Protues仿真在高職單片機(jī)課程教學(xué)中的應(yīng)用

李斌

（沈陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110045）

Protues仿真在高職單片機(jī)課程教學(xué)中的應(yīng)用

李斌

（沈陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110045）

在傳統(tǒng)高職單片機(jī)課程教學(xué)中，理論教學(xué)環(huán)節(jié)、硬件設(shè)備、教學(xué)模式等存在著諸多問題。通過將Protues軟件引入到單片機(jī)的教學(xué)過程中，可以同時(shí)提高單片機(jī)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量。通過教學(xué)實(shí)踐表明，該方法極大地提高了教學(xué)效果。

高職教育；Protues軟件；單片機(jī)課程

單片機(jī)課程是高職自動(dòng)化、機(jī)電一體化、電子信息等相關(guān)工科專業(yè)的專業(yè)必修課，實(shí)踐性較強(qiáng)，因此，在教學(xué)環(huán)節(jié)要高度重視實(shí)踐過程的操作訓(xùn)練，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力顯得尤為重要。在傳統(tǒng)教學(xué)中，單片機(jī)的教學(xué)往往在理論和實(shí)踐相結(jié)合方面由于種種條件限制存在諸多缺陷，這就導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，由于沒有對(duì)所學(xué)理論知識(shí)產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)，從而失去學(xué)習(xí)興趣，并且所學(xué)知識(shí)不知有何用處，最終學(xué)習(xí)誤區(qū)不斷累積，使得單片機(jī)課程的整體學(xué)習(xí)效果大打折扣。教學(xué)內(nèi)容要隨著技術(shù)水平的發(fā)展而不斷改變，但實(shí)踐環(huán)節(jié)的硬件投入往往無法及時(shí)跟上教學(xué)改革的步伐。將Protues仿真軟件引入單片機(jī)教學(xué)實(shí)踐，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法不足，是提高教學(xué)質(zhì)量、增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力的一個(gè)有效方法[1-2]。

一、傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)中存在的問題

1．理論教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問題

單片機(jī)課程涉及的專業(yè)知識(shí)面較廣、內(nèi)容難度較大、知識(shí)點(diǎn)抽象復(fù)雜，學(xué)生在剛開始接觸具體該課程時(shí)，由于缺乏對(duì)單片機(jī)內(nèi)容感性認(rèn)識(shí)，只能靠自己對(duì)書面意思的想象去理解問題，感覺非常困惑。比如在“堆?！钡摹叭霔！焙汀俺鰲！碧幚磉^程中，學(xué)生只能根據(jù)“入棧前指針先加1、出棧后指針要減1”的字面意思來計(jì)算數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址，而無法直接看到數(shù)據(jù)在存取瞬間的地址變化過程。類似這種情況，都會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)單片機(jī)課程產(chǎn)生死記硬背的學(xué)習(xí)習(xí)慣，一旦遇到問題，學(xué)生往往會(huì)首先認(rèn)為是自己在計(jì)算方面出錯(cuò)了，而不會(huì)考慮如何通過調(diào)試等方法來查找問題所在。

通常，教師會(huì)把硬件或者焊制好的實(shí)驗(yàn)板在課堂上給學(xué)生做演示實(shí)驗(yàn)，但效果往往不盡如人意。首先，由于空間限制，導(dǎo)致小小的實(shí)驗(yàn)板在課堂上很難讓學(xué)生看得清；其次，所有的過程都是教師個(gè)人完成，學(xué)生只是被動(dòng)地看，而沒有參與其中：導(dǎo)致教師費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而絕大多數(shù)學(xué)生對(duì)此都是走馬觀花，并沒有通過這種簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)板演示提高學(xué)習(xí)效果。但如果連這種實(shí)驗(yàn)板演示都沒有的話，只靠傳統(tǒng)的理論語(yǔ)言描述，缺乏對(duì)描述對(duì)象的直觀認(rèn)識(shí)，會(huì)讓學(xué)生更不好理解。

單片機(jī)課的理論教學(xué)主要介紹程序設(shè)計(jì)、片內(nèi)資源及接口電路，學(xué)生在接觸這些問題時(shí)，對(duì)程序如何控制片內(nèi)資源從而反映到接口電路上的過程與逆過程總是不明就里，甚至在學(xué)習(xí)完課程之后，都無法區(qū)分子程序和中斷程序的區(qū)別。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因之一，就是缺乏一種有效的理論教學(xué)過程演示方法，僅靠對(duì)純文字的講解與幻燈片的演示，無法從根本上提高學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)認(rèn)知能力[3]。

2．硬件設(shè)備在實(shí)踐教學(xué)中的缺陷

單片機(jī)課程在實(shí)驗(yàn)課和課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)需要用到硬件設(shè)備，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)通常采用實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺(tái)完成。實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容大多是以教師為中心在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，參照指導(dǎo)書內(nèi)容做一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)。首先是教師講解實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及主要功能程序，然后學(xué)生將幾條導(dǎo)線根據(jù)指導(dǎo)書的原理圖連線，最后加載程序查看效果。在此過程中，由于硬件設(shè)備在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)存在的諸多問題，導(dǎo)致了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的不足：

第一，實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺(tái)的線路連接已經(jīng)在內(nèi)部搭建完成，留給學(xué)生動(dòng)手操作的無外乎幾個(gè)固定搭配的導(dǎo)線連接，因此學(xué)生無法對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行主觀性的設(shè)計(jì)。

第二，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)出現(xiàn)偏差時(shí)，由于硬件設(shè)備的不透明，導(dǎo)致學(xué)生無法找出故障的原因，達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生分析與解決問題的能力的目的。而與此相反，即便是理論知識(shí)掌握的并不好的學(xué)生，根據(jù)指導(dǎo)書的連線和例子生搬硬套，也能夠照貓畫虎地得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在這種情況下，學(xué)生自己不但沒有掌握所學(xué)內(nèi)容，教師也不能及時(shí)了解學(xué)生掌握情況，最終達(dá)不到實(shí)驗(yàn)課的真正目的。

第三，實(shí)驗(yàn)箱的硬件資源是固定的，可完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有限，而單片機(jī)在智能控制領(lǐng)域的應(yīng)用項(xiàng)目種類繁多，絕不僅僅是靠實(shí)驗(yàn)箱上幾個(gè)類似流水燈似的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)就能夠讓學(xué)生熟練掌握單片機(jī)應(yīng)用的。

第四，實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺(tái)成本較高，如果硬件損壞，不僅維護(hù)量較大，硬件設(shè)備的更新成本也是一個(gè)不容忽視的問題。

第五，學(xué)生除了每學(xué)期固定學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課之外，沒有任何其他實(shí)踐操作的機(jī)會(huì)，這與單片機(jī)實(shí)踐性較強(qiáng)的特性相矛盾。

因此，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課無法從根本上滿足學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)要求。

在不使用實(shí)驗(yàn)箱的單片機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，學(xué)生只能用面板搭建或焊接電路，通過多年教學(xué)實(shí)踐表明，采取此種方式的實(shí)驗(yàn)課往往會(huì)損壞大量的實(shí)驗(yàn)耗材和部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備，增加了實(shí)驗(yàn)課的成本支出。此外，學(xué)生在做單片機(jī)相關(guān)方向的畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，即便是在教師的幫助下，通常也無法驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的原理圖在電氣性能方面是否完全達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致其所繪制的線路板出現(xiàn)故障的幾率非常大，給后續(xù)的工作帶來很大不便。最后不僅線路板成了廢品，畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成也會(huì)受到影響。而學(xué)生為了不影響畢業(yè)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)論文上通過弄虛作假的方式掩蓋事實(shí)的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，就是學(xué)生自身在單片機(jī)實(shí)踐能力方面的欠缺所導(dǎo)致的。

3．教學(xué)模式存在的問題

智能化控制技術(shù)的發(fā)展使得企業(yè)對(duì)單片機(jī)開發(fā)人才的需求不斷增長(zhǎng)，企業(yè)真正需要的是具有單片機(jī)開發(fā)能力的人才，而開發(fā)能力就取決于學(xué)生在校期間的實(shí)踐環(huán)節(jié)是否能得到充分利用。當(dāng)前的教學(xué)模式存在以下幾個(gè)問題：

首先，學(xué)生在單片機(jī)課程上的大部分時(shí)間都用在了理論課上，使得實(shí)驗(yàn)課的時(shí)間相對(duì)減少，無法讓學(xué)生有充足的時(shí)間積累課程設(shè)計(jì)與項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

其次，理論課大多采用板書或者多媒體形式，單片機(jī)理論知識(shí)本就抽象、晦澀，如果理論和實(shí)踐無法在學(xué)生腦中及時(shí)建立關(guān)聯(lián)，學(xué)生就不能從實(shí)際應(yīng)用的角度去理解書面內(nèi)容。

最后，教學(xué)中對(duì)單片機(jī)的編程大多采用Keil軟件，實(shí)驗(yàn)課要先讓學(xué)生熟練掌握Keil軟件及其環(huán)境下的熟練編程，然后才是硬件的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)課大多是在期末臨近開展，時(shí)間本就不多，等到這些基礎(chǔ)的實(shí)踐環(huán)節(jié)都學(xué)完之后，留給學(xué)生自己設(shè)計(jì)的時(shí)間就已經(jīng)非常少了[4]。

傳統(tǒng)的教學(xué)模式是經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間檢驗(yàn)的，其教學(xué)理念比較合理，但不免有一些瑕疵，比如上述單片機(jī)在教學(xué)模式中存在的問題。因此，問題的解決不在于采取改頭換面的教學(xué)模式，而是要在原有教學(xué)模式的基礎(chǔ)上引入一種新的教學(xué)方法。

二、引入Protues仿真的教學(xué)實(shí)踐

1．Protues功能簡(jiǎn)介

Protues是實(shí)物仿真工具軟件，它不僅能夠?qū)纹瑱C(jī)仿真，還能夠仿真單片機(jī)外圍器件。Protues可以實(shí)現(xiàn)原理圖設(shè)計(jì)、PCB自動(dòng)與手工布線、代碼調(diào)試、硬件仿真，并能夠和單片機(jī)編程軟件，如Keil軟件，進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，通過仿真效果實(shí)時(shí)反映出程序的運(yùn)行狀態(tài)。通過Protues搭建的電路可以完全模擬硬件實(shí)物的真實(shí)效果，對(duì)于初學(xué)者來說較容易掌握，通過一個(gè)簡(jiǎn)單的流水燈實(shí)驗(yàn)演示，即可讓學(xué)生掌握Protues的基本操作，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)樂趣[5]。

2．引入Protues的理論教學(xué)

通過多媒體，將Protues的操作過程在投影上演示出來，演示效果不僅可以讓每一位學(xué)生都能夠看得清晰，教師還可以通過直觀的演示來彌補(bǔ)語(yǔ)言無法形象描述的抽象概念。如果每一次的理論教學(xué)都結(jié)合Protues仿真，學(xué)生會(huì)從中不斷地熟悉Protues的操作。傳統(tǒng)理論教學(xué)中教師需要浪費(fèi)大量時(shí)間講解的重點(diǎn)難點(diǎn)，都可以通過引入Protues仿真讓學(xué)生快速掌握。下面通過兩個(gè)簡(jiǎn)單的教學(xué)應(yīng)用，來闡述Protues引入到理論教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)。

以MCS-51單片機(jī)為例，P0斷口的內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)，使得其外圍電路必須外接上拉電阻才能具備輸出驅(qū)動(dòng)能力。對(duì)于這一知識(shí)點(diǎn)，可以通過在P0.0外接上拉電阻后再外接一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，而P0.1在沒有外接上拉電阻的情況下加載一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，可以明顯看到有外接上拉電阻的P0.0管腳驅(qū)動(dòng)電路正常運(yùn)行，而沒有外接上拉電阻的P0.1管腳卻不具備驅(qū)動(dòng)能力。強(qiáng)烈的對(duì)比效果不僅讓學(xué)生掌握了上拉電阻的知識(shí)點(diǎn)，還對(duì)P0這個(gè)特殊的管腳產(chǎn)生了深刻的印象。

還有很多細(xì)節(jié)性的問題，學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的時(shí)候并不在意，導(dǎo)致在實(shí)踐環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯(cuò)也無法找出。比如，89C51單片機(jī)的EA管腳接高電平才會(huì)從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀取程序，在教學(xué)中可以將同一段程序加載到Protues仿真軟件中，只改變EA管腳的高低電平狀態(tài)，學(xué)生可以直觀的看到不同電平狀態(tài)下單片機(jī)的運(yùn)行效果，這更容易讓學(xué)生結(jié)合書面意思理解管腳的定義。

將Protues仿真引入到單片機(jī)的理論教學(xué)環(huán)節(jié)中，不僅可以讓學(xué)生更形象地掌握理論知識(shí)，還能讓學(xué)生知道所學(xué)理論知識(shí)可以應(yīng)用在哪些領(lǐng)域。

3．引入Protues的實(shí)踐教學(xué)

通過實(shí)物器件設(shè)計(jì)電路，不僅錯(cuò)誤率高，還浪費(fèi)有限的實(shí)踐課時(shí)間，相比之下，在Protues仿真中設(shè)計(jì)電路更能體現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)。Protues具有豐富的虛擬資源，在單片機(jī)教學(xué)中需要使用的設(shè)備器件，Protues都能夠通過仿真實(shí)驗(yàn)達(dá)到與實(shí)物電路完全相同的實(shí)驗(yàn)效果。但與實(shí)物電路相比，實(shí)現(xiàn)同樣的課程設(shè)計(jì)，Protues更加簡(jiǎn)單易學(xué)、容易操作，從而更能節(jié)省時(shí)間。而且，在實(shí)踐課中，如果能熟練掌握Protues的使用，對(duì)學(xué)生今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)也有很大幫助。學(xué)生可以在設(shè)計(jì)好電路原理圖之后，通過Protues仿真檢驗(yàn)其電氣特性，設(shè)計(jì)錯(cuò)誤可以通過Protues軟件檢測(cè)出來，從而避免了由于原理圖設(shè)計(jì)錯(cuò)誤而造成的PCB板無法使用的情況發(fā)生。此外，Protues資源還可以節(jié)省大量硬件設(shè)備開支，如僅一個(gè)虛擬示波器就可以為實(shí)驗(yàn)室節(jié)省上千甚至上萬的采購(gòu)成本。更為重要的是，只要在有電腦的地方都可以使用Protues，這就打破了傳統(tǒng)實(shí)踐操作在空間上的限制，學(xué)生在寢室、在校外任意地點(diǎn)都可以通過Protues仿真鞏固和提高自己的實(shí)踐操作能力。

單片機(jī)在智能控制中的應(yīng)用非常靈活，同樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以通過不同的程序和不同的硬件電路搭配出多種實(shí)現(xiàn)方法。學(xué)生在掌握基本的實(shí)踐設(shè)計(jì)原理后，以此為基礎(chǔ)，通過Protues仿真能夠自主地設(shè)計(jì)出電路圖和程序，提高了學(xué)生自主創(chuàng)新能力。并且，在Protues中即便電路設(shè)計(jì)存在嚴(yán)重錯(cuò)誤，也不會(huì)造成任何危害，更不會(huì)導(dǎo)致硬件電路損壞，這是傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)根本無法比擬的。

總之，經(jīng)實(shí)際教學(xué)效果檢驗(yàn)，將Protues仿真引入到單片機(jī)教學(xué)中，極大地提高了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，加快了理論課的學(xué)習(xí)進(jìn)程，從而節(jié)省出了大量的時(shí)間供學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐。但是，Protues只是在理論和實(shí)踐教學(xué)中起到輔助的作用，其功能無法完全代替實(shí)物。比如在Protues中不需要連接電源，單片機(jī)就能正常運(yùn)行，這在實(shí)物電路中是不可能實(shí)現(xiàn)的。諸如此類的許多問題，在教學(xué)過程中都要重點(diǎn)提示學(xué)生，避免學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)盲目相信仿真軟件的作用，從而陷入學(xué)習(xí)誤區(qū)[6]。

[1]董獻(xiàn)芬.基于Protues仿真的《微機(jī)原理與接口技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革必要性研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2016(7):104-106.

[2]李生明,楊紅.PROTUES軟件在學(xué)習(xí)單片機(jī)中的應(yīng)用[J].清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2010(6):40-42.

[3]喬建華,李臨生,田啟川.Proteus在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用分析[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2008(3):70-73.

[4]曾燕,賈振國(guó).Protues仿真技術(shù)在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào),2011(1):132-134.

[5]周貴舟.Protues和Keil在單片機(jī)教學(xué)中的仿真應(yīng)用[J].創(chuàng)新教育,2013(5):116.

[6]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.

[責(zé)任編輯，沈陽(yáng)職院：劉瑞軍]

The Application of Protues Simulation in Higher Vocational Single-Chip Teaching

LI Bin
(Shenyang Polytechnic College,Shenyang 110045,China)

In traditional single-chip teaching there are many problems in the theory teaching link,hardware facilities and teaching mode.By introducing Protues to the teaching process of single-chip,it can improve the quality of the theory and practice teaching.The teaching practice proves the method can greatly improve the teaching effect.

higher vocational education;Protues software;single-chip course

G712

A

1009—7600（2017）01—0055—03

2016-10-21

李斌（1985—），男，遼寧沈陽(yáng)人，助教，碩士。