基于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的單片機(jī)課程實(shí)踐教學(xué)改革研究

葉彥斐　李志華　劉久付　任祖華

【摘 要】針對(duì)單片機(jī)課程傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)諸如靈活性差、不直觀、成本高等缺點(diǎn)，結(jié)合卓越工程師培養(yǎng)要求，本文提出一種基于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的單片機(jī)課程實(shí)踐教學(xué)方法，Proteus和Keil構(gòu)建虛擬環(huán)境，進(jìn)行以與工程實(shí)際接軌為目標(biāo)的創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)課程；教學(xué)改革；虛擬實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新能力

0 引言

單片機(jī)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，全國工科大專院校已普遍開設(shè)了單片機(jī)相關(guān)的專業(yè)課程?！白吭焦こ處熃逃囵B(yǎng)計(jì)劃”旨在培養(yǎng)創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的各種類型的優(yōu)秀工程師后備軍。[1]這就要求高校調(diào)整人才培養(yǎng)目標(biāo)定位、改革人才培養(yǎng)模式，強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新意識(shí)和探索未知領(lǐng)域的興趣，提高學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力。

但在單片機(jī)課程教學(xué)及實(shí)踐中存在諸多現(xiàn)實(shí)問題：單片機(jī)課堂教學(xué)多以理論教學(xué)為主，教學(xué)中需要很多硬件設(shè)備，一般理論課堂難以輔助硬件進(jìn)行教學(xué)，即便演示，效果也不好；學(xué)生除了課題實(shí)驗(yàn)外，平時(shí)難得有機(jī)會(huì)實(shí)踐，而且采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多是成品，學(xué)生很難參與細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，學(xué)生動(dòng)手能力難以得到提高；實(shí)驗(yàn)設(shè)備多采用實(shí)驗(yàn)箱或硬件仿真器配目標(biāo)實(shí)驗(yàn)板，可做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有限、實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長、設(shè)備維護(hù)工作量大；實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、落后，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高。[2]

針對(duì)上述問題，本文基于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，提出以與工程實(shí)際接軌為目標(biāo)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開放性實(shí)踐訓(xùn)練，重點(diǎn)促進(jìn)學(xué)生自主動(dòng)手、提升創(chuàng)新能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才。

1 教改思路

Proteus嵌入式系統(tǒng)仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合；可以提供支持主流單片機(jī)的仿真環(huán)境，具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能；可以觀察各個(gè)變量、寄存器的當(dāng)前狀態(tài)，同時(shí)支持第三方軟件編譯和調(diào)試環(huán)境；可以提供豐富的外圍接口器件及豐富的虛擬儀器；具有方便易用的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具。Keil軟件支持匯編、C語言以及混合編程，同時(shí)具備強(qiáng)大的軟件仿真、調(diào)試功能。[3]

可以將Proteus與Keil整合起來構(gòu)建單片機(jī)的虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)環(huán)境，其強(qiáng)大仿真功能，使得設(shè)計(jì)調(diào)試程序固化、軟硬件結(jié)合的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)變得十分有效。Proteus提供硬件電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試及仿真， Keil完成應(yīng)用程序的編寫、調(diào)試，并可將調(diào)試好的程序下載到仿真電路MCU中，最后由Proteus與Keil的整合調(diào)試實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總調(diào)，不但能夠直接地觀看仿真效果，同時(shí)還可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，單片機(jī)課程實(shí)踐工作過程變得直觀形象，可以直接在基于原理圖的虛擬模型上進(jìn)行編程，并實(shí)現(xiàn)源碼級(jí)的程序仿真調(diào)試，配合各種虛擬儀表來展現(xiàn)整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行過程?？梢詫?duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路是否達(dá)到所要求的技術(shù)指標(biāo)，通過改變?cè)骷?shù)使整個(gè)電路性能達(dá)到最優(yōu)化。在虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，方案、元器件調(diào)整方便，避免元器件損壞，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間與經(jīng)費(fèi)，提高設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。

具體實(shí)施可參照實(shí)際單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工程研發(fā)過程分為4個(gè)階段：選題及方案設(shè)計(jì)、虛擬開發(fā)驗(yàn)證、實(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、項(xiàng)目總結(jié)交流。在進(jìn)行充分的虛擬創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)及自由探索基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)際單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)電路板制作、硬件連接、軟件調(diào)試及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)實(shí)現(xiàn)。

基于Proteus和Keil構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，開展單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，自主選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，制訂設(shè)計(jì)任務(wù)書（給出軟硬件資源、實(shí)驗(yàn)要達(dá)到的效果等），取代原有的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。將科技方法訓(xùn)練、機(jī)電綜合設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容融合到一個(gè)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新實(shí)踐中，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和強(qiáng)化現(xiàn)代工程意識(shí)。

2 實(shí)施過程

2.1 具體步驟

單片機(jī)課程實(shí)踐教學(xué)改革覆蓋自動(dòng)化、電子信息等多個(gè)專業(yè)。具體步驟如下：

第1階段：給出實(shí)踐要求、實(shí)驗(yàn)資源；講解Proteus和Keil虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；學(xué)生根據(jù)興趣選擇具體應(yīng)用系統(tǒng)，制訂設(shè)計(jì)與開發(fā)方案。備選單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)選取舉例如下：

①溫度測量顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（自主選擇熱電阻、熱電偶或數(shù)字溫度傳感器測溫機(jī)理；自主選擇溫度液晶屏或數(shù)碼管顯示方式；自主元器件選型；自主定義鍵盤操控流程）；

②直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（自主選擇調(diào)壓變速或調(diào)PWM波變速機(jī)理；自主選擇手工或自動(dòng)調(diào)速控制模式；自主選擇速度液晶屏或數(shù)碼管顯示方式；自主元器件選型；自主定義鍵盤操控流程）；

第2階段：學(xué)生基于Proteus和Keil的虛擬開發(fā)環(huán)境，針對(duì)所選具體應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、開發(fā)及驗(yàn)證。

第3階段：在虛擬設(shè)計(jì)開發(fā)驗(yàn)證完成后，進(jìn)行實(shí)際單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)搭建、軟硬件調(diào)試及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

第4階段：總結(jié)交流，提交作品、完成項(xiàng)目報(bào)告。

2.2 實(shí)施要求

學(xué)生根據(jù)興趣分組選擇不同單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，每組至少提出兩種設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案；

學(xué)生在個(gè)人電腦上構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，充分利用課余時(shí)間進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)；

基于虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境所取得的系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)成果，完成實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建、調(diào)試及實(shí)現(xiàn)；

自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、自由探索研究，形成有獨(dú)立見解的、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)報(bào)告；

完成創(chuàng)新實(shí)踐過程不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的過程設(shè)計(jì)文檔及進(jìn)展報(bào)告。

3 教改特色

基于教師提出的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及要求，學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、開展自由探索研究，分組合作，經(jīng)歷單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工程開發(fā)及實(shí)現(xiàn)的完整過程，既強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主創(chuàng)新和自由探索，又強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計(jì)開發(fā)規(guī)范。

Proteus與Keil的整合為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)提供了一種低投資、高仿真且功能齊全的開放、實(shí)戰(zhàn)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)階段，利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)就可以完成，無需實(shí)際CPU芯片或其他相關(guān)元器件，學(xué)生隨時(shí)隨地進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)空間及實(shí)驗(yàn)資源開放。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)階段，器件根據(jù)需要進(jìn)行組合、器件參數(shù)可以及時(shí)仿真優(yōu)化，充分發(fā)揮單片機(jī)仿真設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的靈活性、充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性創(chuàng)造性。

在虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，學(xué)生無需擔(dān)心損害實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以自由、大膽地進(jìn)行各種設(shè)計(jì)，無需承擔(dān)反復(fù)設(shè)計(jì)、調(diào)整的各種費(fèi)用，節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。

實(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)相結(jié)合，符合工程實(shí)踐規(guī)律。在仿真環(huán)境下設(shè)計(jì)的應(yīng)用系統(tǒng)達(dá)到要求指標(biāo)后，根據(jù)目標(biāo)要求加以制作、實(shí)現(xiàn)。

把培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才作為首要目標(biāo)，注重學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的過程、解決問題的方法與能力、探究的精神和個(gè)性品質(zhì)，強(qiáng)調(diào)啟發(fā)式教學(xué)、發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)和互動(dòng)合作式學(xué)習(xí)，充分利用現(xiàn)代教育技術(shù)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的創(chuàng)新能動(dòng)性和個(gè)性化發(fā)展。[4]

4 結(jié)語

單片機(jī)課程實(shí)踐教學(xué)改革針對(duì)單片機(jī)課程傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部模塊固化、僅能進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，存在諸如學(xué)生實(shí)驗(yàn)后對(duì)系統(tǒng)和芯片的工作原理與程序認(rèn)識(shí)不清、不能靈活創(chuàng)新設(shè)計(jì)開發(fā)、學(xué)習(xí)開發(fā)積極性不高等缺點(diǎn)，讓學(xué)生基于Proteus和Keil構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，分工合作，經(jīng)歷單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)際工程開發(fā)實(shí)現(xiàn)的完整過程，既強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主創(chuàng)新和自由探索，又強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計(jì)開發(fā)規(guī)范。重點(diǎn)促進(jìn)學(xué)生自主動(dòng)手、提升創(chuàng)新能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才。

【參考文獻(xiàn)】

[1]教育部關(guān)于實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的若干意見（征求意見稿）[Z].2010，6.

[2]胡文金，鐘秉翔，楊健.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)實(shí)訓(xùn)教程[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2005：2-3.

[3]林立，單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2014，8.

[4]張敏，鞠春花.大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)的研究[J].教育探索，2013（9）：105-106.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]