如何借助計(jì)算機(jī)虛擬仿真軟件推進(jìn)單片機(jī)理實(shí)一體化教學(xué)

郭恩來?陳永軍

摘 要：本文重點(diǎn)介紹了如何借助計(jì)算機(jī)虛擬仿真軟件推進(jìn)單片機(jī)理實(shí)一體化教學(xué)，即通過引入計(jì)算機(jī)仿真軟件構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室一體化教學(xué)平臺(tái)，實(shí)施任務(wù)驅(qū)動(dòng)下的單片機(jī)課程一體化教學(xué)，讓抽象的內(nèi)容變得生動(dòng)、靈活，有助于解決理實(shí)一體化教學(xué)中受實(shí)訓(xùn)條件限制的問題，提高教與學(xué)的效率。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)Proteus 一體化教學(xué) 虛擬實(shí)驗(yàn)室

一、單片機(jī)理實(shí)一體化教學(xué)存在的問題

學(xué)習(xí)單片機(jī)需要掌握多門相關(guān)的課程，它涉及電子技術(shù)基礎(chǔ)、Protel電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)原理、C 語言程序設(shè)計(jì)等。這些課程的教學(xué)設(shè)置在幾個(gè)不同的學(xué)期，安排時(shí)間跨度大，教學(xué)時(shí)間往往會(huì)分為兩個(gè)學(xué)期，相互之間的聯(lián)系較少，很多學(xué)生往往前學(xué)后忘，知識(shí)得不到連貫，對(duì)本門學(xué)科沒有整體的認(rèn)識(shí)，不能形成完整有序的知識(shí)系統(tǒng)，學(xué)習(xí)難以深入。

理實(shí)一體化教學(xué)方式已經(jīng)深入職業(yè)學(xué)校的課堂教學(xué)中，將有關(guān)專業(yè)設(shè)備和教學(xué)資料放在同一教室，學(xué)生在理實(shí)一體的教室里以做學(xué)結(jié)合的方式來完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，專業(yè)理論知識(shí)與實(shí)踐技能的學(xué)習(xí)有效地融為一體，使得傳統(tǒng)的以學(xué)科為中心的教學(xué)方法帶來的輕技能培養(yǎng)，重理論知識(shí)的弊端得到了改變。然而，在實(shí)際進(jìn)行一體化教學(xué)實(shí)踐時(shí)也遇到了一些問題，影響了教學(xué)效果。

1.硬件設(shè)備受制約

要開展好單片機(jī)的一體化教學(xué)，必須建立好符合教學(xué)需求的軟硬件環(huán)境。但是在實(shí)際操作中，要想建立健全的單片機(jī)教學(xué)場所需要的軟硬件投入資金比較大，而因?yàn)檎n程專業(yè)性強(qiáng)的特點(diǎn)往往收效不能立刻體現(xiàn)，因此學(xué)校是否愿意投入大量資金進(jìn)行建設(shè)是個(gè)問題。在實(shí)際教學(xué)中往往是幾個(gè)學(xué)生圍著一臺(tái)電腦和一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱，而實(shí)踐過程中出現(xiàn)的器件損耗又制約了實(shí)踐操作，致使動(dòng)手機(jī)會(huì)減少，影響教學(xué)效果。

2.教學(xué)效率受影響

做一次單片機(jī)的演示實(shí)踐需要用到比較多的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，如：仿真器、實(shí)驗(yàn)電路板、計(jì)算機(jī)等，因此，教學(xué)準(zhǔn)備就需要教師花費(fèi)比較長的時(shí)間。在教學(xué)時(shí)，為了驗(yàn)證軟件編程的效果，需要多次拔、插芯片，使得教學(xué)的效率受影響。而教學(xué)時(shí)需要用到PROTEL畫圖與制版軟件、編譯軟件、仿真軟件等多種軟件和編程器與下載器等各種硬件設(shè)備，老師在課堂教學(xué)時(shí)難免要經(jīng)常切換，因此學(xué)生在實(shí)際操作時(shí)會(huì)手忙腳亂。

3.教學(xué)內(nèi)容受限制

由于單片機(jī)一體化教室硬件設(shè)備的不可更改性約束了電路的繪制或軟件的編寫。如果更改了電路卻沒有相配備的硬件那么就無法看到演示的結(jié)果，更不利于在課堂中生成個(gè)性化的教學(xué)內(nèi)容，使得教學(xué)內(nèi)容的選擇顯得比較死板，不利于學(xué)生持久的學(xué)習(xí)與提升。

二、單片機(jī)虛擬仿真教學(xué)策略

1.以仿真軟件搭建一體化教學(xué)平臺(tái)

能否借助目前職校較為發(fā)達(dá)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建“虛擬實(shí)驗(yàn)室”，利用虛擬仿真軟件進(jìn)行全方位實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)仿真達(dá)到實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)效果呢？所謂“虛擬實(shí)驗(yàn)室”就是運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)平臺(tái)，采用信息技術(shù)軟件建立虛擬的仿真教學(xué)環(huán)境，用技術(shù)軟件在計(jì)算機(jī)中搭建出單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室上進(jìn)行單片機(jī)項(xiàng)目的教學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)。Proteus就是一款比較流行和具有良好通用性的電路分析與實(shí)物仿真軟件。Proteus具有強(qiáng)大的電子器件元件庫，可以方便快捷地繪制各種原理圖，可以對(duì)集成電路和各種器件進(jìn)行虛擬仿真，它和Keil軟件可以共同構(gòu)成基于個(gè)人PC 軟件的單片機(jī)個(gè)人虛擬實(shí)驗(yàn)室。

相比于硬件仿真設(shè)備構(gòu)建的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室，基于Proteus軟件的虛擬實(shí)驗(yàn)室可以不受資金和場地的限制，虛擬實(shí)驗(yàn)涉及的項(xiàng)目內(nèi)容可以更全面，設(shè)備的投入也減少，可以通過計(jì)算機(jī)模擬和完成整個(gè)演示實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以構(gòu)建基于Proteus軟件的個(gè)人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，根據(jù)自身學(xué)習(xí)能力進(jìn)行個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)，實(shí)訓(xùn)過程沒有傳統(tǒng)教學(xué)時(shí)硬件的損壞，不需維護(hù)。教學(xué)時(shí)編譯的程序可以馬上在虛擬的環(huán)境中看到效果，并減少了設(shè)計(jì)中的插、拔、寫等過程，具有直觀、節(jié)省成本及與實(shí)際最為接近等特點(diǎn)，因此大大提高了課堂教學(xué)的效率。

2.以項(xiàng)目模塊組建一體化教學(xué)內(nèi)容

為了更好地在PROTEUS軟件上建立實(shí)踐項(xiàng)目，我們將單片機(jī)課程的教學(xué)內(nèi)容按照由淺入深的原則進(jìn)行模塊化安排，盡量選擇較為基礎(chǔ)的教學(xué)項(xiàng)目，符合中職學(xué)生先易后難的學(xué)習(xí)特點(diǎn)。根據(jù)筆者學(xué)校學(xué)生實(shí)際情況，我們把單片機(jī)課程教學(xué)分成了三個(gè)模塊6個(gè)項(xiàng)目，并進(jìn)行了任務(wù)分解，見下表。

因?yàn)橛熊浖闹危鲜鋈蝿?wù)還可以在實(shí)際教學(xué)時(shí)根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行個(gè)性化的調(diào)整而不受硬件的限制。

3.以任務(wù)驅(qū)動(dòng)構(gòu)建一體化教學(xué)模式

（1）確定學(xué)習(xí)任務(wù)。根據(jù)項(xiàng)目模塊的安排，以工程實(shí)例引出學(xué)習(xí)任務(wù)，然后進(jìn)行任務(wù)分解，確定各任務(wù)完成的目標(biāo)。教師指導(dǎo)學(xué)生分組討論，共同對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行分析，確定工作步驟和程序。學(xué)生根據(jù)整個(gè)項(xiàng)目的知識(shí)需求，結(jié)合系統(tǒng)的電路和相關(guān)的描述找出并確定學(xué)習(xí)任務(wù)。

（2）明確學(xué)習(xí)要點(diǎn)。在具體分析項(xiàng)目，確定學(xué)習(xí)任務(wù)后，教師幫助學(xué)生明確本項(xiàng)目所涉及的單片機(jī)相關(guān)知識(shí)要點(diǎn)，幫助學(xué)生弄清項(xiàng)目工作原理；學(xué)生分組在紙上先畫出電路草圖，列出元器件表，找出知識(shí)的要點(diǎn)和技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)以及要注意的問題，以便在項(xiàng)目的進(jìn)行過程中有意識(shí)地對(duì)知識(shí)要點(diǎn)、關(guān)鍵技能進(jìn)行檢查。

（3）搭建學(xué)習(xí)平臺(tái)。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生通過分析基本確定整個(gè)系統(tǒng)硬件和軟件組成。然后進(jìn)入設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，硬件設(shè)計(jì)：學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，明確設(shè)計(jì)要求和目的，用Proteus軟件畫出硬件電路。軟件設(shè)計(jì)：在硬件電路的基礎(chǔ)上，學(xué)生逐步編程控制硬件，分別繪制流程圖并編制軟件，通過Proteus畫好的單片機(jī)加載軟件進(jìn)行仿真。

（4）測試教學(xué)項(xiàng)目。搭建好學(xué)習(xí)平臺(tái)后，學(xué)生進(jìn)行教學(xué)項(xiàng)目的測試，使用Proteus軟件進(jìn)行測試、調(diào)試，對(duì)存在的故障現(xiàn)象進(jìn)行處理，直至順利完成學(xué)習(xí)項(xiàng)目。項(xiàng)目測試以學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐為主，在教學(xué)項(xiàng)目測試時(shí)，采取小組間自測和共同測試等以學(xué)生為主體的學(xué)習(xí)方式。當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，學(xué)生就會(huì)自主找尋問題的解決方案，這樣學(xué)生既要掌握項(xiàng)目任務(wù)所需的理論知識(shí)，又需要達(dá)成最終成果的實(shí)踐方法。因此，教學(xué)項(xiàng)目檢測是一體化教學(xué)中必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

（5）評(píng)估學(xué)習(xí)成果。通過個(gè)人、小組和教師三方面對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手能力分析與評(píng)價(jià)，使學(xué)生個(gè)體對(duì)自己有一個(gè)較全面的多方位的了解，更是可以通過綜合評(píng)估發(fā)現(xiàn)個(gè)體自身的優(yōu)點(diǎn)，激發(fā)動(dòng)力挖掘潛能，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的全面發(fā)展。主要分成兩大部分：其一是教師根據(jù)設(shè)計(jì)好的項(xiàng)目評(píng)估表的具體內(nèi)容對(duì)各組學(xué)生完成的項(xiàng)目產(chǎn)品集體評(píng)估打分，是小組的共同成果。二是對(duì)每一位學(xué)生在整個(gè)項(xiàng)目教學(xué)過程中的綜合表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)估打分，是學(xué)生個(gè)體的成果。通過綜合評(píng)估發(fā)現(xiàn)個(gè)體自身的優(yōu)點(diǎn)，激發(fā)動(dòng)力挖掘潛能，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的全面發(fā)展，并且項(xiàng)目評(píng)估分在學(xué)科總成績中占一定比例，實(shí)現(xiàn)理論考核與實(shí)踐評(píng)估相結(jié)合。

三、單片機(jī)虛擬仿真教學(xué)反思

一是在教學(xué)中引入 Proteus仿真軟件構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室，利用其提供的可靠的虛擬儀器和儀表，可以構(gòu)建Proteusr的個(gè)性化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。有效幫助解決了硬件環(huán)境條件不足帶來的教學(xué)問題，是一種低投資、高性能的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，不但經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯，而且大大提高了教學(xué)效率。

二是利用仿真的形象、生動(dòng)，以及過程跟蹤、結(jié)果顯示等特性，可將過程直接反映在大屏幕上，達(dá)到師生互動(dòng)，增強(qiáng)一體化教學(xué)的效果，使學(xué)生直觀地理解軟硬件結(jié)合的思想。學(xué)生主體參與意識(shí)的增加，提高了分析、解決問題的能力及團(tuán)隊(duì)合作精神，培養(yǎng)了綜合職業(yè)能力。

三是在一體化教學(xué)模式下，每一個(gè)項(xiàng)目的完成都離不開Proteus軟件，對(duì)該軟件的學(xué)習(xí)將貫穿整個(gè)教學(xué)過程，隨著教學(xué)內(nèi)容的復(fù)雜化，對(duì)開發(fā)工具的使用也將越發(fā)深入。同時(shí)由于開放性的實(shí)踐使得教師備課時(shí)要充分考慮到各種各樣的問題，促進(jìn)教師為應(yīng)對(duì)、解決可能遇到的各種問題不斷提高。

四是在實(shí)際教學(xué)中由于虛擬實(shí)驗(yàn)室提供的可靠簡便的過程可視性，在教學(xué)中學(xué)生對(duì)硬件的操作技能訓(xùn)練如：焊接、刻板等技能的訓(xùn)練相對(duì)減少，并且在綜合應(yīng)用項(xiàng)目中，還是要使用到硬件仿真器等設(shè)備，所以還要繼續(xù)建好和完善硬件實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，以優(yōu)化軟硬件實(shí)訓(xùn)一體化教學(xué)。

總之，在一體化教學(xué)已經(jīng)被廣泛用于職業(yè)學(xué)校專業(yè)課教學(xué)的形勢下，通過信息技術(shù)的引入，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室一體化教學(xué)平臺(tái)，實(shí)施單片機(jī)課程一體化教學(xué)。在理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的單片機(jī)教學(xué)應(yīng)用中，能有效幫助解決教學(xué)中受硬件設(shè)備制約等問題的同時(shí)，也提高了課堂教學(xué)的效率，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果。

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（作者單位：溫嶺市職業(yè)中專）