虛實結(jié)合促進硬件類課程教學改革的實踐與思考

汪成義

（湖北經(jīng)濟學院信息工程學院，湖北武漢430205）

虛實結(jié)合促進硬件類課程教學改革的實踐與思考

汪成義

（湖北經(jīng)濟學院信息工程學院，湖北武漢430205）

電子信息類專業(yè)的硬件類課程實踐性強，教學過程需與應(yīng)用緊密聯(lián)系，傳統(tǒng)的圖文顯示加講解的簡單多媒體教學模式已不能滿足課程教學需要。將虛擬仿真技術(shù)引入課堂教學，可使項目驅(qū)動教學法得到充分體現(xiàn)；通過仿真實驗與實物實驗的虛實結(jié)合，采用模塊和項目分級結(jié)合的綜合教學模式，可突破實驗條件的限制，充分激發(fā)學生的創(chuàng)新能力，并讓不同基礎(chǔ)的學生都能得到充分的能力訓練；對課程如何進一步適應(yīng)專業(yè)的差異、需求的差異進行了初步分析。

虛實結(jié)合；實驗；硬件類課程；教學改革

一、引言

電子信息類本科專業(yè)通常會開設(shè)一系列涉及硬件或軟硬件結(jié)合的課程，如模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機原理與應(yīng)用、數(shù)字信號處理、嵌入式系統(tǒng)等，這些課程的教學環(huán)節(jié)有一個共同特征，就是都必須做一系列實驗，并需要在有電腦、實驗設(shè)備、測量儀器的實驗室環(huán)境進行實驗。作為電子信息類本科專業(yè)開設(shè)的應(yīng)用性、實踐性很強的課程，理論如何聯(lián)系實際一直是課程教學改革的關(guān)鍵，也相應(yīng)提出了很多教學方法，如案例教學法、項目驅(qū)動教學法［1］等，由于限于實驗條件、成本等因素制約，課堂教學內(nèi)容往往限于紙上談兵，無法現(xiàn)場驗證。［2］將仿真軟件逐步引入教學的各個環(huán)節(jié)，不僅對教學方法、教學模式帶來根本性的影響，對提升學生的設(shè)計能力、調(diào)試技能和創(chuàng)新能力有著實實在在的幫助。

由于仿真實驗與實物實驗仍然有一定的差別，在用人單位的實際設(shè)計過程中，往往是先利用虛擬仿真進行初步設(shè)計，需要時再進行實物驗證，虛實結(jié)合，相輔相成，實現(xiàn)高效低成本的設(shè)計。教學環(huán)節(jié)更需要引入虛擬仿真技術(shù)，虛實結(jié)合，克服教學條件的限制與不足。

二、技術(shù)及課程背景

可用于硬件類課程教學的仿真軟件眾多，主要有美國國家儀器（NI）有限公司的Multisim（原名EWB），其在電路仿真方面具有獨特的優(yōu)勢，并特地為教與學提供了技術(shù)支持和設(shè)備支持，使教學中的理論、仿真、實驗室三者融會貫通，并能仿真單片機；［3］澳大利亞Altium公司的Altium Designer（原名Protel），在電路原理圖繪制、印刷電路板文件制作及電路仿真方面一體化程度高，在國內(nèi)行業(yè)應(yīng)用也較多；英國LabCenter Electronics公司的Proteus，能實現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路及數(shù)?；旌想娐返脑O(shè)計與仿真，特別地，它還能夠支持各種單片機及其外圍模擬電路、數(shù)字電路的軟硬件聯(lián)合仿真，并能支持大量的接口電路、測量儀器的仿真。

在涉及硬件的課程中，單片機課程是電子信息類本科專業(yè)的必修課程，由于其重要性，通常又分為理論課和實驗課兩個不同階段的課程，如單片機原理與應(yīng)用課和單片機課程設(shè)計課，理論課本身配有基礎(chǔ)實驗課，課程設(shè)計課則是進行項目式的綜合設(shè)計，它們的特點是軟件與硬件緊密結(jié)合，且是在模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、C語言程序設(shè)計課程的基礎(chǔ)上開設(shè)的綜合應(yīng)用型課程，也是后續(xù)的嵌入式系統(tǒng)或更復雜的綜合性應(yīng)用課程的基礎(chǔ)，在虛實結(jié)合的教學環(huán)節(jié)中具有典型性。

基于Multisim、Proteus類軟件的綜合仿真能力和單片機課程的綜合應(yīng)用特性，下面主要以單片機課程的理論課堂教學和實驗課程教學環(huán)節(jié)為對象，對教學改革實踐過程中的一些做法進行總結(jié)。

三、虛擬實驗與理論課堂教學

（一）課堂教學改革的演進

近十年來，單片機課堂教學隨著技術(shù)的進步和用人需求的變化而不斷變化，課堂教學內(nèi)容由單純的匯編語言教學，逐步改革為以匯編語言為主C51語言為輔的混合模式，到全程以C51語言進行教學的模式，大大降低了學生學習的難度，提高了教與學的效率，特別是更便于后續(xù)課程和實踐環(huán)節(jié)對單片機的實際運用，但再要進行大的改革卻遇到困難。另一方面，原來只需學習傳統(tǒng)的MCS-51系列單片機即可適應(yīng)社會需要，而今應(yīng)用更多的是增強型的8051單片機、帶有大量片內(nèi)外設(shè)的16位的單片機和32位單片機。這就對教學的組織、教學效率、教學手段提出了更高要求，傳統(tǒng)的黑板板書教學模式、圖文顯示加講解的簡單多媒體教學模式已不能勝任時代發(fā)展的需要。虛擬仿真軟件進入教學課堂，為推進適應(yīng)時代需要的教學改革提供了難得的技術(shù)手段，可以極大地加快教學改革的步伐。

（二）虛擬實驗促進課堂教學方法的改革

作為實踐性極強的單片機課程，讓教學過程全程實驗室化，應(yīng)是未來課程改革方向的選擇之一，但目前還不太符合國情，有實驗室資源的限制，有理論教學的習慣與方法的限制等。通過將虛擬仿真軟件引入課堂教學，不僅能展示實驗結(jié)果圖，還能將課堂所有例題以現(xiàn)場仿真實驗的形式呈現(xiàn)，將電路原理圖的設(shè)計、控制程序的編寫、軟硬件聯(lián)合調(diào)試的過程根據(jù)課堂教學需要靈活演示、講解，并在課程配套的基礎(chǔ)實驗中使用仿真與實物相結(jié)合的方式進行實驗，使教學過程實驗化，實驗過程多樣化，從而使理論教學與應(yīng)用開發(fā)過程緊密聯(lián)系，讓模擬實際項目的各種教學方法能更貼近實際設(shè)計場景，讓學生在直觀、有趣、高效的教學過程中學習理論知識，觀察設(shè)計與調(diào)試的過程，讓現(xiàn)場形成的實驗結(jié)果與理論相互印證。

就教學方法而言，由于虛擬仿真的引入，項目驅(qū)動法、案例教學法等可以更加行之有效，如通過2到3個較大項目方案的演示，確立不同階段的目標，激發(fā)學生的興趣，結(jié)合不同知識點對應(yīng)的小案例的虛擬仿真，通過逐項知識點的理解和小案例功能的實現(xiàn)，在階段后期進行歸納、總結(jié)并形成項目完整的實現(xiàn)方案。［4］通過虛擬仿真實驗的方式，部分項目還可以以大作業(yè)的形式讓學生課外完成。

（三）效果分析

通過近年來教學改革實踐過程的摸索，以及跟每屆畢業(yè)班學生的交流情況來看，將所有例題全程仿真的課堂教學方式深得學生喜愛，可有效激發(fā)學生的學習興趣，降低學習認知的難度，提高教學效率和學生綜合能力培養(yǎng)的效果。

四、虛實結(jié)合與實驗課程教學

（一）實驗課程涉及的內(nèi)容

實驗課程主要是指為單片機課程配套的單片機課程設(shè)計課，是單片機課程在實踐方面的進一步延續(xù)與強化。該課程主要以項目的形式對學生進行實踐能力、創(chuàng)新能力的訓練，同時通過團隊協(xié)作、報告撰寫來提升學生的團隊意識、溝通能力和文字表達能力。傳統(tǒng)的單片機課程設(shè)計是基于集成軟件開發(fā)環(huán)境進行程序設(shè)計，基于簡單的畫圖實現(xiàn)電路的方案設(shè)計，并通過實物的連接與測試進行電路的準備，具體環(huán)節(jié)包括：任務(wù)選擇；總體方案設(shè)計；功能實現(xiàn)，包括實驗箱、小系統(tǒng)板、面包板或自制電路板的實際運用；報告的撰寫；驗收測試與答辯。由于實驗學時有限、實驗用的元器件的種類和個數(shù)有限、實驗測量和調(diào)試手段有限等因素，學生能力培養(yǎng)仍受到局限。

（二）虛擬仿真實驗促進實驗課程改革

虛擬仿真的引入，改變了實驗的流程和實驗的約束條件，使實驗可以擁有巨大的虛擬元件庫、調(diào)試工具庫和測量儀器庫，無論是老師出題還是學生設(shè)計可以更加“隨意”，即通過將仿真實驗和實物實驗進行分開評分，讓老師出題時既考慮實驗硬件條件限制，也能充分利用虛擬仿真軟件的靈活性，讓學生的設(shè)計功能不一定都要用硬件實現(xiàn)。而學生則可以利用仿真軟件的優(yōu)勢，以創(chuàng)新的思維設(shè)計系統(tǒng)功能，以能從實驗室領(lǐng)到的硬件實現(xiàn)實物功能。特別地，可通過老師精心的任務(wù)設(shè)計，讓不同層次、不通能力背景的學生都能盡情發(fā)揮，做到自己能力的極致，從而可充分激發(fā)學生的創(chuàng)新能力、溝通能力，實現(xiàn)學生綜合運用單片機的能力，實現(xiàn)有效的分層教學。［5］

（三）實踐中的教學安排

基于以上思路，結(jié)合單片機課程設(shè)計中的一個綜合設(shè)計題，說明如何進行仿真與實物實驗的評價分開，分層安排設(shè)計功能等。綜合設(shè)計題的題目是“基于單片機的多功能綜合應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計”，該題由多個單項設(shè)計綜合構(gòu)成一個綜合系統(tǒng)的設(shè)計，每組（或每人）可根據(jù)本組（或本人）實際情況進行內(nèi)容組合選擇，設(shè)計內(nèi)容分成四大模塊，分別是基本功能模塊、擴展模塊、基本應(yīng)用模塊和賽前訓練應(yīng)用模塊。

1.基本功能模塊：主要基于單片機小系統(tǒng)、4x4鍵盤或按鍵開關(guān)、液晶屏、LED燈組成的基本硬件實現(xiàn)一系列控制功能，如燈的花樣變化控制、燈的速度變化控制、模擬真彩色屏單個像素點的色彩連續(xù)變化控制、三色聯(lián)動控制、炫彩音樂顯示等，考慮到基礎(chǔ)比較差的學生的及格率，這部分分值可以比較高，如占實驗部分的50%，且功能可進行組合選擇，并要求先做虛擬實驗實現(xiàn)后再做實物實驗，兩階段實驗各占一半分，以強調(diào)兩者都重要。

2.擴展模塊：主要是16x32點陣屏顯示、步進電機控制、直流電機控制等模塊，主要是作為在應(yīng)用小項目中未必會用到，但值得訓練的模塊，且只需任選其中一項，考慮到難度和實驗設(shè)備個數(shù)的不足，點陣屏模塊可以只做仿真實驗，其它模塊是先仿真實驗后實物實驗。

3.基本應(yīng)用模塊：主要是相對簡單但較完整的應(yīng)用小項目，如數(shù)字溫度計的設(shè)計、數(shù)字時鐘的設(shè)計等，也可以是征得老師同意的自定小項目，每個小項目要求有多功能，要先仿真實驗再實物實驗，若應(yīng)用項目功能覆蓋部分基本功能模塊中的功能，認同該功能在基本功能模塊中已實現(xiàn)。

4.賽前訓練應(yīng)用模塊：主要是針對像“藍橋杯”之類的單片機設(shè)計大賽進行小項目訓練，是基本應(yīng)用模塊的補充，也是為滿足學生參加競賽的訓練需要，要求與基本應(yīng)用模塊相同。

（四）效果分析

通過近三年的教學效果來看，采用模塊和項目分級結(jié)合的綜合教學模式，并按子項難度分項給分的計分方式，能對學生的單片機應(yīng)用能力和基本功進行較全面的訓練，同時通過學生的自我選擇與實現(xiàn)，形成自然分級，讓不同能力的學生都能得到充分的訓練。從學生課程總結(jié)、交流情況，畢業(yè)班學生反饋的找本專業(yè)崗位工作的適應(yīng)情況，以及班上學生近兩年連續(xù)獲“藍橋杯”單片機設(shè)計比賽省賽第一名的情況來看，教學效果改善明顯。

五、問題與思考

課程的教學內(nèi)容和方法沒有最好，只有能與時俱進并適應(yīng)時代發(fā)展的教學內(nèi)容和方法才會更好。下面就課程教學中仍然令人糾結(jié)的兩個問題略加分析，以期在下一步的教學改革中得到解決或驗證。

（一）專業(yè)的差異

單片機作為控制開發(fā)的基礎(chǔ)平臺，在電子信息類不同專業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域都有應(yīng)用，但不同專業(yè)具體應(yīng)用的軟硬件平臺和用法存在差異，學生學習的課程體系也有差異，課程訓練內(nèi)容如何適應(yīng)這種差異？目前針對我校學生的學習能力水平和專業(yè)情況，正在嘗試的做法是，單片機原理課程全部以MCS-51單片機為對象，但在原單片機課程設(shè)計環(huán)節(jié)已做了調(diào)整，主要是結(jié)合不同專業(yè)特色課程內(nèi)容進行針對性的綜合性設(shè)計，如物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)改成感知與控制系統(tǒng)綜合設(shè)計，即結(jié)合AT89S5x單片機、基于8051核的增強型單片機CC2530以及各種傳感器進行項目化的訓練。類似地，電子信息工程專業(yè)（嵌入式系統(tǒng)方向）則將單片機與小型嵌入式操作系統(tǒng)相結(jié)合進行綜合設(shè)計等。實際效果待進一步觀察。

（二）課程基礎(chǔ)與用人單位需求的差異

學校學的單片機課程是基于傳統(tǒng)的MCS-51單片機，而用人單位用的可能是8051增強型單片機、PIC或AVR類精簡指令集的8位單片機、MSP430類16位的單片機和基于ARMcortex-Mx系列的32位單片機等，帶來一個新的問題是：到底要以什么單片機作為單片機課程的教學平臺？其實，基于8051核的8位單片機也在應(yīng)用中發(fā)展，過去已用了三十六年，未來還會繼續(xù)有自己的位置，關(guān)鍵是學習起來原理簡單、概念清晰、應(yīng)用經(jīng)典、知識的擴展性強，方便進一步學習更復雜的單片機。目前嘗試的解決辦法是，能在綜合性課程設(shè)計環(huán)節(jié)涉及的，可以部分涉及，重點是在培養(yǎng)方案中增加相應(yīng)的后續(xù)選修課程，以及在課外活動、學生項目、學生比賽前的訓練中加以強化。在這些課程的實踐環(huán)節(jié)中，虛擬仿真軟件都能發(fā)揮應(yīng)有的作用。

六、結(jié)語

電子信息類專業(yè)開設(shè)的硬件或軟硬件結(jié)合類課程都有實踐性強、需要大量實踐訓練的特點，且不同課程的仿真軟件可以相同或類似，故文中方法也適用于其它硬件類課程。無論是為滿足教學的需要，還是為滿足學生早日適應(yīng)用人單位的實際設(shè)計過程的需要，都應(yīng)借助虛擬仿真軟件進行項目的初步設(shè)計、調(diào)試，通過虛實結(jié)合達到高效學習、開發(fā)的目標，虛擬仿真軟件也是教學改革能依托的一個重要技術(shù)手段。

［1］牛軍，張宏偉.單片機技術(shù)課程項目驅(qū)動法教學的改革與實踐［J］.教育教學論壇，2016，（3）：90-91.

［2］張毅剛，胡瑞強.基于Proteus的單片機課程的教學改革與實踐能力培養(yǎng)［J］.教育教學論壇，2012，（5）：149-150.

［3］謝斌盛，謝陳躍.Multisim 10在單片機實驗教學中的應(yīng)用［J］.實驗科學與技術(shù)，2011，（3）：53-55.

［4］藺玉珂.基于工作過程教學的單片機課程改革研究［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010，（4）：5-7.

［5］金國華等.單片機課程設(shè)計中應(yīng)用能力的分層培養(yǎng)［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2015，（11）：81-83.