仿真實驗在《單片機應用技術》課程在線教學中的思考

湯 璇 高 娟 張衛(wèi)清

（陸軍工程大學軍械士官學校 湖北·武漢 430075）

0 引言

運用現(xiàn)代化信息手段的在線課程已經(jīng)成為教育教學改革的熱點和趨勢。尤其在2020年初的新冠疫情背景下，在線教育的方興未艾讓每個學員、每個教師甚至是每個家庭都感受到了信息時代對教育帶來的加速度的變化。

為阻斷疫情向校園蔓延，教育部發(fā)出了“停課不停學”的號召。作為一名普通的教師，我雖不能去一線抗擊，但也有自己的陣地需要堅守。憶往昔，戰(zhàn)火紛飛之下西南聯(lián)大弦歌不斷；而如今，面對這場沒有硝煙的戰(zhàn)爭，作為新時代的教師，充分利用信息技術這一強大武器，在非常時期有效組織教學，是我的使命。

1 分析線上線下教學差異

《單片機應用技術》課程是一門理論實踐結合非常緊密的課程，涉及到計算機、數(shù)字電子、模擬電子等多學科知識，有一定難度。因此在《單片機應用技術》課程的教學中一定要根據(jù)學情采用合適的教法才能順利開展教學。根據(jù)我校學員的基礎和特點，在以往的線下教學過程中，主要以工作任務為向?qū)В扇蝿杖胧忠胂嚓P知識和理論，通過技能訓練引出相關概念、硬件設計與編程技巧，體現(xiàn)做中學、學中練的教學思路。具體的教學實施過程分為以下的幾個步驟。第一步：明確做什么任務；第二步：給出設計電路圖；第三步：根據(jù)電路圖焊接電路；第四步：編寫調(diào)試程序；第五步：軟硬件調(diào)試，觀察實驗現(xiàn)象；第六步：學習理論知識；第七步：學習C語言編程知識；第八步：任務小結及拓展。通過任務牽引的教學方式，學員從感性認識到理性認識，符合認知的一般規(guī)律，讓原本復雜的單片機硬件結構和枯燥乏味的編程語法學習變得有趣。不僅提高了學員的動手能力，而且加深了對理論知識的理解，教學效果良好。

因為疫情，線下的《單片機應用技術》課程要搬到線上，讓原本較難、涉及多學科的單片機課程雪上加霜。我們要通盤考慮：單片機的理論部分應該怎么開展？實踐部分又應該如何開展？怎樣在線上教學條件下讓學員學好單片機課程等問題？初步計劃還是延續(xù)線下教學方式——“任務驅(qū)動式”開展教學。鑒于學員在家的硬條件不夠，實操部分不便開展，主要采取以理論講授為主，操作為輔的原則進行授課。為了達到較好的教學效果，利用網(wǎng)上的MOOC資源，選擇優(yōu)質(zhì)的國家精品課程引導學員學習。同時，在MOOC的學習安排中，我們給學員制定了周密的學習計劃：學什么？怎么學？重點是什么？難點是什么？課后作業(yè)是什么？讓學員帶著問題去學習。在教學環(huán)節(jié)中，每45分鐘留出至少15分鐘利用的釘釘平臺和學員互動答疑，實時了解學員對知識的掌握程度。每周一次釘釘直播課程，對本周學習知識進行梳理。采用思維導圖的方式呈現(xiàn)，讓學員掌握理論知識及其之間關聯(lián)性。每周進行周小測，檢驗學員本周的知識掌握情況。然而，幾周下來，教學效果并不理想，沒有達到預期效果。究其原因，主要是這種教學方式對學員的吸引力不夠、參與度不高。與以往線下課程對比，學員的實操部分相對弱化，沒有很好的調(diào)動學員的學習興趣和求知欲。于是，我們教學團隊繼續(xù)改進線上教學方法，加大實操部分內(nèi)容。在有限的硬件資源條件下，可以使用Proteus仿真軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬件電路焊接部分的學習。

2 Proteus仿真軟件的特點及實施方法

Proteus為Labcenter Electronics公司研發(fā)的一款軟件，它是比較先進的仿真單片機及外圍器件的仿真平臺，其能實現(xiàn)對電子電路的交互式仿真，還具備PCB設計功能。已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。

下面以“按鍵控制霓虹燈系統(tǒng)設計”任務為例，完成該仿真實驗的步驟如下：

第一步：建立Proteus工程，選擇合適的元器件，繪制仿真電路圖，如圖1所示。

在繪制仿真電路中，首先要從元器件庫中挑選合適的元器件，拖入原理圖中，再根據(jù)需求連接導線，修改元器件參數(shù)。為保證在線仿真結果正確，在繪制原理圖時必須確保原理圖電氣特性正確，硬件連接無誤，核心處理器外圍電路配置得當，以及阻容器件參數(shù)選擇正確。任何一個環(huán)節(jié)有誤都有可能導致在線仿真得出不正確的結果。通過繪制仿真電路圖讓學員認識元器件、合理擺放元器件、搭建單片機的最小系統(tǒng)和外圍電路。成功的由線下實物的焊接電路轉(zhuǎn)向線上模擬仿真來實現(xiàn)硬件電路設計部分。

第二步：使用Keil軟件，編寫程序，如圖2所示。

單片機實驗教學中代碼調(diào)試采用的軟件平臺是KeilC51。該軟件是C語言在51單片機中的特殊應用，它除了C語言本身具有的特點外，還提供了豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具。與C語言類似，一段完整的C51代碼包括頭文件部分、變量定義、函數(shù)聲明、主函數(shù)及多個子函數(shù)。在線調(diào)試要得到正確的結果，在代碼調(diào)試環(huán)節(jié)首先必須保證語法編譯通過、程序設計沒有邏輯錯誤。通過編寫程序代碼讓學員知道C語言的基本結構、語法和編程規(guī)則。

第三步：仿真運行并觀察實驗現(xiàn)象。

圖1：Proteus電路仿真圖

圖2：Keil編寫程序代碼

將上一步編譯生成的hex文件，下載到單片機中運行，觀察實驗現(xiàn)象。可以根據(jù)實驗結果再對代碼進行修改，直至達到預期效果。通過觀察實驗現(xiàn)象讓學員理解單片機的開發(fā)流程和軟件實現(xiàn)控制外圍電路。

第四步：修改硬件電路和優(yōu)化程序。

通過修改硬件的端口連接，讓學員知道單片機各引腳的異同，以及隨之相對應的程序的修改。同時知道要想實現(xiàn)一個既定的效果，程序需要在哪里調(diào)整，哪里可以優(yōu)化程序、提高程序的健壯性、可讀性等。

以“按鍵控制霓虹燈系統(tǒng)設計”為例的任務包括：單片機基礎知識點和技能點，學員通過完成該仿真實驗，能夠?qū)纹瑱C系統(tǒng)有更深的認識。例如：什么是單片機的最小系統(tǒng)、什么是單片機的外圍接口電路、接口電路怎樣連接、實驗效果怎樣通過程序?qū)崿F(xiàn)、程序代碼優(yōu)化的書寫規(guī)范等問題。讓理論知識不在是一個個孤立的珠子，而是將這些珠子穿成一條發(fā)光鏈珠，實現(xiàn)知識的融匯貫通。同時，基于Proteus軟件進行仿真實驗，不斷地引導學員修改電路，調(diào)試程序。提倡以“硬件我設計，軟件我做主”的教學方式，這樣不僅能夠提升學員對器件的識別能力和電路設計能力，而且更能提升吸引力，讓學員更多的參與到單片機硬件設計和軟件編寫中來。

從該任務的仿真實驗實施過程可以看出，學員的學習過程經(jīng)歷了從功能需求、系統(tǒng)硬件電路設計以及程序編寫調(diào)試的全過程。使用Proteus軟件進行單片機系統(tǒng)仿真設計，是虛擬仿真技術和計算機多媒體計算相結合的綜合運用，有利于培養(yǎng)學員的電路設計能力及仿真技術的操作能力；在《單片機應用技術》課程線上教學中，我們及時調(diào)整教學方法，使用Proteus仿真軟件，在沒有硬件投入的條件下，學員普遍反映，對單片機的學習比單純學習書本知識更容易接受，更容易提高。實踐證明，在使用Proteus進行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進行實際制作，能極大提高單片機系統(tǒng)設計效率。

3 引入仿真軟件結論

Proteus仿真軟件已廣泛應用在單片機應用技術的教學過程中，尤其是在目前“停課不停學”的大背景下，學員只要有一臺計算機，安裝Proteus仿真軟件，就能模擬搭建完成原來線下的所有實驗科目，解決了學員因在家無法實操的困難。其次，把Proteus仿真軟件能促進抽象化理論知識轉(zhuǎn)變過程，提升知識的簡單性、易懂性。最后，Proteus仿真軟件的友好設計界面，生動化的模擬各電路的動作模式，有益于激發(fā)學員對知識學習的能動性。學員能在虛擬軟件內(nèi)依照主觀意愿設計電路，可能設計出多樣化方案，有助于培養(yǎng)他們的想象能力、設計思維能力，提高了學員的學習興趣、提升了學員的綜合應用和創(chuàng)新能力。

4 結束語

在線上線下課程改革的浪潮中，教師應時刻保持清晰頭腦，以嚴謹態(tài)度參與教學，結合課程實況，探索有效的教學方法，優(yōu)化教學質(zhì)量。Proteus仿真軟件用于《單片機應用技術》課程的教學中，表面上看似一個小小的舉動，但其在實踐運用中取得的成效是極為顯著的，能為高素質(zhì)技能型人才培養(yǎng)提供支持。