基于Proteus與學(xué)習(xí)板的單片機(jī)“1+1虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)模式設(shè)計(jì)

亓?xí)员颉∴u偉全　萬學(xué)春

一、單片機(jī)課程改革的必要性

單片機(jī)又叫微控制器（MCU），是嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心器件，廣泛應(yīng)用于當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，工業(yè)測(cè)控、儀器儀表、消費(fèi)電子、通信產(chǎn)品等都有它的身影，是現(xiàn)代控制中不可或缺的工具和手段[1]?！秵纹瑱C(jī)基礎(chǔ)與應(yīng)用》是我院為電氣自動(dòng)化、機(jī)電一體化、機(jī)電設(shè)備維修與管理、城市軌道交通機(jī)電設(shè)備等專業(yè)學(xué)生開設(shè)的專業(yè)必修課，同時(shí)也是學(xué)生參加大學(xué)生科技創(chuàng)新、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、電子設(shè)計(jì)等相關(guān)競賽的必須課程[2]。單片機(jī)的重要性不言而喻，然而當(dāng)前該課程的教學(xué)效果并不理想，很多相關(guān)專業(yè)高職甚至本科畢業(yè)生對(duì)單片機(jī)的掌握達(dá)不到入門水準(zhǔn)，更談不上應(yīng)用開發(fā)。因此，對(duì)單片機(jī)課程的教學(xué)改革勢(shì)在必行。

二、傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)模式存在的弊端

傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)為“PPT+板書”的模式，這樣會(huì)把單片機(jī)外圍電路、程序代碼和運(yùn)行效果三者隔離開來，無法直觀形象地驗(yàn)證電路原理的可行性、程序代碼的有效性及運(yùn)行結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。在早期甚至出現(xiàn)過課程結(jié)束了學(xué)生還不認(rèn)識(shí)單片機(jī)，不會(huì)使用編程軟，更沒焊接、調(diào)試、使用過學(xué)習(xí)板，教學(xué)效果可想而知。

近年來，隨著科技和社會(huì)的不斷發(fā)展，各種單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱、學(xué)習(xí)板大行其道，于是出現(xiàn)了“PC+MCU成品板”的一體化教學(xué)模式，此方法只需簡單連線后，便可通過編程進(jìn)行各種驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，能清楚看到運(yùn)行效果，對(duì)學(xué)生編程能力的培養(yǎng)有較大作用。但因?yàn)閷W(xué)習(xí)板電路已經(jīng)固化，學(xué)生不能設(shè)計(jì)硬件電路（只能編寫、調(diào)試程序），所以對(duì)其掌握單片機(jī)電路原理、認(rèn)識(shí)電子元器件及進(jìn)行系統(tǒng)焊接調(diào)試等幫助不大，無法達(dá)到讓學(xué)生全面動(dòng)手鍛煉的效果[4]。

三、Proteus+學(xué)習(xí)板的虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式

為了解決傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)中的種種問題，我院根據(jù)多年教學(xué)實(shí)踐將單片機(jī)教學(xué)進(jìn)程分為課堂教學(xué)和實(shí)訓(xùn)周集中實(shí)訓(xùn)兩部分，提出了Proteus課堂仿真教學(xué)加單片機(jī)學(xué)習(xí)板的焊接、調(diào)試、應(yīng)用等實(shí)訓(xùn)的“1+1虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)模式。

Proteus仿真軟件是英國LABCENTER ELECTRONICS公司開發(fā)的一款功能強(qiáng)大的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，具有原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)等功能，可以進(jìn)行模擬電路、數(shù)字電路及MCU器件混合仿真。其最大特點(diǎn)是可以進(jìn)行單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，在一定程度上相當(dāng)于一塊萬能學(xué)習(xí)板，非常簡單實(shí)用、直觀形象，這也是其他仿真軟件無法比擬的[5][6]。將Proteus引入單片機(jī)課堂教學(xué)，可以隨時(shí)設(shè)計(jì)各種單片機(jī)原理電路并進(jìn)行仿真，這樣既有利于教學(xué)中的問題說明，又有利于學(xué)生進(jìn)行有針對(duì)性的練習(xí)，同時(shí)避免了硬件問題帶來的干擾，有利于教學(xué)進(jìn)程順利推進(jìn)和學(xué)生對(duì)單片機(jī)知識(shí)的掌握及自信心的培養(yǎng)。

單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用需要多方面的知識(shí)和技能，Proteus仿真軟件的引入，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)單片機(jī)編程和原理電路設(shè)計(jì)的掌握[7][8];而電子元器件識(shí)別選用、電路板焊接調(diào)試、板外系統(tǒng)連接等能力則可在集中實(shí)訓(xùn)中進(jìn)行鍛煉。通過具體的任務(wù)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生親自動(dòng)手挑選元器件，并在空白PCB上焊接，然后經(jīng)過調(diào)試、編程、外圍連接等一系列工作來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，最后教師根據(jù)功能的完成情況酌情給分。這一過程，除了增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力之外，還可增加其對(duì)整個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和開發(fā)流程的認(rèn)識(shí)及掌握，為將來的實(shí)際應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

四、虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)實(shí)例

虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式涵蓋了較為全面的單片機(jī)系統(tǒng)知識(shí)，下面通過流水燈的控制任務(wù)講解說明。

1.Proteus仿真實(shí)例

流水燈的控制是典型的單片機(jī)學(xué)習(xí)實(shí)例，它有多種控制要求和實(shí)現(xiàn)方法，可包含單片機(jī)的通用I/O口操作、鍵盤操作、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串口、中斷等知識(shí)，在此以單個(gè)流水燈的循環(huán)流動(dòng)控制為例?；赑roteus的課堂教學(xué)仿真流程為圖1所示。

在講解完單片機(jī)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)后，便可通過Keil軟件編寫對(duì)應(yīng)功能的C51程序，并編譯生產(chǎn)可執(zhí)行的HEX文件;然后運(yùn)行Proteus軟件并設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)功能的電路原理圖，最后便可向原理圖中單片機(jī)元件內(nèi)裝載HEX文件，通過仿真運(yùn)行便可觀測(cè)任務(wù)功能的完成情況，直觀明了，可大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。流水燈的C51程序和Proteus仿真效果如圖2、3所示。

2.學(xué)習(xí)板應(yīng)用實(shí)例

單片機(jī)學(xué)習(xí)板實(shí)訓(xùn)步驟如圖4所示。通過該過程，可讓學(xué)生在掌握學(xué)習(xí)板電路原理和PCB板構(gòu)成的基礎(chǔ)上，了解使用各種常用電子元器件，包括其基本功能、元件封裝、引腳分布等。同時(shí)學(xué)習(xí)基本焊接技術(shù)并逐步完成整塊電路板的焊接工作，待單片機(jī)最小系統(tǒng)測(cè)試通過以后，便可編寫相對(duì)完整簡單的測(cè)試程序來檢測(cè)成品電路板的各部分功能。此過程可能遇到漏焊、虛焊、次品元器件等各種問題，需要耐心查找。最后根據(jù)任務(wù)要求編寫C51程序并經(jīng)過反復(fù)修改調(diào)試，最終取得滿意的效果。

基于學(xué)習(xí)板的流水燈控制程序與Proteus仿真程序完全相同，如圖2所示，效果如圖5所示。

通過應(yīng)用Proteus仿真軟件和制作、調(diào)試、使用單片機(jī)學(xué)習(xí)板，學(xué)生學(xué)到了更加全面的單片機(jī)軟硬件系統(tǒng)知識(shí)，使我院單片機(jī)課程教學(xué)變得更有針對(duì)性、目的性;學(xué)生們普遍反映這樣的方式非常生動(dòng)形象，電路的原理非常清晰、運(yùn)行結(jié)果非常明顯，學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)效率都得到了很大提高。同時(shí)，老師的教學(xué)思路更加有條理，知識(shí)的講授和電路的運(yùn)行前后呼應(yīng)，教學(xué)效果更好了，教學(xué)工作也變得輕松了，得到了事半功倍的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]王靜霞.單片機(jī)基礎(chǔ)與應(yīng)用（C語言版） [M].北京：高等教育出版社，2016.

[2]萬學(xué)春，亓?xí)员?單片機(jī)原理及應(yīng)用（C語言版） [M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2019.

[3]劉淑芬.基于Proteus仿真軟件的單片機(jī)教學(xué)模式[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（3）：52.

[4]郭宏，胡威.基于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的單片機(jī)課程改革探討[J].教育教學(xué)論壇，2019（6）：119-121.

[5]丁少玲，肖宇連，李街生.電子類專業(yè)單片機(jī)課程教學(xué)改革[J].機(jī)電創(chuàng)新教育，2019（1）：112.

[6]樓俊君，程啟明，黃云峰，趙永熹.PROTEUS仿真軟件在單片機(jī)課程創(chuàng)新教改中的應(yīng)用[J].蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017（1）：64-66.

[7]王偉.基于PROTEUS與KEIL C51軟件平臺(tái)的單片機(jī)仿真教學(xué)[J].電子制作，2015（13）：90-91.

[8]葉博.項(xiàng)目教學(xué)法在單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].教學(xué)與教育信息化，2019（1）：243-244.

[9]譚艷春，朱又敏，劉目磊.基于KeilC51和Proteus花樣流水燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].軟件工程，2018（11）：14-16.

[10]官泳華.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)電路板的安裝與調(diào)試[J].四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（5）：158-160.

責(zé)任編輯 陳春陽