虛擬實(shí)驗(yàn)軟件在高職單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

袁 媛

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程管理系，四川德陽(yáng) 618000）

在我國(guó)教育信息化技術(shù)不斷完善的環(huán)境下，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的出現(xiàn)，使高職開展單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)有效實(shí)現(xiàn)。為了進(jìn)一步提高高職單片機(jī)教學(xué)質(zhì)量，將虛擬實(shí)驗(yàn)軟件合理結(jié)合其中，使學(xué)生將注意力全部集中到老師設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件中，提高對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握以及對(duì)具體技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用。長(zhǎng)此以往，不僅能夠使高職單片機(jī)教學(xué)信息化改革的目標(biāo)有效實(shí)現(xiàn)，而且還能確保學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶更加深刻。

1 傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)存在的問題

1.1 教學(xué)模式較為單一

作為我國(guó)目前高職電子類信息專業(yè)開設(shè)的主要課程之一，單片機(jī)課程中涉及了大量與電機(jī)一體化、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、自動(dòng)化、電子等工作崗位密切相關(guān)的內(nèi)容，也是電子工程相關(guān)技術(shù)人員必須掌握的基礎(chǔ)知識(shí)與技能。對(duì)于單片機(jī)而言，是一種數(shù)字電子芯片，具有高度集成的特點(diǎn)。所涉及的知識(shí)要素內(nèi)容較為復(fù)雜，包括計(jì)算機(jī)理論和數(shù)字電路等。與此同時(shí)，單片機(jī)具有的軟件和硬件設(shè)計(jì)形態(tài)具有較高復(fù)雜性和多樣化特點(diǎn)，極其重視理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。由于受到技術(shù)手段的影響，導(dǎo)致傳統(tǒng)高職單片機(jī)教學(xué)模式較為單一，具有的抽象性較高，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的程式化色彩濃重，對(duì)于高職學(xué)生而言，在學(xué)習(xí)和掌握單片機(jī)相關(guān)知識(shí)和技能的過程中具有的枯燥性和難度較高。

1.2 教學(xué)具有一定局限性

在高職教學(xué)過程中，往往存在一定局限性。在單片機(jī)教學(xué)中，課程內(nèi)容主要包括了單片機(jī)的具體構(gòu)造、內(nèi)存大小、開關(guān)接口、中斷以及串行通信接口以及計(jì)數(shù)器等相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容。這些知識(shí)所教學(xué)的對(duì)象是高職學(xué)生，倘若沒有一個(gè)科學(xué)合理的教學(xué)手段與引導(dǎo)技巧，那么高職生對(duì)于上述內(nèi)容的了解與掌握是相對(duì)困難的。高職生往往動(dòng)手實(shí)踐能力較強(qiáng)，但是對(duì)一些理論性的知識(shí)內(nèi)容往往掌握的不夠充分，學(xué)習(xí)能力稍顯薄弱。而在這個(gè)基礎(chǔ)上再使用單一性的教學(xué)手段對(duì)高職生展開教學(xué)往往是達(dá)不到應(yīng)有的教學(xué)效果的。高職傳統(tǒng)式教學(xué)方法往往是利用理論講解與實(shí)踐實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的形式進(jìn)行教學(xué)。在理論講解部分一般高職教師只利用多媒體課件走馬觀花式的對(duì)單片機(jī)的概念與構(gòu)造進(jìn)行講解，這種教學(xué)形式并不能讓高職學(xué)生切實(shí)完整的了解與掌握單片機(jī)內(nèi)部的運(yùn)轉(zhuǎn)流程以及各個(gè)接口信號(hào)的動(dòng)態(tài)過程中，對(duì)相應(yīng)產(chǎn)生的關(guān)系也較為模糊。這就使得在實(shí)際過程中只能通過簡(jiǎn)單的課堂演示進(jìn)行講解，讓高職生不明所以，無法理解單片機(jī)的實(shí)際內(nèi)涵。

1.3 實(shí)驗(yàn)具有相應(yīng)的限制

在高職院校以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置較為簡(jiǎn)單，一般來說只有試驗(yàn)箱以及開發(fā)板。單片機(jī)試驗(yàn)箱的功能較多，且具有多種單片機(jī)典型的功能，對(duì)一般的教學(xué)內(nèi)容來說所能夠予以滿足。但是單片機(jī)試驗(yàn)箱的體積相對(duì)較大，且線路較為凌亂，缺乏穩(wěn)定性。在后續(xù)的使用中常常因?yàn)椴环奖憔S護(hù)導(dǎo)致出現(xiàn)問題，且因?yàn)轶w積問題不能隨意進(jìn)行移動(dòng)。所能進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為固定，無法滿足學(xué)生多元化的學(xué)習(xí)需求。且壽命較短，投入成本較大。另一種實(shí)驗(yàn)設(shè)備單片機(jī)的特點(diǎn)則是，接口較少，而且功能不全面，不能滿足學(xué)生的多元化學(xué)習(xí)需求。但是單片機(jī)開發(fā)板也具有一定的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)板的體積較小，能夠隨意的移動(dòng)，投入成本較低。值得注意的是，這種實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般高職院校不會(huì)進(jìn)行購(gòu)置，一般是由學(xué)生自行購(gòu)買供自己進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的。它的壽命相較于單片機(jī)試驗(yàn)箱更短，只有大約一到兩年左右，但是成本低廉只需要幾百元就能購(gòu)置一臺(tái)。

2 在高職單片機(jī)教學(xué)中虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的有效應(yīng)用途徑

2.1 結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的特征對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合

教師要結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)軟件具有的特征，將單片機(jī)細(xì)節(jié)過多的內(nèi)容以及理論性內(nèi)容進(jìn)行有效整合和精簡(jiǎn)，確保構(gòu)建的基礎(chǔ)知識(shí)單元以典型功能模塊為主，使學(xué)生能夠?qū)⒂行д莆展δ苣K外部特征和組合應(yīng)用作為學(xué)習(xí)重點(diǎn)。這種重外弱內(nèi)的教學(xué)模式，不僅能夠使傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)在進(jìn)行地址空間、寄存器、指令系統(tǒng)等理論知識(shí)時(shí)講解時(shí)具有的枯燥性和抽象性問題得到有效解決，而且還能使單片機(jī)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)具有的難度大幅度降低。這不僅對(duì)于高職階段的學(xué)生而言比較容易接受，而且對(duì)項(xiàng)目化教學(xué)模式的有效開展提供了積極幫助。

2.2 開展Proteus 教學(xué)

Proteus 具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能；實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE 電路仿真相結(jié)合；支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真；提供軟件調(diào)試功能。因此教師在對(duì)學(xué)生進(jìn)行單片機(jī)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)講解的過程中，可以將虛擬實(shí)驗(yàn)軟件作為實(shí)驗(yàn)工具，結(jié)合具體教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、同步的演示，從而將單片機(jī)程序的運(yùn)行步驟以及多元化接口具有的信號(hào)傳遞和信號(hào)變化充分呈現(xiàn)出來。對(duì)于單片機(jī)的內(nèi)部運(yùn)行程序而言，具有較快的速度，很難通過傳統(tǒng)教學(xué)方式將單片機(jī)內(nèi)部程序的運(yùn)行過程以及和外在結(jié)果之間具有的實(shí)際聯(lián)系清楚表達(dá)出來。通過開展仿真軟件教學(xué)，不僅能夠使教師所掌握的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過程更加生動(dòng)直觀、靈活方便，而且相關(guān)知識(shí)點(diǎn)也能夠被學(xué)生更加充分的理解[1]。

2.3 開展Protel 教學(xué)

Protel 是一個(gè)功能強(qiáng)大的印制電路板設(shè)計(jì)編輯器，具有非常專業(yè)的交互式布線及元件布局的特點(diǎn)，用于印制電路板（PCB）的設(shè)計(jì)并最終產(chǎn)生PCB 文件，直接關(guān)系到印制電路板的生產(chǎn)。通過開展Protel 教學(xué)，學(xué)生可以不受時(shí)間與空間的約束，在圖書館、教室、宿舍等任何地方隨時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)。使學(xué)生Protel 相關(guān)教學(xué)資源提前充分了解，還可以點(diǎn)擊進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，按照網(wǎng)站提供的實(shí)驗(yàn)案例要求，對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有效應(yīng)用。這樣的教學(xué)方式能夠?qū)鹘y(tǒng)單片機(jī)教學(xué)過程中的時(shí)間和空間約束徹底打破，使學(xué)生將自身在學(xué)習(xí)過程中具有的主觀能動(dòng)性充分發(fā)揮出來，從而為學(xué)生創(chuàng)造能力和學(xué)習(xí)能力的提升提供幫助。與此同時(shí)，學(xué)生如果在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)過程中遇到了自身無法解決的編程調(diào)試有關(guān)的問題，可以將問題保留下來，在課堂教學(xué)中提出。這樣教師只需在課堂教學(xué)過程中解決學(xué)生存在問題的知識(shí)點(diǎn)方面即可，不僅提高了課堂教學(xué)具有的實(shí)效性，而且還能使課堂教學(xué)的針對(duì)性進(jìn)一步強(qiáng)化[2]。

3 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的構(gòu)成

隨著我國(guó)高職院校的地位越來越高，高職院校中的課程也具有相應(yīng)的重要性。在自動(dòng)化等電類專業(yè)中，單片機(jī)課程是一門極為關(guān)鍵的技術(shù)性課程，當(dāng)前高中單片機(jī)理論教學(xué)相對(duì)較為完善，但是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往由于高職院校教育經(jīng)費(fèi)的緊張，無法開展良好的實(shí)踐教學(xué)，因此自行設(shè)計(jì)單片機(jī)的教學(xué)軟件可以充分解決這個(gè)問題，還能充分環(huán)節(jié)高職院校教育經(jīng)費(fèi)緊張的壓力。首先，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件主要由多個(gè)子系統(tǒng)組成，最后將每個(gè)子系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)就組成了整個(gè)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型。但是由于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件需要結(jié)合實(shí)際情況展開教學(xué)，因此設(shè)計(jì)了兩種教學(xué)方法。對(duì)于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，將所面向的對(duì)象來進(jìn)行用戶界面的設(shè)計(jì)，最后將子系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合就成了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件。[3]

3.2 子系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)內(nèi)容

通常來說，一般單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件中一般包含了三種子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，分別是仿真編譯子系統(tǒng)、仿真運(yùn)行子系統(tǒng)以及仿真電路子系統(tǒng)。首先對(duì)仿真編譯子系統(tǒng)的內(nèi)容進(jìn)行分析，在仿真編譯子系統(tǒng)中，一般是通過將編譯程序從初始程序要產(chǎn)生目標(biāo)程序的過程中。此過程又分為若干個(gè)階段，主要負(fù)責(zé)將內(nèi)部的語(yǔ)法與詞法進(jìn)行充分分析，這種分析方法也叫做源程序分析法。但是單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件僅僅是教學(xué)軟件，因此只進(jìn)行錯(cuò)誤提示，并將編譯結(jié)果保存。其次是仿真運(yùn)行子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，這種子系統(tǒng)主要是通過對(duì)單片機(jī)所發(fā)出的指令進(jìn)行相應(yīng)的處理，一般來說是通過相應(yīng)對(duì)象中查詢所對(duì)應(yīng)的元素，然后再根據(jù)相應(yīng)指令進(jìn)行處理，以此滿足子系統(tǒng)的基本運(yùn)行。此外還存在一種設(shè)計(jì)掃描程序，可以將申請(qǐng)中斷的情況進(jìn)行查詢，在查詢到中斷情況是就可以利用指令來進(jìn)行中斷操作。最后只得一提的是這種系統(tǒng)與仿真電路子系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合時(shí)可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行子系統(tǒng)的接口。最后一種子系統(tǒng)就是仿真電路子系統(tǒng)，這種子系統(tǒng)可以為用戶提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過平臺(tái)可以仿真運(yùn)行電路系統(tǒng)。然后再通過內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)操作觀察到具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓用戶獲得與真正實(shí)驗(yàn)條件下相同的實(shí)驗(yàn)感受。[4-5]

4 結(jié)語(yǔ)

在高職單片機(jī)課程教學(xué)過程中運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，不僅能夠?qū)鹘y(tǒng)教學(xué)在器材、場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)方面所面臨的問題得到有效解決，而且還能使教學(xué)具有的靜態(tài)化缺點(diǎn)和抽象化問題得到改善。不僅是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的簡(jiǎn)化，而且還能使教學(xué)過程具有較高的生動(dòng)性和直觀性，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到全面提升，從而有效實(shí)現(xiàn)提高教學(xué)效果的目標(biāo)。