基于protues軟件和KEIL軟件的虛擬實驗平臺教學(xué)做一體化的教學(xué)改革

劉 晨，陳小亮

（河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

單片機誕生于1971年，是計算機的一個分支，它不是某一個單純的邏輯芯片，而是將一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。單片機應(yīng)用技術(shù)是電子信息工程與通信工程專業(yè)一門必修課程，單片機因其體積小，功能多，廣泛應(yīng)用于儀表儀器，汽車，智能設(shè)備，工業(yè)控制，通信等領(lǐng)域?？煽啃詮娂靶詢r比高等特點是學(xué)生最早接觸的芯片，對于初學(xué)的學(xué)生來說相對會難學(xué)習(xí)一些。內(nèi)容繁多，知識點瑣碎。以前理論與實踐想分離的教學(xué)方法不易提高學(xué)生的興趣，單片機應(yīng)用技術(shù)課程的改革一直在進行中。

1 單片機課程現(xiàn)在的弊端

1.1 理論教學(xué)與實驗教學(xué)相分離

大多數(shù)單片機課程采用的是“先原理后設(shè)計，先理論后實驗”的原則，在教室里面進行理論學(xué)習(xí)，然后在實驗室里面進行實驗，這樣理論教學(xué)與實踐教學(xué)是分離的。在不同時空和不同地點教授課程，這樣分離教學(xué)，在講理論課程的時候會不容易引起學(xué)生的興趣，在講實驗課的時候?qū)W生大多是機械的做實驗內(nèi)容，缺少深入思考。理論和實踐的分離會導(dǎo)致學(xué)生上課的理論知識無法及時消化吸收，所學(xué)的內(nèi)容很快就忘記了，再去做實驗的時候效果不好。理論實踐有些脫節(jié)。

1.2 理論課時抽象且多于實驗課時

在傳統(tǒng)單片機教學(xué)中，理論課時一般較多，并且單純的講授理論，多數(shù)理論課過于抽象，對學(xué)生來說難度較大，并且不易理解，很容易打擊學(xué)生的積極性，一旦聽不懂就不想學(xué)了，這就導(dǎo)致一部分學(xué)生越來越不想學(xué)習(xí)。實驗課時相對少一些，學(xué)生不容易接受，而且學(xué)生在做實驗時只是機械的進行實驗內(nèi)容，對很多內(nèi)容沒有做到理解，所以很難做到學(xué)以致用。

1.3 單片機的實驗內(nèi)容相對固定，學(xué)生發(fā)揮較少

很多學(xué)校已經(jīng)將單片機的實驗開發(fā)板買好，學(xué)生做的實驗都是已經(jīng)做好的模塊，然后連好到導(dǎo)線就可以了。這樣學(xué)生沒有實際焊接各種硬件電路，僅僅連幾根導(dǎo)線，理解不深入，很多實驗器件并非真的理解。學(xué)生寫程序，編譯，下載，觀察結(jié)果這個流程比較熟悉，但是對于整個硬件的理解上會有一些欠缺，無法深入理解單片機與器件的工作原理與使用方法。對硬件的動手實操也會相對欠缺。

2 虛擬實驗平臺的搭建—Protues和Keil軟件簡介

Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司在1989年出版的EDA工具軟件。Protues軟件是一款從原理布圖，代碼調(diào)試到單片機及外圍電路仿真，一鍵切換到PCB板的軟件。Protues軟件是目前最好的仿真外圍電路的軟件。可以仿真AVR，PIC，51單片機等常用的微型處理器和外圍電路。Protues軟件可以仿真有單片機以及外圍電路的情況。由于該軟件的仿真是基于廠家提供的技術(shù)數(shù)據(jù)來建立仿真的，所以仿真超越了“虛擬”極其接近現(xiàn)實。在教學(xué)中使用具有很大的現(xiàn)實意義。

Keil軟件是一款常用的開發(fā)MCS-51單片機的軟件，包括了C編譯器，宏匯編，連接器，庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)式器。Keil軟件支持匯編語言，C語言，可以通過單片機進行仿真調(diào)式。Keil對于初學(xué)者是一款易學(xué)，容易上手的軟件。

Keil軟件和Protues軟件可以進行聯(lián)調(diào)，從而構(gòu)建虛擬實驗平臺，從硬件電路的設(shè)計，電路的仿真到軟件調(diào)式，實時仿真，測試和驗證整個開發(fā)過程。學(xué)生通過實驗平臺可以真正理解單片機的整個設(shè)計過程，以及單片機的設(shè)計系統(tǒng)方法。

3 教改思路

3.1 搭建虛擬實驗平臺

將Protues和Keil進行聯(lián)調(diào)，先設(shè)計好硬件電路，然后用Protues進行仿真，搭建硬件電路。然后使用Keil軟件編寫程序進行編譯，生產(chǎn).hex執(zhí)行文件，然后將執(zhí)行文件下載到Protues軟件進行仿真實驗，觀察實驗結(jié)果。 在虛擬實驗環(huán)境下，單片機的原理變得非常的直觀和簡單，可以在Protues軟件上直接基于硬件原理圖來進行仿真編程，非常直觀，易懂，可以進行代碼的調(diào)試觀察各個硬件器件的運行情況，配合虛擬的器件可以觀察單片機的運行狀態(tài)?？梢愿淖兤骷男吞杹磉_到最好的狀態(tài)。通過虛擬實驗平臺，可以更改實驗器件的型號，方便仿真，調(diào)試，已達到所要求的實驗?zāi)康模?jié)省硬件直接進行搭建的金錢和時間，提高設(shè)計的質(zhì)量和效率。

3.2 教學(xué)做一體化

將知識進行細分化，并進行任務(wù)導(dǎo)向，在課堂上講一部分理論知識，然后布置任務(wù)讓學(xué)生自己課堂下去找資料解決問題，實驗時給學(xué)生進行演示，給學(xué)生進行分組，讓學(xué)生動手實驗，在實驗過程中出現(xiàn)問題，教師要引導(dǎo)學(xué)生去思考自己解決。在虛擬實驗平臺的輔助教學(xué)的同時，引入單片機實訓(xùn)，讓學(xué)生自己動手布局電路，焊接電路板，然后編程調(diào)試，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

3.3 小組化互動

在教學(xué)過程中，給班級分成小組，在實驗與實訓(xùn)過程中，出現(xiàn)問題小組內(nèi)討論，教師作為輔導(dǎo)引導(dǎo)學(xué)生去分析思考，讓學(xué)生自己解決問題，學(xué)會解決問題的能力。

4 教改實施過程

以LED流水燈實驗為例來進行說明。

4.1 課前準備

教師提前將索要做的實驗內(nèi)容告知學(xué)生，讓學(xué)生們上網(wǎng)站查閱相關(guān)資料（鍛煉學(xué)生自己動手解決問題的能力，搜索的能力），同時也可以結(jié)合課本和發(fā)給學(xué)生的一些資料來準備實驗內(nèi)容。

4.2 創(chuàng)造一個愉悅的情景激發(fā)學(xué)生的興趣

可以在課堂上播放視頻或者給學(xué)生演示已經(jīng)做好的成品，一個心型的LED顯示裝置。可以結(jié)合學(xué)生的生活情景（比如可以在情人節(jié)給自己的朋友表白，做一個單片機的心型版給自己的朋友）來激發(fā)學(xué)生們的興趣。

4.3 任務(wù)明確的目標(biāo)與思路

通過給學(xué)生演示流水燈的實例，讓學(xué)生明白要達到什么樣的目的與要求，同時明白要掌握什么知識。結(jié)合Protues軟件，如何去搭建硬件。簡化硬件電路的時間和成本。

4.4 相關(guān)知識點講解

在課堂給學(xué)生講解LED的用法，如何點亮一盞LED燈。首先，如何區(qū)分LED的正負極，即陰極與陽極。然后如何驅(qū)動一個LED燈，通過對陽極加入高電平，對陰極加低電平進行驅(qū)動。怎么樣用單片機來點亮LED燈。

4.5 任務(wù)實施

①給學(xué)生演示用Protues軟件設(shè)計硬件電路，然后讓學(xué)生自己設(shè)計。在中間出現(xiàn)的問題可進行集中講解。②學(xué)生用Keil軟件編程，編譯生成執(zhí)行文件。出現(xiàn)問題可以由學(xué)生自行解決，對解決不了的問題老師進行統(tǒng)一講解。③演示Protues軟件和Keil軟件的聯(lián)調(diào)，讓學(xué)生自行動手做。觀察實驗結(jié)果，看LED燈以及單片機相關(guān)引腳的運行狀態(tài)。④在實訓(xùn)課上，自己動手實驗板來焊接電路并調(diào)試。

4.6 問題解答

給學(xué)生分成3人一組，實驗過程中出現(xiàn)的問題讓學(xué)生自己討論，教師在一旁引導(dǎo)學(xué)生去思考分析問題出現(xiàn)的原因，最終自己找到解決問題的方法，自己完成任務(wù)。

4.7 任務(wù)總結(jié)

老師指導(dǎo)學(xué)生以提問、討論、演示的形式來分析所學(xué)的知識點，總結(jié)學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)的各種問題，避免下次任務(wù)還出現(xiàn)類似的情況。

4.8 考核

學(xué)生的考試成績主要通過過程化考核來實現(xiàn)。其中包括理論考核，實踐考核，職業(yè)道德。主要以學(xué)生動手實踐考核為主，占60%。

5 教學(xué)改革創(chuàng)新與特點

該課程的改革由以前單一的講解之后再實驗的模式改變?yōu)橛山虒W(xué)做合為一體。創(chuàng)新點一是將教學(xué)內(nèi)容進行拆分、整合。不是單純的在課堂上灌輸知識，而是選擇性的在課堂上和實驗中分散將知識點教授給學(xué)生，實現(xiàn)學(xué)與做的合一。二是將Protues軟件和Keil軟件進行聯(lián)調(diào)，創(chuàng)建虛擬實驗室，有利于學(xué)生對單片機和器件的理解。三是將學(xué)習(xí)內(nèi)容項目化，每個項目都由相應(yīng)的任務(wù)去完成，使學(xué)生帶著問題來進行學(xué)習(xí)。四是小組化討論，學(xué)生分成小組，布置任務(wù)后小組內(nèi)共同來進行任務(wù)的實施，遇到問題教師引導(dǎo)小組內(nèi)進行討論，分析，思考，解決問題。五是考核的多元化，考核采取實踐考核，理論考核和職業(yè)道德三個部分，以學(xué)生實際操作能力為主要考核的依據(jù)，通過考核時學(xué)生真正掌握知識。

6 教學(xué)改革取得的成效

6.1 班級學(xué)風(fēng)有一定改變

很多同學(xué)課下去找相關(guān)的資料，拷貝走相關(guān)軟件回去自己做相關(guān)實驗。在實驗過程中同學(xué)之間相互討論，相互交流心得。

6.2 班級學(xué)習(xí)差異化情況有很大程度的減輕

過去教學(xué)的模式，學(xué)生兩級分化現(xiàn)象嚴重，一部分學(xué)的好的學(xué)生努力學(xué)習(xí)，非常積極，一部分索性放棄。但是采用教改之后，學(xué)生主動性大大提高，在做中學(xué)在學(xué)中做，學(xué)生積極性大幅度提高。學(xué)生大部分都能跟上教學(xué)進度，主動去學(xué)習(xí)。

6.3 學(xué)生主動性更大了

學(xué)生進行小組化教學(xué)，遇到問題自己討論，教師在一旁引導(dǎo)學(xué)生而不是單純幫助他們解決問題。學(xué)生在討論中更加自主，更加積極去學(xué)習(xí)知識。

6.4 學(xué)生更加愿意和老師交流

學(xué)生在實驗過程中很多問題得到了解決，更愿意和老師交流，和老師溝通，積極提問。學(xué)生和老師之間的關(guān)系也越來越親密，形成良性的互動。

7 對教學(xué)改革的反思

7.1 采用小班制有助于學(xué)生的學(xué)習(xí)

在教學(xué)與實驗過程中采用小班教學(xué)，一方面可以使學(xué)生的問題及時得到反饋和解決，二是在安全上更容易解決，可以保障學(xué)生的安全問題。

7.2 靈活安排教學(xué)時間

由于實驗場地有限，建議教學(xué)時間可以靈活安排，比如安排在晚上或者周末。

7.3 引導(dǎo)學(xué)生比灌輸知識更重要

在教學(xué)過程中，教師應(yīng)該將學(xué)生一起參與進來。在以往單片機教學(xué)，多是教師在講課，學(xué)生被動的聽，這樣做學(xué)生差異化會越來越大，一部分學(xué)生會因為跟不上老師的進度，失去積極性。所以在教學(xué)中應(yīng)該增加學(xué)生的討論，師生的互動，這樣會促使學(xué)生積極去思考問題，自己去解決問題，在討論中，在思考中，解決問題，掌握知識。

7.4 分成小組互動效果會更好一些

在實驗實施時，兩三個人分成小組，做的熟練的帶動相對不熟練的，接受快一些的帶動接受相對慢一些的，效果會好一些。但是要避免在分小組的之后，一個人做完，其他人不再做的情況，這就需要教師在一旁去觀察，同時去進行個人的考核或者抽查小組中一位成員考核。