基于虛擬仿真平臺(tái)的單片機(jī)課程教學(xué)的思考

陳海衛(wèi) 盛衛(wèi)鋒 化春鍵 寧萌 宿磊

摘要：本文闡述了目前我校單片機(jī)教學(xué)過(guò)程現(xiàn)狀，并介紹了單片機(jī)教學(xué)改革與教學(xué)模式發(fā)展情況，進(jìn)而思考總結(jié)了基于Proteus與Keil的虛擬仿真平臺(tái)給傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程帶來(lái)的機(jī)遇，為后續(xù)單片機(jī)課程教學(xué)改革的開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真平臺(tái)；單片機(jī)；教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）02-0226-02

單片機(jī)（或稱微機(jī)原理與應(yīng)用、微機(jī)原理與接口技術(shù)）課程是機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)本科生關(guān)于“電”學(xué)知識(shí)的專(zhuān)業(yè)核心課程之一，其以計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)和電工電子類(lèi)課程為前提，也是眾多后繼課程如機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因而，該課程在機(jī)電類(lèi)課程體系中占有重要位置，是培養(yǎng)本科生機(jī)電實(shí)踐與創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的關(guān)鍵一環(huán)。本文結(jié)合目前我校單片機(jī)教學(xué)過(guò)程的現(xiàn)狀及單片機(jī)教學(xué)模式發(fā)展的最新情況，闡述了基于虛擬仿真平臺(tái)的單片機(jī)課程教學(xué)過(guò)程所具有的優(yōu)勢(shì)，對(duì)相關(guān)教學(xué)手段與方法的改革提供參考依據(jù)。

一、單片機(jī)教學(xué)過(guò)程現(xiàn)狀

我校單片機(jī)課程多采用“課堂+實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)方式。目前，課堂教學(xué)主要以多媒體形式為主，將教學(xué)內(nèi)容制作成幻燈片，進(jìn)而采用演示教學(xué)法進(jìn)行知識(shí)的傳授。這種方式較傳統(tǒng)的板書(shū)教學(xué)有很大進(jìn)步，在一定程度上降低了課程的抽象度，有利于學(xué)生理解與接受相關(guān)課程內(nèi)容。但單片機(jī)課程應(yīng)用性很強(qiáng)，且更加注重學(xué)生自主實(shí)踐與創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，而在這種“灌輸式”的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生始終處于被動(dòng)接受狀態(tài)，難以對(duì)課程具體內(nèi)容有切身理解，特別是在難度較大的匯編語(yǔ)言教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生對(duì)具體教學(xué)案例的執(zhí)行過(guò)程缺乏直觀感受，普遍反映尋址方式概念抽象，匯編語(yǔ)句種類(lèi)繁雜，學(xué)習(xí)過(guò)程枯燥乏味。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，目前主要基于專(zhuān)用的實(shí)驗(yàn)箱。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，用導(dǎo)線進(jìn)行連接，進(jìn)而將程序下載到實(shí)驗(yàn)箱開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。不可否認(rèn)，多數(shù)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部資源豐富，通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的實(shí)踐能力可在一定程度上得到提高。但為了兼容更多模塊，多數(shù)實(shí)驗(yàn)箱采用三總線的擴(kuò)展方式，其內(nèi)部電路并不公開(kāi)，或即使公開(kāi)，其電路結(jié)構(gòu)對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)也較難掌握。因而在開(kāi)展類(lèi)似實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生往往了解到的只是一個(gè)外部地址，至于這個(gè)地址的含義如何，具體過(guò)程又如何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，卻缺乏相應(yīng)的了解。學(xué)生普遍反映該類(lèi)實(shí)驗(yàn)概念抽象，這對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)極為不利。

隨著工程認(rèn)證與“雙一流”學(xué)科建設(shè)的進(jìn)行，機(jī)電類(lèi)課程體系不斷調(diào)整，單片機(jī)課時(shí)數(shù)不斷壓縮，如何在有限課時(shí)下，保證學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)質(zhì)量，成為了目前擺在單片機(jī)教學(xué)過(guò)程中的一大挑戰(zhàn)。

二、單片機(jī)教學(xué)改革與教學(xué)模式的發(fā)展情況

為解決現(xiàn)有教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，針對(duì)單片機(jī)課程的教學(xué)改革不斷進(jìn)行。唐煒等[1]探索了“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”教學(xué)模式在單片機(jī)課程中的應(yīng)用。采用項(xiàng)目小組形式，通過(guò)團(tuán)隊(duì)成員通力協(xié)作，最終形成一套完整的項(xiàng)目成果。這種方式將實(shí)際項(xiàng)目導(dǎo)入教學(xué)主線，在一定程度上提升了學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)與能力。吳定會(huì)等[2]從理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)和考核模式等3個(gè)方面對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行了改革研究探索。理論教學(xué)過(guò)程通過(guò)實(shí)物展示以及啟發(fā)式、交互式、開(kāi)放式等教學(xué)法培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；實(shí)驗(yàn)方面，分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、研究型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)3部分，提高學(xué)生的基本操作技能，激發(fā)學(xué)生的自主性和創(chuàng)造性；考核模式方面，采用實(shí)踐與筆試相結(jié)合，動(dòng)手與答辯相結(jié)合的方式。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，基于虛擬仿真平臺(tái)的單片機(jī)課程教學(xué)與實(shí)踐模式逐漸受到關(guān)注[3，4]。平臺(tái)的搭建常采用Proteus與Keil兩者結(jié)合的方式，只需在電腦端安裝這兩款軟件，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置即可完成。目前許多高校已把其應(yīng)用于課堂實(shí)例的講解及相關(guān)實(shí)踐環(huán)節(jié)中。

三、基于虛擬仿真平臺(tái)的單片機(jī)教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)

1.可實(shí)現(xiàn)課堂實(shí)例與課后題目的實(shí)時(shí)運(yùn)行與驗(yàn)證。單片機(jī)傳統(tǒng)課堂教學(xué)案例的講解常常是“紙上談兵”，學(xué)生看不到實(shí)例的具體運(yùn)行過(guò)程與結(jié)果，難以與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)聯(lián)。虛擬仿真平臺(tái)的建立可讓學(xué)生真實(shí)感受到案例的執(zhí)行過(guò)程與結(jié)果，降低題目的抽象度，提高學(xué)生對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)知，增強(qiáng)課堂教學(xué)的生動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。此外，傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，課后作業(yè)同樣是“紙上談兵”，學(xué)生無(wú)法驗(yàn)證解題過(guò)程與結(jié)果的正確與否。這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力作用甚微。虛擬仿真平臺(tái)引入后，學(xué)生可通過(guò)軟件模擬方式調(diào)試完成課后作業(yè)任務(wù)，可真正獨(dú)立完成一些實(shí)際應(yīng)用課題，提高學(xué)生硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力與軟硬件聯(lián)調(diào)能力。

2.有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)新型單片機(jī)產(chǎn)品的適應(yīng)能力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，新型單片機(jī)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，典型的如ARM系列單片機(jī)，其具有豐富的硬件資源，也是學(xué)生各類(lèi)科創(chuàng)活動(dòng)中首選的控制器之一。但對(duì)沒(méi)有任何前期基礎(chǔ)的初學(xué)者而言，其上手困難。因而，如何培養(yǎng)學(xué)生快速掌握新型單片機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)的能力，適應(yīng)新型計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展潮流，成為了傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。此外，隨著課程結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，單片機(jī)理論學(xué)時(shí)不斷壓縮，如何在有限課時(shí)內(nèi)，培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的問(wèn)題日益突出。虛擬仿真平臺(tái)的引入可大大緩解上述兩大問(wèn)題。目前，高級(jí)單片機(jī)如ARM系列單片機(jī)等開(kāi)發(fā)平臺(tái)多以C語(yǔ)言為基礎(chǔ)，其與Keil C軟件平臺(tái)有很大的相似與相通之處，因而通過(guò)虛擬開(kāi)發(fā)環(huán)境的鍛煉，學(xué)生學(xué)習(xí)新型單片機(jī)的基礎(chǔ)與能力會(huì)大大加強(qiáng)，可更快的融入新型單片機(jī)創(chuàng)新項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程，增強(qiáng)學(xué)生機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)的信心。此外，傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)過(guò)程主要以匯編語(yǔ)言為基礎(chǔ)，不可否認(rèn)，匯編語(yǔ)言最為貼近硬件，在特定產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中仍被采用。但對(duì)于機(jī)電類(lèi)本科生而言，其日后主要面向機(jī)電類(lèi)產(chǎn)品，項(xiàng)目要求多，開(kāi)發(fā)周期短，單純的匯編語(yǔ)言已不能勝任。傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，匯編語(yǔ)言的教學(xué)比重占到理論學(xué)時(shí)的1/3以上，學(xué)生需理解并記憶111條匯編指令，并能熟練運(yùn)用到單片機(jī)系統(tǒng)中去，這是一個(gè)很高的“門(mén)檻”，在愈來(lái)愈短的學(xué)時(shí)安排下，許多學(xué)生難以跨越，成為了單片機(jī)課程學(xué)習(xí)的攔路虎。此外，即便少數(shù)學(xué)生掌握了匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)過(guò)程，其在日常工作中應(yīng)用的機(jī)會(huì)也越來(lái)越少，從而造成理論學(xué)習(xí)與實(shí)際應(yīng)用間的脫節(jié)。而通過(guò)引入虛擬仿真平臺(tái)，在保證學(xué)生硬件知識(shí)掌握的情況下壓縮傳統(tǒng)匯編語(yǔ)言學(xué)時(shí)數(shù)，改用C51語(yǔ)言授課，由于學(xué)生本身已具備C語(yǔ)言基礎(chǔ)，其學(xué)習(xí)門(mén)檻會(huì)顯著降低，可大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)效果。

3.虛擬仿真平臺(tái)的引入，可真正實(shí)現(xiàn)單片機(jī)課程與很多先修及后繼課程的有效銜接，增強(qiáng)學(xué)生“電”學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)性。單片機(jī)課程的先修課程包括“電工電子學(xué)”與“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”等，后繼課程主要為“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”。在C語(yǔ)言課程結(jié)束后的多個(gè)學(xué)期里，學(xué)生缺乏合適的機(jī)會(huì)將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到具體機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程，造成所學(xué)知識(shí)慢慢被遺忘，待到后繼課程開(kāi)展時(shí)，由于相關(guān)知識(shí)點(diǎn)已生疏，學(xué)生感覺(jué)課程學(xué)習(xí)壓力很大。虛擬仿真平臺(tái)的引入，可將先修課程與后繼課程有效銜接。基于該平臺(tái)，學(xué)生可將“電工電子學(xué)”與“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”相關(guān)知識(shí)直接應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)先期知識(shí)的及時(shí)復(fù)習(xí)，這會(huì)大大降低學(xué)生后繼課程的學(xué)習(xí)壓力。此外，經(jīng)過(guò)這一過(guò)程的鍛煉，可實(shí)現(xiàn)C語(yǔ)言理論知識(shí)與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)的獲得感，提高學(xué)生機(jī)電系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的信心與能力。

四、結(jié)論

對(duì)于單片機(jī)這類(lèi)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的“課堂+實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)模式對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)收效不大。基于Proteus與Keil的虛擬仿真平臺(tái)，可降低教師與學(xué)生對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的依賴，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)與課后習(xí)題的實(shí)時(shí)有效驗(yàn)證，避免傳統(tǒng)教學(xué)中的“紙上談兵”現(xiàn)象，并且在單片機(jī)產(chǎn)品日新月異的形勢(shì)下，采用虛擬仿真平臺(tái)的教學(xué)模式，可使學(xué)生更快融入新型單片機(jī)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程。此外，在理論學(xué)時(shí)日益減少的情況下，虛擬仿真平臺(tái)可有效降低學(xué)生學(xué)習(xí)門(mén)檻，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。虛擬仿真平臺(tái)的引入可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)課程與先修及后繼課程的有效銜接，增強(qiáng)學(xué)生“電”學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)性，提高學(xué)生機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐煒.基于“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”的單片機(jī)類(lèi)課程實(shí)踐教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（5）：130-132，154.

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Abstract：This paper expounds the present situation of the teaching process of single-chip computer in our school，introduces the teaching reform and teaching mode of single-chip computer，and then thinks and summarizes the opportunities brought by the virtual simulation platform based on Proteus and Keil to the traditional teaching process.It lays a foundation for the development of the teaching reform of microcontroller course.

Key words：virtual simulation platform；single chip microcomputer；teaching reform