基于Proteus的創(chuàng)客式教學(xué)法在單片機(jī)課程中的應(yīng)用

孫小春 孫小迎 劉林章

[摘? 要]本文對(duì)當(dāng)前單片機(jī)課程教學(xué)中存在的不足進(jìn)行了分析，提出聯(lián)合使用Proteus軟件與Keil編程軟件的教學(xué)方法，并嘗試開發(fā)了以典型項(xiàng)目為導(dǎo)向、軟硬件相結(jié)合、創(chuàng)客式模塊化結(jié)構(gòu)的單片機(jī)課程教學(xué)，實(shí)踐證明，該教學(xué)方式可以較大程度地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提升教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵字]仿真? 軟件? 硬件

基金項(xiàng)目：楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院人文社科類研究基金項(xiàng)目“基于proteus的創(chuàng)客式教學(xué)法在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用”（項(xiàng)目編號(hào)：GJ1849）;江西省教育廳2018年科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：GJJ181058）。

單片機(jī)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

單片機(jī)課程是一門實(shí)踐性和應(yīng)用性都很強(qiáng)的課程，在大部分高職院校中，它是電氣自動(dòng)化、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)等專業(yè)的核心課程。目前，我院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程教學(xué)中存在如下問(wèn)題。

1.軟硬件教學(xué)未能結(jié)合。在教學(xué)過(guò)程中，硬件和軟件分開講授，授課方式以知識(shí)為驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)際工作中難以形成系統(tǒng)化認(rèn)知，不會(huì)獨(dú)立自主地搭建一個(gè)完整的單片機(jī)系統(tǒng)。

2.學(xué)生對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)的參與度不高。學(xué)生進(jìn)行單片機(jī)實(shí)訓(xùn)或參加相關(guān)制作時(shí)，多是把教師上課講的例子直接下載到單片機(jī)上，創(chuàng)新改動(dòng)得較少。究其根本原因，主要是學(xué)生對(duì)單片機(jī)芯片及其周邊電子元器件的使用不夠熟悉。如果在最后焊接及調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，就必須重新進(jìn)行全面排查，學(xué)生難以在有限的時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量地完成相應(yīng)項(xiàng)目，部分人甚至因此而失去學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

另外，大多數(shù)高職院校的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地不能全天開放，而實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備和儀器價(jià)格又較貴，學(xué)生不可能自行購(gòu)買、使用，以致學(xué)生的實(shí)踐能力不夠強(qiáng)。

Proteus軟件

傳統(tǒng)的電子線路教學(xué)都是先學(xué)理論，再動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，將軟件教學(xué)與硬件教學(xué)分開進(jìn)行。分離的教學(xué)方式導(dǎo)致學(xué)生對(duì)電子線路的知識(shí)理解困難，缺乏想象能力，難以有效吸收所學(xué)知識(shí)，這種教學(xué)模式注定了電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)會(huì)存在一定程度的問(wèn)題[1]。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，EDA技術(shù)改變和提升了電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的條件，采用Protel、Proteus等軟件進(jìn)行電子線路設(shè)計(jì)、運(yùn)行、調(diào)試等工作，可使電子線路實(shí)驗(yàn)?zāi)茉谟?jì)算機(jī)上完成線路功能設(shè)計(jì)、性能分析、程序調(diào)試、整機(jī)測(cè)試等步驟，電子線路實(shí)驗(yàn)不再受設(shè)備、場(chǎng)地、資金等條件的限制，與實(shí)際硬件線路實(shí)驗(yàn)相比，電子線路實(shí)驗(yàn)軟件的使用更有利于開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

英國(guó)Labcenter Electronics公司開發(fā)的Proteus仿真軟件在電子線路仿真軟件中首屈一指，它集電子電路設(shè)計(jì)、電路仿真與分析、程序調(diào)試、PCB設(shè)計(jì)于一體，可以對(duì)“電子技術(shù)”“電工原理”“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”等課程所涉及的電子電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真[3-6]，各類電子設(shè)備元件模型會(huì)在仿真過(guò)程中實(shí)現(xiàn)規(guī)定的響應(yīng)，并能實(shí)時(shí)顯示仿真的結(jié)果。

將Proteus軟件安裝到計(jì)算機(jī)后，會(huì)有ISIS和ARES兩個(gè)軟件，ISIS能設(shè)計(jì)繪制電路圖及仿真，ARES可進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。單片機(jī)課程使用的正是ISIS軟件，利用它把電子線路設(shè)計(jì)出來(lái)，然后用VSM虛擬仿真模式進(jìn)行仿真，通過(guò)調(diào)用VSM動(dòng)態(tài)器件庫(kù)可以非常清晰地看到被仿真電子線路各個(gè)參數(shù)的狀態(tài)。在教學(xué)中用Proteus軟件進(jìn)行電路仿真輔助教學(xué)，可以使實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程生動(dòng)有趣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較直觀，學(xué)生對(duì)電路設(shè)計(jì)、元器件功能及電路原理的理解更深刻、更易懂，能實(shí)現(xiàn)事半功倍的教學(xué)效果。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)設(shè)計(jì)文件建好之后，先把項(xiàng)目所涉及的元器件放置好，再通過(guò)布線將其連接起來(lái)，這樣就形成了一張完整的電路原理圖。這時(shí)，就可以點(diǎn)擊“開始仿真”按鍵進(jìn)行仿真，形成電路原理圖，如需制作PCB板，則要生成網(wǎng)絡(luò)表文件，最后對(duì)整個(gè)原理圖進(jìn)行電氣規(guī)則檢查，并根據(jù)檢查報(bào)告不斷修改原理圖直至檢查通過(guò)。

Proteus軟件在單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

單片機(jī)課程的電子線路實(shí)驗(yàn)不同于“電子技術(shù)”“電工原理”等課程的實(shí)驗(yàn)，它不僅包含硬件電路設(shè)計(jì)，還包括單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)，且需將軟硬件相結(jié)合才能完成一個(gè)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。傳統(tǒng)的單片機(jī)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要在兩節(jié)課的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)完成軟硬件設(shè)計(jì)任務(wù)，這樣的教學(xué)方式使得學(xué)生難以順利完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，久而久之便會(huì)失去學(xué)習(xí)興趣，甚至出現(xiàn)了抄襲他人程序應(yīng)付了事的情況[3]。而用Proteus軟件構(gòu)建單片機(jī)課程的電子線路實(shí)驗(yàn)，可以順利進(jìn)行電路仿真功能，使Proteus軟件與Keil編程軟件聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)CPU的軟硬件調(diào)試，學(xué)生在計(jì)算機(jī)上就能完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的功能效果驗(yàn)證，不僅提高了教學(xué)效率，還降低了教學(xué)成本。

以基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集、顯示實(shí)驗(yàn)為例，簡(jiǎn)述Proteus和Keil軟件聯(lián)調(diào)進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)的方法[2]。基于單片機(jī)的LED顯示實(shí)驗(yàn)線路主要由單片機(jī)芯片、時(shí)鐘、復(fù)位電路，以及LED顯示數(shù)碼管和一些外圍線路構(gòu)成，用以實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的采集和顯示。只要設(shè)計(jì)的電路圖搭好硬件電路，就可以通過(guò)Keil軟件進(jìn)行程序代碼的編寫;程序編譯成功后，生成HEX文件，將其加載到Proteus中的單片機(jī)里，并將Keil軟件的Debug狀態(tài)設(shè)置為Proteus VSM Simulator，點(diǎn)擊“全速運(yùn)行”;在Proteus軟件中點(diǎn)擊“仿真運(yùn)行”按鈕，這樣就能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軟件基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集、顯示實(shí)驗(yàn)線路聯(lián)合調(diào)試。在調(diào)試過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)功能有誤，可以隨時(shí)修改程序，將其重新編譯后再次加載運(yùn)行。Proteus與Keil聯(lián)合使用，可以在沒(méi)有制作具體電路板的情況下完成一個(gè)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、調(diào)試和結(jié)果驗(yàn)證，能充分激發(fā)學(xué)生參與單片機(jī)課程實(shí)踐的熱情。

創(chuàng)客教育在單片機(jī)課程教學(xué)中的應(yīng)用

創(chuàng)客教育秉承“開放創(chuàng)新、探究體驗(yàn)”的教育理念，以“在創(chuàng)造中學(xué)”為主要學(xué)習(xí)方式，與單片機(jī)課程教學(xué)的要求一致，將其引入教學(xué)能促進(jìn)單片機(jī)課程教學(xué)改革。

為了改進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)中軟硬件分離講授、學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的弊端，我院嘗試開發(fā)了以典型項(xiàng)目為導(dǎo)向、軟硬件相結(jié)合、創(chuàng)客式模塊化結(jié)構(gòu)的單片機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容，實(shí)踐證明，該教學(xué)內(nèi)容深受學(xué)生歡迎。創(chuàng)客式教學(xué)內(nèi)容的開發(fā)、設(shè)計(jì)具體分為以下4個(gè)步驟。

1.把單片機(jī)課程的教學(xué)內(nèi)容細(xì)分成知識(shí)點(diǎn)。

2.為單片機(jī)課程的各知識(shí)點(diǎn)確定基礎(chǔ)任務(wù)。設(shè)計(jì)基礎(chǔ)任務(wù)時(shí)應(yīng)以學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)為教學(xué)目標(biāo)，選擇與實(shí)際工程接近的、難度適宜且學(xué)生感興趣的小型應(yīng)用項(xiàng)目;引導(dǎo)學(xué)生使用常用的元器件，讓他們?cè)趯?shí)踐過(guò)程中學(xué)習(xí)相關(guān)元器件、簡(jiǎn)單的硬件電路設(shè)計(jì)及簡(jiǎn)易的軟件編程等。學(xué)生帶著問(wèn)題進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)，能大大提高其學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

3.開展不同的創(chuàng)客主題任務(wù)。當(dāng)學(xué)生完成單片機(jī)課程的基礎(chǔ)任務(wù)后，就可以引導(dǎo)他們開展不同主題的創(chuàng)客任務(wù)。設(shè)計(jì)創(chuàng)客主題時(shí)，應(yīng)以讓學(xué)生能靈活應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)為目標(biāo)，并注重對(duì)知識(shí)點(diǎn)的綜合運(yùn)用。創(chuàng)客主題任務(wù)的形式主要有設(shè)計(jì)型、綜合應(yīng)用型、探究型等，都是對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的拓展。單片機(jī)課程主題的設(shè)計(jì)要從不同角度或者更深層次去加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握和運(yùn)用，促使學(xué)生內(nèi)化知識(shí)。創(chuàng)客主題任務(wù)的完成過(guò)程和基礎(chǔ)任務(wù)的過(guò)程基本相同。

4.結(jié)合主題開展實(shí)踐。教師可在學(xué)生完成創(chuàng)客主題任務(wù)的基礎(chǔ)上鼓勵(lì)他們結(jié)合創(chuàng)客主題及生活進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)客小制作的實(shí)踐，這一步驟的目標(biāo)是為加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。該過(guò)程由學(xué)生自行選題，自行進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)、軟件程序的編寫及軟硬件的聯(lián)合調(diào)試，教師作為引導(dǎo)者，可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)給他們提供一些建議和幫助。

結(jié)? 語(yǔ)

在單片機(jī)課程教學(xué)中采用Proteus仿真軟件，能使理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，大大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力、實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新能力，同時(shí)，對(duì)于學(xué)生理解單片機(jī)硬件電路原理與軟件設(shè)計(jì)也有很大幫助，有效解決了單片機(jī)學(xué)習(xí)過(guò)程中理論與實(shí)踐脫離、學(xué)生動(dòng)手能力不足的問(wèn)題。與實(shí)際工程接近的單片機(jī)項(xiàng)目有利于培養(yǎng)學(xué)生的單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)際開發(fā)能力，明顯提高了單片機(jī)教學(xué)的效率與質(zhì)量。創(chuàng)客教育理念的理論分析和實(shí)踐應(yīng)用能進(jìn)一步完善教學(xué)內(nèi)容;與實(shí)際工程接近的案例提升了教學(xué)內(nèi)容的實(shí)用性，便于學(xué)生主動(dòng)運(yùn)用相關(guān)理論知識(shí)，使其能學(xué)以致用，有助于培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)。另外，單片機(jī)課程的創(chuàng)客式教學(xué)法還為推動(dòng)其他課程的教學(xué)改革提供了理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳樂(lè)堅(jiān)、盧旭錦：《Proteus軟件在高職院校電子線路實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究》，《科教文匯》2018年第25期，第93-98頁(yè)。

[2]金國(guó)華、翟朝霞、周麗娜 等：《Proteus和Keil軟件在單片機(jī)理論與實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用》，《中國(guó)現(xiàn)代教育裝備》2017年第259卷第2期，第43-45頁(yè)。

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[4]侯向鋒、周兆豐：《Proteus在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用》，《湖北師范學(xué)院學(xué)報(bào)》（自然科學(xué)版）2012年第32卷第4期，第114-118頁(yè)。

[5]楊晶晶、劉延飛、慕曉剛 等：《仿真軟件在“數(shù)字電子技術(shù)”課程教學(xué)中的應(yīng)用》，《現(xiàn)代電子技術(shù)》2013年第36卷第20期，第45-46、50頁(yè)。

[6]胡中玉、岳強(qiáng)、任杰 等：《基于Proteus仿真的電工電子課程教學(xué)創(chuàng)新》，《實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理》2016年第33卷第4期，第128-130頁(yè)。

作者單位：孫小春? 劉林章 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院? 陜西楊凌

孫小迎? 南昌工學(xué)院? 江西南昌