電類專業多課程仿真的ARCS分析及綜合應用

高 林，徐 建，朱 黎

（湖北民族學院信息工程學院，湖北恩施 445000）

電類專業多課程仿真的ARCS分析及綜合應用

高 林，徐 建，朱 黎

（湖北民族學院信息工程學院，湖北恩施 445000）

用ARCS動機設計理論，從注意、切身性、自信心和滿足感這4個維度分析了電類專業多課程仿真的必要性。通過完成8086和AT89C55經由RS－232串行總線同步數字時鐘和溫度顯示這一綜合仿真應用實例，對電路原理、程序設計到仿真結果進行分析，表明在這些課程中引入Proteus仿真，確實能夠激發學生的學習動力，有助于提高學生的實踐動手能力。

多課程綜合仿真；ARCS理論；Proteus軟件

近年來，計算機仿真技術的飛速發展，并在“模擬電路”、“數字電路”、“微機原理”和“單片機原理”等課程的實驗教學中得到了廣泛的應用［1－6］。電類課程的仿真軟件非常多，其中Proteus是一款包含大量系統資源和豐富的硬件接口電路、具有強大調試功能和軟硬件相結合的仿真系統［7－8］。其強大的設計與仿真功能被廣泛應用在數字電路、模擬電路、單片機、嵌入式系統等多門課程的教學和實驗中［9］。2009年推出的VSM for 8086平臺及Proteus 7．5SP3軟件，支持8086微處理器與8255A、8253、8259A、8251A等接口芯片的系統仿真［10］。在電類專業多門課程中引入Proteus軟件進行仿真，能夠提升教學效果，激發學生的學習興趣。本文通過ARCS動機設計理論，分析仿真實驗教學是如何在電類實驗教學中發揮作用的，以使仿真實驗教學更好地服務于電類實驗教學，提高教學效果。

1 ARCS理論分析

ARCS（attention，relevance，confidence，satisfaction，即：注意、切身性、自信心、滿足感）動機設計理論是美國心理學教授凱勒提出的。該理論認為：可以從以上4個方面激發和維持學生的學習動機［11］。該理論較為系統、全面地闡述了每種動機的激發途徑和動機策略［12］。

在電類專業“模擬電路”、“數字電路”、“微機原理”和“單片機原理”等多門課程的傳統教學中存在概念抽象難懂、學生缺乏興趣、學習效果較差等問題。究其原因，主要是在課堂教學中長期側重知識單向流動、忽視學生的主觀意識和內在需要［13］。而在這4門課程中引入Proteus軟件輔助教學以后，能夠提升理論課和實驗課的教學效果，既能培養學生分析和設計各種模擬電路、數字電路和系統控制電路的能力，又培養了學生編寫和調試程序的能力。從ARCS理論的4個維度可以說明產生這種變化的原因。

（1）注意。Proteus軟件在進行各種電路和程序仿真時，具有與現實一致而且多變的效果，比單純的圖片或文字更能喚起學生的興趣和求知欲，更能引起學生的注意，進而引導他們的自主探究學習。

（2）切身性。Proteus軟件能夠用來分析和設計電路、檢驗程序的正確性，能夠幫助學生運用一門或者多門課程的知識去解決學習中的實際問題，使學生在學了相關課程后就能進行實踐，使知識掌握得更加扎實。

（3）自信心。在理論課和實驗課教學中設計一些不同難度的Proteus仿真實驗，不同知識水平的學生通過努力和適度的挑戰都能獲得成功，從而收獲自信心［14］。

（4）滿足感。Proteus軟件給學生提供了模擬真實的學習平臺，讓他們能夠充分運用課程中所學知識，得到學習成果與期望的一致，從心理上的得到滿足。另外，教師還能夠利用這一平臺檢驗學生的學習情況，對學生的努力和成果給予表揚和鼓勵，讓學生體會到成功的喜悅和滿足。

2 綜合仿真的ARCS分析實例

AT89C55單片機和8086微處理器通過RS－232串行總線同步各自的數字時鐘和溫度顯示，是一個多課程綜合應用的實例。該仿真實驗要求測溫范圍－50℃～＋110℃，誤差小于0．5℃。該實驗綜合應用了模擬電路、數字電路、微機原理和單片機原理等多門課程所學知識，具有代表性。

2．1 電路原理

該實驗電路由兩部分組成：一是以8086最小模式系統為核心的微機控制電路，二是以AT89C55為核心的單片機控制電路，其電路原理如圖1所示。

圖1 電路原理圖

8086核心電路的外圍包括5路接口電路：

第一路通過并口擴展芯片8255A連接數碼管顯示譯碼器74LS48，用以控制6個共陰極數碼管靜態顯示時間值；

第二路通過1個74LS273段碼鎖存器和1個74LS273位碼鎖存器連接數碼管顯示驅動器來控制4個共陰極數碼管動態顯示溫度值；

第三路通過串口擴展芯片8251A實現串行通信，經由RS－232總線COM3連接到單片機控制電路；

第四路分別通過計數器／定時器8253的通道1，將時鐘源產生的1．843 2MHz的時鐘信號變成153．6 kHz的方波信號送至8251A，從而使8251A串行通信波特率為9 600bit／s；通過通道2將NE555產生的36 Hz矩形波變成1Hz方波信號輸出，控制數碼管的時、分和分、秒之間的小數點每秒鐘閃亮一次；

第五路通過74LS138譯碼器產生8251A、8253、8255A和2個74LS273芯片的片選信號。

AT89C55核心芯片外圍包括6個電路模塊：（1）按鍵復位模塊能夠實現單片機上電或運行過程中的按鍵復位；（2）1602液晶顯示器模塊的第一行顯示年、月、日和星期，第二行顯示時、分、秒和溫度；（3）RS－232總線COM4模塊負責與微機控制電路進行串行通信，通信波特率為9 600bit／s；（4）溫度信號采集模塊由PT100熱敏電阻及放大電路和ADC0804電路兩部分組成，負責將PT100通過恒流源電路產生的電壓信號送入LM324運算放大器進行放大，再通過ADC0804轉換成8位二進制數送入單片機；（5）DS12C887時鐘模塊能夠與單片機交換年、月、日、星期、時、分、秒這7個時間值；（6）獨立式鍵盤包括3個按鍵，分別實現功能切換（按下第一次到第七次分別調整七個時間值，第八次完成調整）、加1和減1功能。

2．2 程序設計

8086主程序和AT89C55主函數流程如圖2所示。8086主程序在初始化相關芯片以后的控制重點是通過8251A以查詢方式順序接收來自單片機的7個數值，其中前3個是當前時間值（時、分、秒），分別從8255A的PA、PB和PC口輸出，后4個是當前溫度值（負號／百位、十位、個位、十分位），送至段碼鎖存器進行顯示。AT89C55主函數在完成初始化之后，首先讀取A／D轉換數值并進行處理，并轉換成實際溫度值，然后掃描按鍵。當功能切換鍵沒有按下時為正常工作狀態，此時讀取DS12C887時鐘芯片中7個時間值并送1602液晶顯示。將當前時間值和溫度值從串口輸出的任務由定時器T0中斷服務函數完成。

2．3 仿真結果

由于該實例電路比較復雜，所以在Proteus軟件中將電路原理圖分成微機控制電路和單片機控制電路兩部分。在Masm for Windows集成實驗環境軟件中進行匯編程序的編寫和編譯，并將生成的EXE文件裝

圖2 主程序和主函數流程圖

載到8086微處理器的內部RAM中［15］。在Keil uVision4軟件中進行單片機C51程序的編寫和編譯，并將生成的HEX文件載入到AT89C55單片機中［16］。通過虛擬串口軟件VSPD設置虛擬串口，使COM3口和COM4口虛擬對接［17］。最后分別點擊2個電路原理圖下方的運行按鈕，可以看到微機控制電路仿真結果（見圖3）和單片機控制電路仿真結果（見圖4）。

圖3 微機控制電路仿真結果圖

圖4 單片機控制電路仿真結果圖

在圖4的1602液晶顯示器中，第一行顯示“2014－07－07MON”表示從DS12C887讀取的日期是2014年7月7日星期一；第二行顯示“00：03：53－15．7℃”表示時間是00時03分53秒，溫度是－15．7℃。仿真結果表明發送方時間、溫度與接收方完全一致，即實現了同步。而且PT100自身顯示溫度是－16℃，即測溫誤差僅為0．3℃，符合誤差小于0．5℃的要求。

3 結束語

上述綜合仿真應用實例表明，在多門課程中引入Proteus軟件能提升教學效果，因為逼真的仿真效果能引起學生注意，完成電路和程序設計能使學生收獲自信，從成功的喜悅、教師和同學的好評中能得到滿足感，從而激發了學生的學習動力，提高了學生的實踐動手能力。

（References）

［1］盧孟常．Proteus仿真軟件在模擬電路教學中的應用［J］．中國科教創新導刊，2013（17）：138．

［2］陳燕，楊永雙．Proteus在電子類課程教學中的應用探討［J］．長江大學學報：自然科學版理工卷，2010，7（1）：349－351．

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［4］蔡述庭，劉銀萍，謝云，等．微機原理及單片機技術課程教學改革研究［J］．實驗科學與技術，2011，9（5）：70－72．

［5］趙晚昭，周柳娜，趙晚春，等．微機原理及單片機課程改革淺談［J］．物聯網技術，2012（7）：74－76．

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［8］周冠玲，馮占英，李戰．“單片機原理及應用”課程教學改革的探討［J］．中國電化教育，2012（6）：105－107．

［9］陳越，顧暉，梁惺彥．Proteus虛擬仿真在微機原理教學中的應用［J］．電子技術應用，2012，38（1）：106－108．

［10］楊杜，趙文進．基于Proteus仿真軟件的“微機原理與接口技術”實驗教學的研究［J］．電腦知識與技術，2012，8（36）：8730－8732．

［11］盛仲飆．ARCS理論在Photoshop教學中的應用［J］．信息技術，2011（9）：48－49，52．

［12］周效章．基于ARCS的分布式虛擬教學中的學習動機設計探究［J］．中國電化教育，2013（4）：56－59，69．

［13］孫冬梅，刁彩霞．ARCS動機設計模型及其在高校課堂中的實踐探索［J］．現代教育科學，2011（3）：141－144．

［14］楊天天．動機理論在微機原理與接口技術教學中的應用研究［J］．大學教育，2013（5）：56－58，30．

［15］李現國，張艷．Proteus仿真在微機原理及接口技術教學中的應用［J］．實驗技術與管理，2010，27（12）：125－127．

［16］高林．單片機原理與微機原理綜合仿真系統的設計及應用［J］．實驗技術與管理，2014，31（3）：91－94．

［17］曾維鵬，蔡莉莎，林爾敏．基于VC＋＋及Proteus的上、下位機串口通信仿真技術［J］．鎮江高專學報，2013，26（4）：74－76．

ARCS analysis and synthetic application of simulation in many electronic and electrical courses

Gao Lin，Xu Jian，Zhu Li
（School of Information Engineering，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China）

The necessity of simulation in many electronic and electrical courses can be analyzed from the following four aspects：attention，relevance，confidence and satisfaction by using the ARCS motivation design theory．Then an application example of comprehensive simulation to synchronize each digital clock and temperature display through RS－232serial bus between AT89C55and 8086is accomplished．The example is analyzed by circuit principles，program designs and simulation results．So it indicates that Proteus simulation in these courses indeed stimulates the students’learning motivation and is helpful to improve the practical ability and manual dexterity of the students．

synthetic simulation in many courses；ARCS theory；software Proteus

G434；TP391．9

A

1002－4956（2015）3－0144－04

2014－08－08

國家自然科學基金地區基金項目（61263030）；湖北民族學院教學研究重點項目（2014JY005）；湖北民族學院教學研究一般項目（2013JY008）；2014年恩施州第二批農業與社會發展科技指導性計劃項目

高林（1980—），男，湖北恩施，碩士，講師，主要研究方向為嵌入式技術與智能控制．

E－mail：glhust＠163．com