīng)濟(jì)條件的制約，實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)訓(xùn)設(shè)備嚴(yán)重匱乏，經(jīng)常出現(xiàn)多人使用一臺儀器的情況。甚至有些學(xué)校沒有條件開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這就完全背離了中職學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)。為了改善這種狀況，楊越提出整合校內(nèi)實(shí)驗(yàn)資源，建立校外實(shí)踐資源[2]。許貴、湯善雯提出加大實(shí)驗(yàn)室建設(shè)力度，完善實(shí)驗(yàn)設(shè)施[3],[4]。這兩種方法雖然可以緩解或解決中職實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題，但實(shí)施起來難度大，周期長，并不符合目前中職學(xué)校的發(fā)展現(xiàn)狀。而將虛擬仿真技術(shù)引入中職教學(xué)之中，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的做法，不僅可以擺脫實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于儀器和設(shè)備的依賴，而且培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，不失為一種創(chuàng)新之舉。

1 虛擬仿真技術(shù)概述

虛擬仿真最早是1989年由美國Virginia大學(xué)的William Wolf教授提出[5]。其核心是建模和仿真，主要是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，輔助傳感器技術(shù)、多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、顯示技術(shù)、圖像處理與模式識別等多種技術(shù)構(gòu)建的虛擬環(huán)境，是用戶與計(jì)算機(jī)及其復(fù)雜的數(shù)據(jù)之間交互的一種技術(shù)。通過借助必要的輸入輸出設(shè)備，用戶可以和這個虛擬環(huán)境中的實(shí)體之間進(jìn)行交互，并利用感官可以獲取信息，從而產(chǎn)生身臨其境的體驗(yàn)。虛擬仿真技術(shù)具有以下4個特性[6]：

(1)沉浸性(Immersion)，是指在這個虛擬環(huán)境中，用戶可以通過自己的觸覺，視覺，嗅覺，聽覺，運(yùn)動感覺等多種感官，感知到環(huán)境中的信息，就像身處真實(shí)的物質(zhì)世界，能讓人產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。

(2)交互性(Interaction)，是指虛擬環(huán)境可以對人產(chǎn)生影響，同樣，用戶也可以控制環(huán)境。并且虛擬環(huán)境能將人作用的結(jié)果實(shí)時展現(xiàn)出來。

(3)虛幻性(Imagination)，即系統(tǒng)中的環(huán)境是人利用計(jì)算機(jī)等工具模擬出來的，可以是對真實(shí)存在的環(huán)境的模擬，也可以模擬人幻想的場景。

(4)逼真性(Reality)，主要體現(xiàn)在兩個方面，一是構(gòu)建的虛擬環(huán)境給人帶來的體驗(yàn)與真實(shí)世界相似，使用戶通過感官體驗(yàn)到真實(shí)性。二是人作用于虛擬環(huán)境時，環(huán)境發(fā)生的變化符合真實(shí)世界的客觀規(guī)律。

2 虛擬仿真技術(shù)在中職教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢

在中職學(xué)校課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)有諸多優(yōu)勢。

2.1 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

大多數(shù)中職學(xué)生經(jīng)歷過中考失利之后，產(chǎn)生了厭學(xué)情緒和自我否定的心理狀態(tài)，導(dǎo)致其在課堂上注意力不集中，對枯燥的理論知識十分排斥。引入虛擬仿真技術(shù)，利用中職學(xué)生動手能力強(qiáng)，思維活躍等特點(diǎn)，能將大量抽象的理論知識具體化。通過虛擬環(huán)境的建立，引導(dǎo)其自主學(xué)習(xí)。

2.2 打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室空間與時間上的限制

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室受到空間和時間上的限制，很難做到實(shí)驗(yàn)室完全向?qū)W生開放。尤其是中職學(xué)校，由于其管理制度相對較嚴(yán)，很大程度上導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)時間緊張。而對于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室而言，不存在此類問題，只要有一臺聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)，學(xué)生就能通過登陸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室展開實(shí)驗(yàn)。

2.3 節(jié)約教學(xué)和實(shí)訓(xùn)成本，降低實(shí)驗(yàn)門檻，提高實(shí)驗(yàn)安全性

對于大多數(shù)中職學(xué)校而言，沒有足夠的資金配套先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)施和建設(shè)充足的實(shí)訓(xùn)場地，導(dǎo)致教學(xué)與實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)生無法獲得公平的操作機(jī)會。對于一些耗材量大且維護(hù)成本高的設(shè)備，或存在安全隱患的實(shí)驗(yàn)，同樣制約著實(shí)驗(yàn)課的開展。在這種情況下，利用虛擬仿真技術(shù)，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以有效解決以上問題。

2.4 為學(xué)生和教師減壓

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不管對于老師還是學(xué)生而言，都是一項(xiàng)“大工程”。同一個實(shí)驗(yàn)，對于不同班級，老師需要重復(fù)很多次。每一次實(shí)驗(yàn)，不管從實(shí)驗(yàn)步驟的編寫還是實(shí)驗(yàn)儀器的使用，老師都需要重復(fù)大量的工作。對于學(xué)生而言，如果跟不上老師講解的速度，實(shí)驗(yàn)就無法進(jìn)行。紙質(zhì)版的實(shí)驗(yàn)報告，將會花費(fèi)學(xué)生大量的精力。引入虛擬仿真技術(shù)，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，老師只需要發(fā)布動態(tài)實(shí)驗(yàn)提示，編寫實(shí)驗(yàn)儀器使用演示，學(xué)生就可以根據(jù)提示自己開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完畢自動保存實(shí)驗(yàn)結(jié)果，生成實(shí)驗(yàn)報告，系統(tǒng)自動評判實(shí)驗(yàn)成績。

2.5 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟事先由教師統(tǒng)一部署，學(xué)生只需要按照實(shí)驗(yàn)步驟按部就班去做，就會得到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這對于思維活躍的中職學(xué)生而言，缺乏挑戰(zhàn)，長期如此，會影響其做實(shí)驗(yàn)的興趣，容易養(yǎng)成固化思維，影響學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。借助虛擬仿真技術(shù)，開發(fā)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，以項(xiàng)目任務(wù)為驅(qū)動，鼓勵學(xué)生以分工合作的方式完成任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。

3 虛擬仿真技術(shù)在中職單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

單片機(jī)課程作為機(jī)電、自動化等電類專業(yè)的實(shí)踐性學(xué)科，對中職學(xué)生培養(yǎng)動手能力和提升就業(yè)層次具有十分重要的作用[7]。利用虛擬仿真軟件Proteus和Keil搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，為單片機(jī)課程的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的途徑。

3.1 Proteus虛擬仿真軟件介紹

Proteus軟件是1989年由英國Lab Center Electronics公司開發(fā)的一款EDA工具軟件，經(jīng)過30年的不斷完善，其功能越來越強(qiáng)大，性能越來越穩(wěn)定。該軟件主要由ISIS和ARES兩個程序組成，ISIS用于原理圖繪制和仿真，利用其強(qiáng)大的元件庫，豐富的仿真工具可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路、特別是單片機(jī)及外圍電路的設(shè)計(jì)與仿真，ARES用于PCB布線，可以實(shí)現(xiàn)印制電路板的設(shè)計(jì)和仿真[8]，[9]。

3.2 Keil軟件開發(fā)平臺介紹

Keil是由美國Keil Software公司研發(fā)的一款強(qiáng)大的軟件開發(fā)系統(tǒng),通過一個集成開發(fā)環(huán)境μVision將C編譯器、鏈接器、庫管理、宏匯編和仿真調(diào)試器組合起來，提供了一個完整的開發(fā)方案[10]。由于其集成環(huán)境簡易，軟件仿真調(diào)試工具豐富，深受軟件工程師青睞。

3.3 應(yīng)用實(shí)例

本文以綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)——萬年歷為例，利用Proteus軟件繪制電路圖，通過Keil軟件編寫程序，最后進(jìn)行仿真。在該實(shí)驗(yàn)中，萬年歷需要顯示日期，時間等功能。在此基礎(chǔ)上，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行擴(kuò)展，添加溫度顯示和鬧鐘提醒等功能，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。

3.3.1 硬件電路圖

本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)作為主控制器，使用DS1302時鐘電路進(jìn)行計(jì)時，通過DS18B20傳感器采集溫度，利用LCD1602液晶屏顯示。按鍵S2～S5對顯示內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，蜂鳴器用來提示鬧鐘時間。具體電路如圖1所示。在圖1中，運(yùn)用了模擬電路和數(shù)字電路部分的知識，這對學(xué)生理解電路原理造成了困難。但是利用Proteus軟件繪制電路圖時，學(xué)生可以根據(jù)其提供的范例進(jìn)行設(shè)計(jì)，即使出現(xiàn)錯誤，也能利用糾錯功能及時改正，在錯誤中積累經(jīng)驗(yàn)。

圖1 萬年歷原理圖

3.3.2 軟件程序

根據(jù)圖1，利用Proteus軟件設(shè)計(jì)完電路圖之后，使用Keil軟件編寫程序，如圖2所示。在程序編寫過程中，注意程序中的位定義應(yīng)該與硬件電路相對應(yīng)。學(xué)生還可以利用C語言便于移植的特點(diǎn)，對以前編寫過的程序直接調(diào)用。程序編寫過程如下所示。

(1)創(chuàng)建項(xiàng)目工程，選擇合適的單片機(jī)型號，添加項(xiàng)目文件；

(2)根據(jù)電路實(shí)現(xiàn)的功能編寫源程序；

(3)運(yùn)行源程序，通過仿真器生成HEX文件；

(4)修改程序中出現(xiàn)的錯誤；

(5)測試程序。

圖2 萬年歷的仿真程序

3.3.3 電路仿真

將編譯生成的HEX文件添加到Proteus軟件的項(xiàng)目文件中，點(diǎn)擊開始按鈕進(jìn)行仿真。在仿真圖中，可以看到日期，時間，溫度等信息，通過Set鍵可以設(shè)置鬧鐘時間。仿真圖如圖3所示。由圖可以看出，利用Proteus軟件進(jìn)行仿真教學(xué)，可以使教學(xué)內(nèi)容更豐富、生動、直觀，更加符合中職學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)。

圖3 Proteus仿真圖

4 結(jié)語

將虛擬仿真技術(shù)引入中職單片機(jī)課堂教學(xué)和實(shí)訓(xùn)操作中，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)存在的不足，不僅提升了學(xué)生的課堂參與感，使其能積極參與到課堂教學(xué)活動中來，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了其主動學(xué)習(xí)的能力，而且降低了課程難度，將抽象的理論知識變得更加形象、直接，更符合中職學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)。但同樣存在不足，利用軟件仿真對于學(xué)生電路制作和元器件的使用能力產(chǎn)生了影響。要想使單片機(jī)這門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程發(fā)揮出真正的價值，就必須虛實(shí)結(jié)合，利用虛擬仿真技術(shù)學(xué)習(xí)理論課程、設(shè)計(jì)和仿真電路，最后，學(xué)生通過制作電路去理解理論知識。只有二者結(jié)合，才能達(dá)到真正的教育目標(biāo)。