虛實結合的單片機原理及應用虛擬仿真實驗教學研究

摘 要 以新疆大學自動化專業(yè)的單片機原理及應用課程教學為例，針對教學現(xiàn)狀，對該課程的實驗教學方式進行改革，推出單片機虛擬仿真教學平臺，探討如何將虛擬仿真實驗與硬件實物驗證相結合，如何對單片機原理及應用實驗教學進行安排與資源合理構建。通過教學分析比對，本次實驗教學改革取得良好效果。

關鍵詞 單片機原理及應用；教學改革；單片機虛擬仿真教學平臺；實驗教學

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）19-00-05

1 單片機原理及應用課程實驗教學中的主

要問題

單片機原理及應用是一門綜合性、實踐性、應用性很強的課程，課程課時量雖少但課程內容復雜，且對實驗教學要求很高。在傳統(tǒng)模式教學中，該課程課堂教學還是以講授基本理論和知識點為主的平面式教學，學生始終處于單方面接收狀態(tài)，很難將課程具體內容與實物聯(lián)系起來，理論教學和實驗教學沒有有效地融合，存在脫節(jié)現(xiàn)象。學生在學習過程中普遍感覺單片機原理概念不具體，內容復雜，關鍵點難理解，很難將課程上的知識與實驗內容聯(lián)系起來，無法在大腦中形成清晰的概念模型，導致開展實踐性學習時嚴重受限，長此以往，有些學生慢慢就會失去對實踐型課程的學習熱情[1-3]。因此，傳統(tǒng)模式下的單片機原理及應用實驗教學已經(jīng)不能滿足教學需求，教學效果不明顯，主要存在以下幾方面的問題。

1.1 課時限制，驗證性實驗與綜合性實驗比例不合理

目前，單片機實驗基本都是在固化好結構的實驗箱上完成，實驗內容基本上是以驗證性或個別訓練性實驗為主。學生不用自己設計電路板，只需連幾根線就可將實驗線路搭建完成，配合簡單的程序就將實驗內容驗證。這樣導致的結果是，學生只是機械地完成實驗內容，但對使用單片機設計開發(fā)系統(tǒng)的全過程依然不了解，與工程教育專業(yè)認證的要求相差甚遠。這對于訓練學生動手能力，培養(yǎng)學生綜合應用知識的能力和創(chuàng)新能力是非常不利的。

1.2 實驗教學資源有限，無法實現(xiàn)一人一箱

在傳統(tǒng)實驗教學中，一般每個實驗小組由2～3人組成，實驗大多是配合完成，能夠真正做到獨自完成完整實驗的學生不多。而且實驗箱存放在專用實驗室中，占據(jù)大量的物理空間。由于上課班級輪次多，學生只有在規(guī)定的時間到實驗室后才能完成實驗教學內容，因此在開展實踐性學習和訓練方面受到教學資源不足的限制。

1.3 實驗操作過程無法有效評價學習成效

由于傳統(tǒng)實驗模式中無法實現(xiàn)人手一臺實驗裝置，因此無法有效評價每個學生在實驗操作過程中的表現(xiàn)，只能通過實驗報告來考核評價，這樣可能會出現(xiàn)給分不太精準的情況，甚至出現(xiàn)只重視實驗報告書寫，而忽視實驗操作的大問題，直接影響教師準確全面評價實驗教學質量。

1.4 線上線下多模態(tài)調整能力不足

如何有效應對多類突發(fā)事件，實現(xiàn)全天候全周期無障礙地實施理論教學和實踐教學，具有多情景工作模式，各情景下工作無障礙翻轉和切換，是當前亟待解決的核心問題。

鑒于以上問題，傳統(tǒng)實驗教學資源和模式已經(jīng)不能滿足對學生實踐技能培養(yǎng)的需求，要解放思想，拓展教學空間[3]。利用虛擬仿真技術構造單片機虛擬仿真教學平臺，使學生在虛擬空間中學習單片機知識，應用單片機設計創(chuàng)造，解決單片機教學中的問題，增強教學效果。

2 借助虛擬仿真實驗軟件充分激發(fā)學生學

習主動性

虛擬實驗室概念是1989年提出的[4]，核心為建模及仿真。虛擬仿真實驗以計算機為基礎，針對不同實驗的對象及要求，通過安裝在計算機中的仿真軟件進行相應電路的設計及程序的編輯工作，以達到通過軟件對實驗完成模擬仿真的目的。虛擬仿真技術擁有沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性四種特性[5]，用戶可以控制環(huán)境，對環(huán)境做出一定的改變，且環(huán)境能夠對用戶的行為給予一定的反饋，使用戶感受到所創(chuàng)建環(huán)境的真實性。

2.1 Keil軟件和Proteus軟件

Keil軟件是一種廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），主要用于8051、ARM和C166微控制器等系列的軟件開發(fā)。該軟件提供了豐富的工具和功能，包括編譯器、調試器、仿真器和宏編輯器等，能夠支持多種編程語言和標準，如C、C++、匯編語言和ANSI標準庫等。用戶可通過Keil軟件編寫相應的硬件控制程序，并及時修正編程格式等語法錯誤，支持多任務編程和面向對象編程等高級編程技術。

Proteus軟件可支持多種處理器模型，在不制作硬件實物的前提下就可以提前在計算機上模擬搭建硬件電路模型，只需載入相應程序就可以進行仿真調試，用于原理圖的布圖、調試軟件代碼、硬軟件聯(lián)合仿真等。

2.2 Keil和Proteus聯(lián)合仿真

通過Proteus軟件搭建相應電路原理圖，并根據(jù)原理圖結構接線，利用Keil軟件編寫相應的控制程序，最終通過Keil軟件進行語法檢查并編譯生成*.hex文件。將*.hex文件導入Proteus軟件所繪制的電路原理圖中并進行聯(lián)合仿真，便可得到所需實驗數(shù)據(jù)，且能直觀地觀察實驗現(xiàn)象，實現(xiàn)所做實驗的虛擬仿真。

2.3 Proteus流水燈實例

實例要求：使用AT89C51單片機的P1口控制八只發(fā)光二極管輪流點亮熄滅，要求實現(xiàn)流水燈效果[6]。八只發(fā)光二極管按照D1～D8依次點亮，然后回到D1獨亮狀態(tài)，再次依次點亮，循環(huán)往復。在線演示和讓學生進行如下實驗過程。

1）設計該實驗控制系統(tǒng)結構，并在Proteus環(huán)境下搭建仿真電路，如圖1所示。電路中，D1～D8

為共陽極二極管，分別通過限流電阻R1～R8連接于P1.0～P1.7引腳，指明一些可能出現(xiàn)的連線錯誤和注意事項。

2）對所設計的Proteus仿真電路加載*.hex文件，進行仿真。

3）和學生一起觀察實驗現(xiàn)象。

4）在Keil中講解程序編輯過程：通過分析硬

件電路，若使某一LED燈亮，剩余LED全滅，則只需

要P1口控制此LED引腳輸出高電平，其余為低電平；

當需要從左向右依次點亮時，P1口依次輸出01111

111、10111111、11011111、……、11111110。

3 借助實物硬件，實現(xiàn)虛實結合

為了更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力，課程組教師加大對實驗和實踐環(huán)節(jié)的投入，在現(xiàn)有硬件實驗條件下[7]，鼓勵學生先采用Keil和Proteus軟件仿真調試，再利用實物在面包板上搭建硬件電路，實現(xiàn)虛擬仿真與硬件設備相結合。學生在完成仿真調試后再導入實物，以保證設計功能的完好實現(xiàn)。

圖2和圖3分別是學生自行設計和制作完成的教室照明智能控制系統(tǒng)設計的虛擬仿真部分和實物硬件部分，系統(tǒng)運行良好。通過這種方式，學生感慨收獲很大，希望能多開展這方面的訓練，加強對工程應用能力的培養(yǎng)。

4 課程教學改革

4.1 推出單片機虛擬仿真教學平臺

為了促進課堂教學，課程組以虛擬仿真技術為基礎，進一步優(yōu)化、改進和完善現(xiàn)有的課程教學內容和教學方法，設計制作如圖4所示單片機虛擬仿真教學平臺，該平臺將虛擬仿真技術與課程內容緊密結合，使虛擬仿真技術貫穿整個教學環(huán)節(jié)。該教學平臺是一款基于C++ Qt的單片機虛擬仿真教學軟件，開發(fā)該平臺主要目的是為單片機原理及應用課程改革提供支持。平臺包括知識庫、教程、仿真實驗、作業(yè)和在線資源五個模塊，這些模塊集成了多個方面的單片機知識，其中涵蓋了C語言、51單片機、STM32單片機以及數(shù)據(jù)結構等知識手冊。

通過學習模塊的Keil和Proteus軟件使用教程，學生可以了解如何使用這兩種常用的單片機開發(fā)工具。同時，平臺還提供了仿真實驗功能，這使得學生可以在虛擬仿真環(huán)境中進行各種單片機實驗。此外，平臺還提供了作業(yè)模塊，學生可以通過這個模塊測試自己的學習成果。雖然該平臺與實際燒錄單片機程序還存在不同，但總體而言，該教學平臺是一個功能完善、內容豐富的單片機教學資源庫，不僅方便師生對單片機知識的學習，促進學生對單片機課程重點知識點的理解和掌握，也為單片機原理及應用課程的教學提供了有效支撐。

4.2 線上資源助力學生學習

由于時間有限，有些章節(jié)教學只能是以點帶面?？紤]到學生學習能力的差異，鼓勵學生充分利用在線開放課程、資源共享課程和開放視頻課程，為學生提供一個更開放的學習環(huán)境，學生可以通過網(wǎng)絡及電子郵件等與教師進行互動。

同時，教師也可以根據(jù)教學效果和進程，及時向學生講述該學科最新的研究成果，激發(fā)學生對該學科的學習興趣。

4.3 指導學生積極參加科創(chuàng)競賽

通過科技創(chuàng)新競賽激發(fā)學生的動手實踐能力是非常好的一種培養(yǎng)方式。學生通過學習競賽規(guī)則，找到自己的差距和不足，在不斷地反復實踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，最終使自己的作品能獲得滿意的評價。這樣不僅可以幫助他們更好地理解單片機的相關原理，還能夠培養(yǎng)他們的動手實踐能力。筆者所帶領的學生團隊在“飛思卡爾”杯智能車大賽、全國計算機設計大賽、藍橋杯大賽等多項競賽中都取得優(yōu)異成績。

4.4 成績評價機制

將OBE理念貫穿教學全過程，改變傳統(tǒng)只看重實驗報告的情況，而是依據(jù)能力培養(yǎng)指標進行實驗課程任務分解，包括虛擬仿真部分、實物硬件搭建部分以及實驗預習和實驗報告等，優(yōu)化并調整考核評價體系。

工科專業(yè)基礎實驗課要在實驗開展的全過程中通過日常的點點滴滴來引導學生積累和豐富課程內容知識點、提高動手實踐能力。評價體系由三部分組成：課前30%（考查預習+虛擬仿真）+課中40%（實驗操作和解決問題能力）+課后30%（實驗報告+體會總結）。這種評分結構旨在鼓勵學生將虛擬仿真學習與實際操作相結合，以提升他們在虛實結合環(huán)境中的實踐能力。

5 課程實踐及效果分析

課程組安排學生在推出的單片機虛擬仿真教學平臺上開展實驗，該平臺基本能夠完成單片機課程所要求的驗證性和設計性實驗。通過比對2022—2023學年仿真教學平臺預約實驗時間，仿真教學平臺實驗學時數(shù)明顯超過線下實驗時長，特別是比較難的實驗五～實驗八，其開展實驗學時數(shù)顯著增加。而在完成線上虛擬仿真實驗后，再來線下開展相關實驗內容，發(fā)現(xiàn)學生實驗效率和理解力、動手能力都得到明顯提高，學生的實驗評定成績也有明顯提升。

6 結束語

本文是在工程教育專業(yè)認證大背景下對單片機原理及應用課程實驗采取虛實結合教學模式進行探索，利用虛實結合的單片機虛擬仿真實驗教學模式，學生可通過提前開展線上學習、線上仿真驗證、線下實物實驗驗證，從多方面鞏固實驗學習效果，真正實現(xiàn)從理論到實際工程的應用。讓學生借助虛擬仿真教學平臺做好實驗預習，加強對理論的理解和掌握，再通過線下實驗進一步鞏固知識點，最終提高了學生的動手能力和學習積極性。

7 參考文獻

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[7] 程志江，閆學勤，陳星志，等.民族班“微型計算機控制技術”課程教學改革探索與實踐[J].科技與創(chuàng)新，2020（17）：87-88，91.

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.19.0

*項目來源：2023年新疆大學專創(chuàng)融合課建設項目（編號：124000012）；2023年新疆大學本科教育教學改革研究項目（編號：XJU-2023JG31）；2021年新疆大學金課建設項目（編號：XJU2021JK48）。

作者簡介：閆學勤，高級實驗師；程志江，博士，教授，碩士生導師；陳星志，實驗師；帕孜來·馬合木提，教授，碩士生導師。