基于虛擬仿真平臺(tái)的“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

郭 慶

(遼寧省交通高等專科學(xué)校 機(jī)械電子工程系,遼寧 沈陽(yáng) 110122)

0 引言

對(duì)全球而言,2020庚子年注定是一個(gè)被載入史冊(cè)的特殊之年。面對(duì)突如其來的新冠肺炎疫情,各高職院校積極響應(yīng)教育部的號(hào)召,開展“停課不停教、停課不停學(xué)”的在線教學(xué),保證了疫情防控期間的教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)質(zhì)量。在線教學(xué)不僅打破了傳統(tǒng)線下教學(xué)的時(shí)空限制,同時(shí)也改變了教師的傳統(tǒng)教學(xué)觀念?！皢纹瑱C(jī)應(yīng)用技術(shù)”在線課程的順利開展,不僅突顯了虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的重要性,也為今后的課程改革提供了新思路。

1 “單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程教學(xué)現(xiàn)狀

“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”是一門實(shí)踐性、綜合性和應(yīng)用性很強(qiáng)的課程,其主要教學(xué)模式是“先理論,后實(shí)驗(yàn)”,這種教學(xué)模式注定了在理論和實(shí)踐兩個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)都存在一些不同程度的問題。

(1)理論教學(xué)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)對(duì)原理性知識(shí)的理解和掌握,教師通過PPT課件和板書講解單片機(jī)的片內(nèi)資源、IO接口電路和C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)等內(nèi)容,涉及很多較抽象的理論知識(shí),學(xué)生感覺如同讀“天書”一般,很難理解,逐漸喪失了學(xué)習(xí)的興趣和信心。

(2)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)分開進(jìn)行,導(dǎo)致教學(xué)環(huán)節(jié)上存在脫節(jié)。學(xué)生在上完幾次理論課之后才做實(shí)驗(yàn),基本上已經(jīng)忘記前面學(xué)過的理論知識(shí),導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)踐操作時(shí)又無從下手。而實(shí)驗(yàn)箱的自身成本過高,學(xué)校采購(gòu)的實(shí)驗(yàn)箱數(shù)量有限,仍存在多名同學(xué)使用同一臺(tái)實(shí)驗(yàn)箱的情況。又由于時(shí)間和場(chǎng)地等問題,學(xué)生課后難得有機(jī)會(huì)動(dòng)手實(shí)踐。因此實(shí)驗(yàn)效果不佳,學(xué)生的編程設(shè)計(jì)能力很難得到訓(xùn)練與提高。

(3)大多數(shù)職業(yè)院校采用的是廠家生產(chǎn)的成品實(shí)驗(yàn)箱,其電路的走線、整體規(guī)劃布局已經(jīng)完成,學(xué)生很難參與其中的電路設(shè)計(jì)。同時(shí),由于受學(xué)時(shí)等客觀因素的限制,開設(shè)的實(shí)驗(yàn)也是以驗(yàn)證性為主,缺乏設(shè)計(jì)性、綜合性和創(chuàng)新性。實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生只是按照老師演示操作步驟和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書完成原理知識(shí)的驗(yàn)證,經(jīng)常還會(huì)出現(xiàn)元器件損壞、線路連接不良等問題,導(dǎo)致學(xué)生無法順利完成實(shí)驗(yàn),這就嚴(yán)重制約了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新能力[1]。

(4)目前市面上單片機(jī)的種類繁多,技術(shù)更新和發(fā)展迅速,學(xué)校即使采用了現(xiàn)階段頂級(jí)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱,其有限的資源也始終無法跟上技術(shù)發(fā)展的步伐,單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新?lián)Q代問題也將成為學(xué)校資金重復(fù)投入的一大問題。

針對(duì)上述問題,結(jié)合“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程特點(diǎn),利用Proteus和Keil軟件搭建的虛擬仿真平臺(tái)輔助理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)。教師也可以利用單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展教學(xué)改革,改進(jìn)傳統(tǒng)的單片機(jī)授課模式,激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

2 Proteus虛擬仿真平臺(tái)在單片機(jī)理論教學(xué)中的應(yīng)用

Proteus仿真軟件是一款非常優(yōu)秀的EDA工具軟件,也是單片機(jī)課堂教學(xué)的先進(jìn)助手。由于Proteus提供了實(shí)驗(yàn)室無法比擬的大量元器件庫(kù),提供了修改電路設(shè)計(jì)的靈活性,提供了實(shí)驗(yàn)室在數(shù)量、質(zhì)量上難以比擬的虛擬儀器、儀表,所以它的元器件、連接線路等可以和傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)硬件高度對(duì)應(yīng),在相當(dāng)程度上它可以替代傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室。該軟件在新冠疫情期間的線上教學(xué)和返校后的線下理論教學(xué)中的應(yīng)用,對(duì)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐起到很好的輔助作用。

近兩年,隨著新冠疫情的反復(fù)變化,Protues+Keil虛擬仿真平臺(tái)在單片機(jī)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中逐漸受到關(guān)注。使用者只需在計(jì)算機(jī)中安裝Proteus與Keil軟件,并稍做簡(jiǎn)單的設(shè)置,即可完成虛擬仿真平臺(tái)的搭建。但大多數(shù)學(xué)校只是在實(shí)驗(yàn)課上引入虛擬仿真平臺(tái),先將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目仿真實(shí)現(xiàn)后,利用開發(fā)板或?qū)嶒?yàn)箱進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施。這種方式并沒有解決理論知識(shí)和實(shí)踐操作須脫節(jié)的問題[2]。

因此,本專業(yè)將“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課程做如下調(diào)整:在線上的教學(xué)過程中,只要學(xué)生有電腦就可以完成仿真操作,解決了沒有單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱的學(xué)生無法實(shí)踐操作的問題。在線下的教學(xué)過程中,將單片機(jī)課程的理論教學(xué)場(chǎng)所從多媒體教室調(diào)整到計(jì)算機(jī)機(jī)房。在理論課程教學(xué)中深入分析單片機(jī)課程的理論知識(shí)點(diǎn)和基礎(chǔ)技能點(diǎn),選取合適的模塊項(xiàng)目,精心設(shè)計(jì)一些典型的并且與外設(shè)功能相匹配的教學(xué)案例,從簡(jiǎn)單到復(fù)雜,層層遞進(jìn)、逐步深入。在理論課上學(xué)生每完成一個(gè)案例模塊就像玩闖關(guān)游戲一樣,大大地提升了學(xué)生的成就感。

在Proteus虛擬仿真平臺(tái)中,學(xué)生可以根據(jù)電路原理圖的設(shè)計(jì)和程序代碼編寫過程中出現(xiàn)的問題,按需更改電路原理圖和程序代碼,也可以借助示波器、邏輯分析儀等虛擬儀器對(duì)程序執(zhí)行的過程和演示結(jié)果進(jìn)行觀察分析,使抽象難懂的理論知識(shí)變得形象化、具體化[3]。

3 教學(xué)實(shí)例設(shè)計(jì)

下面以模擬汽車左右轉(zhuǎn)向燈控制應(yīng)用為例,介紹采用Protues+Keil虛擬仿真平臺(tái)完成單片機(jī)虛擬仿真的詳細(xì)過程[4,5]。

3.1 設(shè)計(jì)要求

采用Protues仿真軟件模擬一個(gè)汽車左右轉(zhuǎn)向燈的控制系統(tǒng)。在課上播放汽車轉(zhuǎn)向燈的真實(shí)工作視頻,分析轉(zhuǎn)向燈工作要點(diǎn),歸納總結(jié)電路的組成,為硬件電路設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

在單片機(jī)最小系統(tǒng)電路的基礎(chǔ)上,再采用單片機(jī)的P0,P1,P2或P3任意兩個(gè)IO端口分別與LED和開關(guān)電路相連就完成硬件電路的設(shè)計(jì)。打開Proteus軟件,在豐富的電子元件庫(kù)中,通過關(guān)鍵字查詢添加相應(yīng)的電子元件并進(jìn)行連接,繪制硬件電路圖。Proteus仿真軟件搭建的電路原理圖能讓學(xué)生形象直觀地理解電路的硬件組成。

3.3 C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)

分析汽車轉(zhuǎn)向燈顯示狀態(tài)、P3口引腳狀態(tài)和駕駛員發(fā)出的命令三者的關(guān)系,如表1所示。

表1 汽車轉(zhuǎn)向燈顯示狀態(tài)、P3口引腳狀態(tài)和駕駛員發(fā)出的命令

P3.0引腳的狀態(tài)與左轉(zhuǎn)燈D1的亮滅狀態(tài)相對(duì)應(yīng),當(dāng)P3.0引腳的狀態(tài)為1時(shí),左轉(zhuǎn)燈D1熄滅;當(dāng)P3.0引腳的狀態(tài)為0時(shí),左轉(zhuǎn)燈D1閃爍。同樣P3.1引腳的狀態(tài)與右轉(zhuǎn)燈D2的亮滅狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。

在Keil軟件中輸入C語(yǔ)言源程序代碼,進(jìn)行編譯、調(diào)試,最終生成單片機(jī)可以執(zhí)行的HEX文件。C語(yǔ)言程序代碼如圖1所示。

圖1 C語(yǔ)言程序代碼

3.4 仿真調(diào)試

打開Proteus軟件,雙擊電路原理圖中的AT89C51單片機(jī),加載可執(zhí)行的HEX文件,點(diǎn)擊仿真按鈕中的play運(yùn)行按鈕,撥動(dòng)開關(guān)SW1和SW2即可模擬駕駛員發(fā)出左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)命令。通過仿真效果展示即可判斷系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)得是否正確。仿真效果如圖2所示。

圖2 硬件電路及仿真效果

4 結(jié)語(yǔ)

基于Proteus+Keil軟件的單片機(jī)虛擬仿真平臺(tái)在“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”理論教學(xué)環(huán)節(jié)的應(yīng)用,使抽象知識(shí)形象化、具體化,化解了教學(xué)難點(diǎn),有助于學(xué)生高效地掌握課堂所學(xué)理論知識(shí),鞏固加深理論知識(shí)的記憶,縮短從理論知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用的過程,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。在后期的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)和全國(guó)職業(yè)院校技能大賽中,發(fā)揮了非常好的輔助作用。