基于Proteus的任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究

元澤懷，陳曉明

(肇慶學(xué)院 電子信息與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061)

基于Proteus的任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究

元澤懷，陳曉明

(肇慶學(xué)院 電子信息與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061)

介紹了具有開放式與設(shè)計(jì)性特色的單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)課程在利用Proteus進(jìn)行任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索方面的實(shí)施方法，總結(jié)了該課程實(shí)施任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的效果。實(shí)踐證明，使用Proteus進(jìn)行系統(tǒng)仿真開發(fā)能夠把抽象的理論教學(xué)與生動(dòng)活潑的實(shí)踐教學(xué)結(jié)合起來，進(jìn)一步縮短教學(xué)與工程實(shí)際的距離，有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

虛擬開發(fā)環(huán)境；任務(wù)驅(qū)動(dòng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；Proteus軟件

現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)已進(jìn)入電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化時(shí)代。虛擬仿真技術(shù)是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的一項(xiàng)重要技術(shù)，在電子系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、測(cè)試及技術(shù)改進(jìn)等方面有著廣泛的應(yīng)用。在電子技術(shù)高速發(fā)展的今天，新電路、新器件不斷涌現(xiàn)，由于實(shí)驗(yàn)室受條件的限制，無法及時(shí)滿足各種電子設(shè)計(jì)和調(diào)試要求，從而影響學(xué)生分析和解決問題能力以及創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和工程綜合實(shí)踐能力。Proteus 嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺(tái)是由英國(guó)Labcenter公司開發(fā)的，是目前世界上最先進(jìn)、最完整的嵌入式設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)之一，已成為電子工程設(shè)計(jì)、電子類課程教學(xué)領(lǐng)域比較流行的電子線路設(shè)計(jì)軟件。利用該軟件的仿真功能可以虛擬出一個(gè)設(shè)備齊全的電子專業(yè)實(shí)驗(yàn)室。

單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)是電子信息類專業(yè)的一門必修課程。幾年前，肇慶學(xué)院結(jié)合全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的需要，適時(shí)把該課程調(diào)整到大學(xué)一年級(jí)第二學(xué)期，以盡早培養(yǎng)大一學(xué)生學(xué)習(xí)和利用單片機(jī)開發(fā)簡(jiǎn)單電子系統(tǒng)的能力，取得了很好的效果。鑒于大一學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)能力較為薄弱，結(jié)合該課程的特點(diǎn)，把授課的重點(diǎn)放在單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)開發(fā)上，利用Proteus7.8軟件優(yōu)越的單片機(jī)仿真調(diào)試功能，實(shí)現(xiàn)了在無硬件驗(yàn)證平臺(tái)的情況下，單片機(jī)程序設(shè)計(jì)開發(fā)、調(diào)試與虛擬硬件平臺(tái)的無縫對(duì)接，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣高漲，課程教學(xué)效果好。

本文以單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，對(duì)基于Proteus虛擬仿真環(huán)境的任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)與分析，以對(duì)其他課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到一定的借鑒作用。

1 任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

所謂任務(wù)驅(qū)動(dòng)，就是將所要學(xué)習(xí)的新知識(shí)隱含在一項(xiàng)或幾項(xiàng)任務(wù)中，學(xué)生通過對(duì)任務(wù)進(jìn)行分析、討論，明確涉及的知識(shí)，并找出其中的新知識(shí)，在教師的指導(dǎo)與幫助下找出解決問題的方法，有助于培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力和創(chuàng)新能力[1]。任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為目的，學(xué)生在若干個(gè)“任務(wù)”的驅(qū)動(dòng)下，自己根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(任務(wù))的要求，獨(dú)立擬定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)方案實(shí)施步驟，完成實(shí)驗(yàn)過程，指導(dǎo)老師只負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行審查，在實(shí)驗(yàn)過程中給予必要的啟發(fā)與引導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)完成以后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和報(bào)告進(jìn)行評(píng)價(jià)。所設(shè)計(jì)的“任務(wù)”內(nèi)容及要求應(yīng)具有開放性、探索性和創(chuàng)新性，讓學(xué)生在“開放的空間”里自由開動(dòng)腦筋，形成自由學(xué)習(xí)的氛圍[2]。

1.1 任務(wù)的選擇與設(shè)計(jì)

任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于任務(wù)的選擇與設(shè)計(jì)上。實(shí)施教學(xué)過程中，教師對(duì)所選定的工作項(xiàng)目的理解直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。因此，備課時(shí)教師需要明確任務(wù)要解決的問題，關(guān)鍵點(diǎn)在哪里，需要預(yù)測(cè)學(xué)生在完成任務(wù)中易出現(xiàn)的問題，以及如何解決問題等[3]。

單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)課程的講授重點(diǎn)放在AVR單片機(jī)I/O接口、中斷系統(tǒng)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、A/D等基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的編程應(yīng)用上。為此，課程組圍繞這些重點(diǎn)內(nèi)容安排了發(fā)光二極管的移動(dòng)控制、0～99數(shù)字的加減控制、脈寬調(diào)制(PWM)、0～5 V數(shù)字直流電壓表、數(shù)字鐘、LED點(diǎn)陣屏等設(shè)計(jì)任務(wù)。這些設(shè)計(jì)任務(wù)根據(jù)課程教學(xué)的進(jìn)度實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)到綜合、從單個(gè)知識(shí)點(diǎn)到多個(gè)知識(shí)點(diǎn)聯(lián)合組裝電子系統(tǒng)的漸進(jìn)式學(xué)習(xí)實(shí)踐過程，有目的地安排設(shè)計(jì)任務(wù)，緊扣課程教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在該課程的有效運(yùn)用。

1.2 任務(wù)實(shí)施

在任務(wù)實(shí)施之前，先將學(xué)生分成若干個(gè)設(shè)計(jì)小組(每組在3人左右為最佳)，由小組成員推薦出小組長(zhǎng)，并使學(xué)生明確自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)，以及自己需要解決的問題；在項(xiàng)目的實(shí)施過程中，允許學(xué)生進(jìn)行交流、討論與分析。教師作為一個(gè)指導(dǎo)者，要注意觀察學(xué)生，發(fā)現(xiàn)學(xué)生出現(xiàn)的問題，積極鼓勵(lì)每個(gè)學(xué)生去主動(dòng)、大膽地完成項(xiàng)目任務(wù)。

“以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向”教學(xué)法的實(shí)施過程雖然沒有了“滿堂灌”的講授，但也并沒有減輕教師在教學(xué)過程中的負(fù)擔(dān)，周密詳細(xì)的課前備課已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要的是教師要能充分關(guān)注學(xué)生設(shè)計(jì)任務(wù)的實(shí)施過程，開展任務(wù)實(shí)施的中期檢查工作，及時(shí)收集反饋信息，根據(jù)學(xué)生反饋的情況及時(shí)對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整[4]。

1.3 任務(wù)實(shí)施結(jié)果評(píng)價(jià)

任務(wù)實(shí)施結(jié)果評(píng)價(jià)是指對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況與任務(wù)完成情況做出反饋和評(píng)價(jià)，是總結(jié)與提高的重要階段。通過評(píng)價(jià)結(jié)果可以對(duì)學(xué)生起到激勵(lì)、反饋的作用，使學(xué)生在一種良好的心理狀態(tài)下不斷學(xué)習(xí)、進(jìn)步。評(píng)價(jià)的內(nèi)容包括任務(wù)的完成情況，各知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，以及其他的能力獲得等。對(duì)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)作品由設(shè)計(jì)小組在課堂上進(jìn)行分享講解，讓大家對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行較深入的總結(jié)和提高。

2 Proteus的應(yīng)用

以單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)之一——LED顯示屏設(shè)計(jì)為例，說明Proteus7.8軟件在任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求

設(shè)計(jì)一LED點(diǎn)陣顯示屏，能動(dòng)態(tài)顯示文字和圖案。其具體要求包括：(1)顯示圖形、中/西文字，三條以上廣告用語以及圖形的播放； (2)模塊化設(shè)計(jì)，若干模塊連接可組成給定大小的顯示屏(如8×8變?yōu)?6×32等，至少為16×16)； (3)可選擇廣告用語； (4)顯示方式的變化功能，上移、下移、左移、右移、旋轉(zhuǎn)，顯示速度的鍵盤控制(加速、減速)。

2.2 任務(wù)的實(shí)施及評(píng)價(jià)

接到設(shè)計(jì)任務(wù)后，學(xué)生首先自由組合組建設(shè)計(jì)小組；其次，各設(shè)計(jì)小組根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(任務(wù))的要求，獨(dú)立擬定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案、實(shí)施步驟以及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖；然后，著手進(jìn)行程序設(shè)計(jì)開發(fā)、仿真調(diào)試、硬件設(shè)計(jì)制作及編寫設(shè)計(jì)報(bào)告等工作。整個(gè)設(shè)計(jì)過程大約歷時(shí)3周。指導(dǎo)教師只負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行審查，在實(shí)驗(yàn)過程中給予必要的啟發(fā)與引導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)完成以后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和報(bào)告進(jìn)行評(píng)價(jià)。某個(gè)設(shè)計(jì)小組的LED顯示屏實(shí)現(xiàn)方案、Proteus仿真圖及仿真后LED顯示的部分圖案，如圖1和圖2所示。

圖1 LED顯示屏實(shí)現(xiàn)方案

從學(xué)生的任務(wù)完成情況看，達(dá)到如下教學(xué)目的：(1)學(xué)生具有掌握運(yùn)用C語言對(duì)AVR單片機(jī)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的能力，具有初步開展簡(jiǎn)單電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的能力；(2)學(xué)生具有熟練運(yùn)用Proteus虛擬仿真功能開發(fā)調(diào)試電子系統(tǒng)的能力，實(shí)現(xiàn)了基于虛擬開發(fā)環(huán)境的無硬件驗(yàn)證平臺(tái)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)；(3)學(xué)生從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案的論證、元器件的選擇、程序設(shè)計(jì)開發(fā)到Proteus仿真調(diào)試等設(shè)計(jì)全過程的訓(xùn)練使其實(shí)踐能力得到提升，在查閱文獻(xiàn)的過程中，其專業(yè)知識(shí)面得到了拓展。

圖2 Proteus仿真后LED顯示屏顯示的部分圖案

總的來說，由于Proteus軟件超強(qiáng)的單片機(jī)虛擬仿真調(diào)試功能，使單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)課程基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)施變得簡(jiǎn)單易行，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到激發(fā)。實(shí)踐證明，基于虛擬開發(fā)環(huán)境的任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是開放型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的有效補(bǔ)充和拓展，非常有利于學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 結(jié)束語

面對(duì)著電子系統(tǒng)仿真軟件向著網(wǎng)絡(luò)化、專業(yè)化、實(shí)時(shí)化和具有更高的開放性、可移植性和可擴(kuò)展性方向發(fā)展的趨勢(shì)，充分應(yīng)用Proteus軟件進(jìn)行電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是緩解地方院校因?qū)嶒?yàn)教學(xué)硬件條件不足而存在的教學(xué)壓力的有效解決辦法，也是電子信息技術(shù)實(shí)踐類課程教學(xué)改革的有效手段[5]。同時(shí)，使用Proteus軟件進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，是虛擬仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)相結(jié)合的綜合運(yùn)用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力及仿真軟件的操作能力。實(shí)踐證明，在使用Proteus進(jìn)行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進(jìn)行實(shí)際制作，能極大提高電子電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率，進(jìn)一步縮短教學(xué)與工程實(shí)際的距離，故有較高的推廣利用價(jià)值[6]。

任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索與實(shí)踐完全符合我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的大方向，基于Proteus虛擬開發(fā)環(huán)境的任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是推進(jìn)教學(xué)改革和質(zhì)量工程的有效探索及拓展。今后，我們將在電子信息類專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推廣應(yīng)用Proteus虛擬仿真技術(shù)，最大限度地開放實(shí)驗(yàn)室資源，積極培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，為社會(huì)輸送更多合格的專業(yè)人才。

[1]元澤懷.開放式設(shè)計(jì)性綜合實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009,28(11):120-122.

[2]周靈彬,張靖武.Proteus的單片機(jī)教學(xué)與應(yīng)用仿真[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2008(1):76-79.

[3]張文昭,李艷芳,劉愛林,等.任務(wù)驅(qū)動(dòng)法和項(xiàng)目教學(xué)法整合在單片機(jī)課程中的實(shí)踐[J].湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào),2010,31(12):99-101.

[4]馬耀宗,劉道新,謝發(fā)勤.改革專業(yè)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)方法多途徑培養(yǎng)學(xué)生素質(zhì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2008,27(7):111-113.

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[6]汪曉艷,程超.“任務(wù)驅(qū)動(dòng)法”教學(xué)的創(chuàng)新思考[J].湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào),2008,29(8):241-243.

Research of Task Driven Experiment Teaching Mode Based on Proteus

YUAN Zehuai， CHEN Xiaoming

(Faculty of Electronic Information and Mechanical Electrical Engineering, Zhaoqing University, Zhaoqing 526061, china)

This paper introduces the implementation of using task driven experiment teaching based on Proteus in the experiment course “MCU C Language Program and Design”，and summaries the effect of the implementation method of task-driven experiment teaching. Practice has proved that Proteus can combine the abstract theory teaching and the vivid practice teaching by using Proteus to the development of system simulation, and has further shortened the distance of theory teaching and engineering practice. So it has the higher value of extension and application.

virtual environment; task driven; experiment teaching; Proteus software

2014-10-12

廣東省教育廳2013年質(zhì)量工程基金資助項(xiàng)目(粵教高函[2013]113號(hào))；肇慶學(xué)院教學(xué)改革基金資助特別項(xiàng)目(JGYB201201)。

元澤懷(1975-)，男，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)等課程的教學(xué)及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)工作。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.020