基于虛擬實驗軟件的高職單片機教學改革*

李 昌，許裕華，祝常紅

（廣東科學技術職業學院，廣東珠海519090）

《單片機原理與應用》是很多高職電子信息類專業開設的核心課程，是從事電子、自動化、計算機應用、機電一體化等工作崗位的工程技術人員必須掌握的專業技術。由于單片機是一種高度集成的數字電子芯片，涉及到數字電路、計算機理論等一系列復雜的知識要素，硬件和軟件設計形態繁多，特別強調將理論和實踐緊密結合，而傳統的單片機教學模式受制于技術手段，形式單一、抽象，實驗也程式化，因此，學習和掌握單片機是比較枯燥和困難的。近年來隨著教育信息化技術的進步，出現了“虛擬實驗”技術，使得單片機虛擬仿真實驗已經成為可能，因此，我們借助先進的單片機虛擬實驗軟件，對單片機課程的教學進行了信息化改革創新。

一、傳統單片機教學和實驗的局限

1.教學上的局限

單片機課程的主要內容，包括單片機內部結構、存儲空間、I/O接口、中斷、定時/計數器、串行通信接口等很多的知識點，對于高職層次的學生，如果缺乏合適的教學方法和手段，學習單片機是很抽象、困難的過程。傳統教學采用 “課堂講授+實驗室驗證性實驗”的模式，在課堂講授部分，只能依賴PPT課件，對單片機的概念、結構、接口等內容，利用結構框圖、流程圖等進行靜態表述，不夠直觀，無法揭示單片機內部程序運行的過程和各種接口信號的動態過程及相互關系。由于缺乏合適的課堂演示設備，無法配合教學內容在課堂上及時演示，教師只能偏重理論闡述和灌輸，學生往往聽得云里霧里，收獲甚少。

2.實驗上的局限

以往的單片機實驗裝置主要有實驗箱、開發板，其性能特點如表1所示，可以看出，這類設備都存在比較明顯的缺點和局限。

表1 單片機實驗箱和開發板性能特點

二、Proteus虛擬實驗軟件

虛擬實驗是指借助于計算機仿真、虛擬現實和多媒體等信息化技術，在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種實驗項目。虛擬實驗的特點是可視化、可重復性和低成本，能實現“零”器材損耗。虛擬實驗技術已經在諸如物理、化學、生物、電子、機械等很多學科領域的課程教學中得到了廣泛應用。

近年來在單片機課程教學上，也出現了先進的虛擬仿真系統Proteus VSM，它是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件，不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件，具備原理圖設計、制板、微處理器實時動態仿真等強大功能，可以在無須消耗器件的情況下，搭建單片機系統和各種外圍接口電路，達到實驗的目的，將單片機系統的設計大大簡化，也很大程度上改善了單片機課程的教學和實驗。利用PROTEUS可視化特點，可將許多單片機實例運行的內部動態過程生動、直觀的演示出來，達到實物演示實驗難以企及的效果。

三、單片機教學信息化改革

利用Proteus虛擬實驗軟件的可視化、網絡化、可重復性和“零”器材損耗等特點，我們對單片機課程的教學進行了信息化改革創新。目的是整合教學內容，增加教學過程的生動、形象，實現教學資源的開放、共享，發揮學生的自主學習和創新能力。具體的方法是：

1.根據Proteus軟件特點整合教學內容

Proteus虛擬仿真軟件采用圖形化、模塊化的方式，把單片機的底層內部結構進行封裝，對最終用戶屏蔽，因此對用戶而言簡單、直觀、形象。硬件設計上，基本上是采用各類集成電路芯片，按標準總線式結構，連接對應的引腳搭建，程序設計上，也多以接口編程、庫函數調用為主，不需要設計復雜的算法。因此，我們依照 Proteus特點，把單片機理論性、細節性過多的內容加以簡化、整合，以典型功能模塊為基本知識單元，把教學重點放在掌握功能模塊的外部特性和組合應用上，“重外弱內”，從而避開了單片機內部指令系統、寄存器、地址空間等比較抽象、枯燥的理論內容，降低了知識難度，不僅易于高職層次的學生接受，還便于開展項目化教學，如圖1所示。

2.“動畫”教學

圖1 單片機教學內容項目化整合

圖2 Proteus網絡應用架構

教師使用Proteus作為即時實驗工具，教學的時候配合教學內容同步、動態、實時的演示，很好的呈現單片機程序的執行步驟和各種接口信號的變化、傳遞過程。單片機內部運行程序速度很快，傳統教學很難把單片機內部程序運行過程和外在結果的對應關系表述清楚，例如，在講授單片機控制多個數碼管同時顯示的動態掃描原理時，需要再現單片機程序依次操作I/O端口，產生引腳信號的變化，驅動數碼管輪流點亮顯示的過程，教師就可以使用Proteus實驗軟件，在程序中設置斷點，利用單步執行的功能，“慢動作”播放，一步一步執行，把程序執行的過程和結果以“動畫”形式演示出來，并能隨講隨停，讓教師對教學內容和過程的掌控更為靈活、生動直觀，學生也更容易理解。

3.與精品課程網站結合應用混合式學習

單片機教學信息化改革，還可以借助網絡，運用混合式學習模式，即課堂教學與課外在線學習相結合。因為單片機是一門實操性很強的課程，依賴于C語言編程工具，搭建電路、編寫、調試程序會占用很多時間，特別是項目化教學后，僅僅靠有限的課堂時間是不夠的，學生需要進行課外的學習和實操。Proteus軟件支持C/S（客戶端/服務器）網絡應用，因此，我們把Proteus服務器嵌入到精品課程網站中，應用架構見圖2。學生可以在宿舍、教室、圖書館等場合隨時隨地接入網絡，不僅可以獲取精品課程網站的教學資源，預先學習，還可進入Proteus虛擬實驗室，根據網站提供的項目案例，進行各種實驗，從而突破了傳統教學實驗的時、空限制，發揮了學生作為學習過程主體的主動性、積極性與創造性。學生在線學習實驗時遇到各種編程調試上的問題，集中到課堂教學的時候由教師輔導解決，提高了課堂教學的針對性和實效性。

四、結束語

我校利用虛擬仿真實驗軟件對單片機課程教學進行信息化改革以來，不僅有效解決了學校在經費、場地、器材等方面的困難，而且克服了傳統教學抽象、靜態的缺點，簡化了教學內容，讓教學過程生動直觀，提高了學生學習興趣，學習效果得到很大提高，在國家和省市的單片機應用技能大賽中取得了多個優異獎項。

[1]陳宜建.虛擬實驗在單片機教學中的應用[J].中國職業技術教育，2010（2）：20-21.

[2]馮剛.單片機實驗教學平臺的改革[J].計算機教育，2010（2）：144-146.

[3]許超，吳新杰，張丹.基于Proteus和Keil的單片機課程教學改革[J].遼寧大學學報(自然科學版)，2011（1）：27-29.

[4]耿銘慈.“三化”教學在單片機課程中的探索與實踐[J].中國電力教育，2011（28）：124-125.