基于虛擬仿真軟件的項目驅(qū)動教學(xué)方法研究

張 白，周春艷，潘俊濤（北方民族大學(xué)，電氣信息工程學(xué)院，寧夏 銀川，750021）

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基于虛擬仿真軟件的項目驅(qū)動教學(xué)方法研究

張 白，周春艷，潘俊濤
（北方民族大學(xué)，電氣信息工程學(xué)院，寧夏 銀川，750021）

摘 要：分析學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)能力，結(jié)合本校應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案，提出基于虛擬仿真平臺的項目驅(qū)動教學(xué)方法，闡述該方法在智能儀器課程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：項目驅(qū)動；仿真軟件；模塊設(shè)計

0　引　言

教學(xué)改革是教學(xué)活動中的一個重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)高質(zhì)量學(xué)生的重要保證[1]。對于綜合性與應(yīng)用性強(qiáng)的工程性質(zhì)課程，例如嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程、智能儀器設(shè)計、DSP原理及應(yīng)用、單片機(jī)原理及應(yīng)用等課程，如何突破傳統(tǒng)的教學(xué)模式，使學(xué)生在興趣和探索中掌握理論知識，提升實(shí)踐技能，是相關(guān)任課教師不斷探索的課題之一。智能儀器設(shè)計課程是測控技術(shù)與儀器、電子信息工程等專業(yè)的重要專業(yè)課程，具有較強(qiáng)的綜合性與實(shí)踐性，課程內(nèi)容涉及傳感器技術(shù)、微機(jī)原理與接口技術(shù)、信號與系統(tǒng)、模擬電路與數(shù)字電路、計算機(jī)軟件技術(shù)等諸多課程，是典型的工程性質(zhì)課程[2-3]。當(dāng)前傳統(tǒng)的教學(xué)方法中，采用課堂理論教學(xué)結(jié)合實(shí)驗室進(jìn)行驗證性實(shí)驗教學(xué)模式，存在硬件電路分析較為抽象，缺少軟件設(shè)計環(huán)節(jié)，驗證性實(shí)驗不能貼切地和理論相結(jié)合等問題，造成在實(shí)際教學(xué)活動中，智能儀器課程普遍成為專業(yè)課中學(xué)生最難學(xué)懂、更難達(dá)到學(xué)以致用效果的一門課程。因此如何通過教學(xué)方式的改進(jìn)，促進(jìn)學(xué)生掌握智能儀器設(shè)計相關(guān)理論知識，提高實(shí)際應(yīng)用開發(fā)的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，成為任課教師的研究重點(diǎn)。

1　教學(xué)研究現(xiàn)狀

隨著德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略與中國制造2025戰(zhàn)略規(guī)劃的實(shí)施，智能儀器的重要性不斷凸顯。工業(yè)產(chǎn)品逐漸從自動化向智能化方向發(fā)展，對智能儀器設(shè)計開發(fā)人才的需求不斷增加，為適應(yīng)社會需求，各大高校加大了對智能儀器課程的建設(shè)，力求打造精品課程，建立優(yōu)秀教師團(tuán)隊，培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的優(yōu)秀畢業(yè)生。由于各種因素影響，教師講授的知識偏舊，社會需求的智能儀器更新?lián)Q代快，學(xué)生學(xué)習(xí)愿望強(qiáng)烈但基礎(chǔ)薄弱，教與學(xué)仍以傳統(tǒng)教學(xué)模式為主。

2　項目驅(qū)動教學(xué)法

項目驅(qū)動化教學(xué)就是以項目為載體,將課程講授的主要內(nèi)容穿插其中，注重課程理論體系的完整性,達(dá)到理論實(shí)踐一體化、傳授知識與培養(yǎng)能力一體化、“教、學(xué)、做”一體化的培養(yǎng)工程人才的教學(xué)方法，這種教學(xué)模式比較適合那些實(shí)踐性較強(qiáng)的課程[4-7]。為提高智能儀器課程的教學(xué)效果，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與能力，我們提出了綜合性項目驅(qū)動教學(xué)方法，撰寫層次分明、結(jié)構(gòu)合理的項目開發(fā)任務(wù)書，采用模塊化設(shè)計，將完整項目分解為若干獨(dú)立的子項目，在教學(xué)過程中，逐一完成子項目的講授，最終實(shí)現(xiàn)完整項目的全過程。

（1）項目的選擇與任務(wù)書的設(shè)計。大型實(shí)際工程項目的開發(fā)首先從項目開發(fā)任務(wù)書的撰寫開始，工科專業(yè)的大學(xué)生在系統(tǒng)理論學(xué)習(xí)的過程中需要不斷培養(yǎng)工程實(shí)踐開發(fā)能力，首先要具備的一個能力就是項目開發(fā)任務(wù)書的撰寫與閱讀。當(dāng)前教師在采用項目驅(qū)動教學(xué)時很少涉及項目開發(fā)任務(wù)書的撰寫與閱讀[9]。由于綜合性項目涉及內(nèi)容覆蓋智能儀器重要內(nèi)容，沒有詳細(xì)的項目開發(fā)任務(wù)書，很難將各章節(jié)涉及內(nèi)容連貫起來。因此，根據(jù)智能儀器的課程內(nèi)容以及學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣設(shè)計項目，編制項目開發(fā)任務(wù)書，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。

（2）綜合性項目設(shè)計與模塊化開發(fā)。常規(guī)的項目驅(qū)動式教學(xué)是以教學(xué)任務(wù)或?qū)嶒瀮?nèi)容為目標(biāo)，設(shè)計相應(yīng)的若干有應(yīng)用價值的項目，以理論結(jié)合實(shí)踐，實(shí)踐驗證理論的教學(xué)方式[8]。當(dāng)前項目驅(qū)動教學(xué)方法的應(yīng)用過程中，通常以教學(xué)項目的方式對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，設(shè)計的項目針對性強(qiáng)而綜合性差，項目之間的關(guān)聯(lián)性差，未涉及模塊化設(shè)計的原則。筆者針對目前項目驅(qū)動教學(xué)法存在的問題，提出了綜合性教學(xué)項目設(shè)計、模塊化開發(fā)的思路。從項目任務(wù)書的編寫與分析開始，分階段采用模塊化開發(fā)的原則，構(gòu)建具有復(fù)用性的功能模塊，以完整工程項目開發(fā)的過程鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動手能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)以致用的目標(biāo)。

（3）項目驅(qū)動實(shí)驗教學(xué)。實(shí)驗教學(xué)是鞏固理論教學(xué)的手段，是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的關(guān)鍵。在實(shí)驗教學(xué)過程中，可以首先演示項目實(shí)現(xiàn)后的效果,吸引學(xué)生的注意力；再以實(shí)驗結(jié)果反向闡述實(shí)現(xiàn)原理及過程。在講授過程中，教師強(qiáng)調(diào)模塊化設(shè)計的重要性與實(shí)現(xiàn)方法，預(yù)留出可以恰當(dāng)體現(xiàn)創(chuàng)新的接口，實(shí)現(xiàn)有交互、有創(chuàng)新的實(shí)驗過程，僅提供最小粒度的模塊，以便學(xué)生進(jìn)行模塊整合與整體程序規(guī)劃，進(jìn)而改變現(xiàn)有驗證性實(shí)驗教學(xué)現(xiàn)狀，將學(xué)生的能動性與創(chuàng)造性充分展現(xiàn)出來[7]。

3　硬件仿真軟件Proteus在智能儀器課程中的應(yīng)用

仿真教學(xué)是利用實(shí)物或電腦創(chuàng)設(shè)各種虛擬環(huán)境來模擬真實(shí)環(huán)境，并根據(jù)真實(shí)環(huán)境中實(shí)際操作情況，在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行操作、驗證、設(shè)計、運(yùn)行等的教學(xué)方式[8]。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真軟件逐漸發(fā)展壯大，以Proteus、Multisim等為代表的計算機(jī)仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工業(yè)、軍事、教育、航空航天等眾多領(lǐng)域之中。山西大學(xué)工程學(xué)院院長李忱教授將“仿真”教學(xué)的特點(diǎn)與好處概括為3個方面：一是沉浸感，學(xué)生沉浸在虛擬的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)踐中；二是多媒體的感知性，學(xué)生通過感知視、聽、觸等多種信息，思維在虛擬的設(shè)備儀器間展開；三是交互性，學(xué)生通過計算機(jī)直接控制、操作、運(yùn)行虛擬設(shè)備，使技能在對話、交流中得以提高[10]。

智能儀器內(nèi)容繁雜，涉及大量軟硬件綜合設(shè)計，脫離軟硬件平臺進(jìn)行單純的理論教學(xué)，已經(jīng)很難將智能儀器設(shè)計原理及開發(fā)過程講授清楚，同時現(xiàn)階段該課程沒有很好的實(shí)驗配套儀器。當(dāng)前我校使用單片機(jī)實(shí)驗箱進(jìn)行實(shí)驗教學(xué)，這在客觀上需要開發(fā)與智能儀器相配套的實(shí)驗儀器，而采用虛擬仿真軟件Proteus開發(fā)開放性強(qiáng)、實(shí)驗靈活、模塊化構(gòu)建以及便于學(xué)生進(jìn)行二次開發(fā)的實(shí)驗平臺就成為首選。

3.1硬件電路設(shè)計

硬件電路是實(shí)現(xiàn)儀器智能化的基礎(chǔ)，脫離硬件講智能儀器開發(fā)是紙上談兵。為此，首先針對項目驅(qū)動教學(xué)設(shè)計綜合性項目，規(guī)劃相應(yīng)的硬件電路。硬件電路采用模塊化的設(shè)計，對于典型電路設(shè)計若干套模塊電路，學(xué)生可以對各模塊電路進(jìn)行獨(dú)立仿真測試與分析，提高學(xué)生的分析能力與綜合能力。為實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的，將每一個綜合性項目的硬件電路分為晶振模塊、電源模塊、存儲模塊、鍵盤模塊、傳感器模塊、A/D模塊、D/ A模塊、濾波模塊、LED顯示模塊、LCD顯示模塊、通信模塊以及特殊功能模塊。為達(dá)到鍛煉學(xué)生的目的，每一個獨(dú)立模塊設(shè)計若干方案，以硬件電路中最基礎(chǔ)的電源電路為例，分別設(shè)計以7805芯片為基礎(chǔ)的電源模塊，以LM317為基礎(chǔ)的電源模塊，以1117系列芯片為基礎(chǔ)的電源模塊。讓學(xué)生了解常用的基礎(chǔ)電源模塊。模塊之間的接口統(tǒng)一定義，最終構(gòu)建搭積木式電路設(shè)計。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，可以根據(jù)定義的統(tǒng)一接口自己構(gòu)建電路模塊，師生互動，不斷豐富電路模塊數(shù)據(jù)庫，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與參與程度。

3.2軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)設(shè)計是智能儀器的靈魂，是實(shí)現(xiàn)儀器智能化的關(guān)鍵。針對項目驅(qū)動教學(xué)設(shè)計的綜合性項目規(guī)劃的硬件電路設(shè)計軟件系統(tǒng)，特別是不同的嵌入式芯片具有不同的開發(fā)方法。嵌入式智能儀器的軟件開發(fā)是以硬件電路為依托，不同的芯片具有不同的體系結(jié)構(gòu)與指令模式，不同的硬件連接具有不同的硬件地址。軟件系統(tǒng)同樣采用模塊化的設(shè)計，對于典型功能設(shè)計若干套獨(dú)立軟件模塊。學(xué)生可以對各軟件模塊進(jìn)行獨(dú)立仿真調(diào)試與分析，提高學(xué)生的分析能力與綜合能力。為實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的，將每一個綜合性項目的軟件系統(tǒng)分為CPU初始化模塊、時鐘配置模塊、鍵盤訪問模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、LED顯示模塊、LCD顯示模塊、通信模塊以及特殊功能模塊。為達(dá)到鍛煉學(xué)生的目的，每一個獨(dú)立模塊同樣設(shè)計若干方案，以軟件系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的LCD顯示為例，分別設(shè)計以ST7902驅(qū)動芯片為基礎(chǔ)的液晶顯示模塊，以1602驅(qū)動芯片為基礎(chǔ)的液晶顯示模塊，各液晶顯示模塊可再分別實(shí)現(xiàn)串行顯示與并行顯示兩種方式。軟件調(diào)用的參數(shù)統(tǒng)一定義，最終構(gòu)建搭積木式軟件系統(tǒng)開發(fā)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可以根據(jù)軟件調(diào)用的統(tǒng)一參數(shù)獨(dú)立構(gòu)建軟件模塊，師生互動，不斷豐富軟件模塊數(shù)據(jù)庫，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與參與程度。

3.3教學(xué)應(yīng)用

當(dāng)前利用仿真軟件進(jìn)行教學(xué)還處于探索階段，針對不同的課程，任課教師提出了不同的應(yīng)用方法。我們針對智能儀器課程的特點(diǎn)以及項目驅(qū)動教學(xué)方法的要求，設(shè)計基于Proteus的智能儀器教學(xué)方法。

3.3.1基于仿真技術(shù)的理論教學(xué)

智能儀器理論教學(xué)的目的是讓學(xué)生系統(tǒng)性掌握智能儀器硬件電路原理與軟件設(shè)計思路，奠定智能儀器設(shè)計的理論基礎(chǔ)。由于智能儀器課程特點(diǎn)，傳統(tǒng)教學(xué)方式很難使學(xué)生系統(tǒng)性掌握該門課程。學(xué)習(xí)知識最好的途徑是“親身經(jīng)歷”，讓學(xué)生到“真實(shí)環(huán)境”中去感受、體驗其過程與結(jié)果，通過理論分析與實(shí)踐經(jīng)驗獲取的知識是最牢固的。因此，在綜合性項目驅(qū)動教學(xué)的大背景下，采用理論教學(xué)結(jié)合仿真實(shí)驗的授課方式，在課堂教學(xué)中通過Proteus仿真軟件引入“真實(shí)儀器”，把設(shè)計的“儀器”帶入課堂，學(xué)生通過看到實(shí)際的硬件電路與軟件代碼，在教師的引導(dǎo)和啟發(fā)下，分析儀器運(yùn)行結(jié)果，從而完成書本理論到實(shí)踐應(yīng)用[8]。教師以Proteus仿真軟件進(jìn)行講解時，針對關(guān)鍵理論設(shè)置問題，以問題引導(dǎo)學(xué)生思維，教師不是直接回答學(xué)生的問題，而是向?qū)W生提供解決思路，對于共性問題可以結(jié)合Proteus仿真軟件，以師生動態(tài)交互的方式進(jìn)行課堂講授。通過仿真教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動力，提升了學(xué)生的分析和解決問題的能力。

3.3.2基于仿真技術(shù)的實(shí)驗教學(xué)

智能儀器實(shí)驗教學(xué)的目的是讓學(xué)生加深對智能儀器硬件電路原理與軟件設(shè)計思路的理解，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力。實(shí)驗教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中完成學(xué)習(xí)，通過自主探索、合作學(xué)習(xí)，進(jìn)行自我知識體系與實(shí)踐經(jīng)驗的重構(gòu)。基于綜合性項目驅(qū)動教學(xué)的仿真實(shí)驗采用模塊化設(shè)計，學(xué)生根據(jù)本次實(shí)驗的要求選擇合適的功能模塊，根據(jù)自己的需要進(jìn)行合適的剪裁；對于開放式模塊，可以根據(jù)模塊接口定義實(shí)現(xiàn)具有自主風(fēng)格的模塊。在教學(xué)方式上可以結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方式，實(shí)驗前，教師將相關(guān)實(shí)驗?zāi)K拷貝給學(xué)生，學(xué)生在個人電腦或?qū)W校網(wǎng)絡(luò)機(jī)房，使用仿真軟件將各功能模塊進(jìn)行測試，并根據(jù)實(shí)驗要求獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計。實(shí)驗課堂師生共同對存在問題的模塊進(jìn)行講解與調(diào)試，教師輔助學(xué)生完成具有與眾不同功能的儀器設(shè)計。通過仿真實(shí)驗教學(xué)，實(shí)驗課將不再依賴于硬件試驗箱，不再依賴實(shí)驗指導(dǎo)書，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)作熱情，提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力。

3.3.3基于仿真技術(shù)的開放教學(xué)

教學(xué)的目的是學(xué)以致用。對于當(dāng)前很多課程，學(xué)生在課程考試結(jié)束后就逐漸遺忘了。對于工科學(xué)生而言，設(shè)計硬件電路或小型嵌入式系統(tǒng)是經(jīng)常遇到的情況。互聯(lián)網(wǎng)時代下，各種有用資源充斥網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生如果具備模塊化構(gòu)建系統(tǒng)的能力，無疑將達(dá)到事半功倍的效果。基于綜合性項目驅(qū)動教學(xué)的仿真實(shí)驗系統(tǒng)，采用的是模塊化設(shè)計，系統(tǒng)性地將小型智能儀器涉及的軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行模塊化組合，學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)際需求選擇合適的功能模塊，并對基本功能模塊進(jìn)行合適的二次開發(fā)；對于部分特殊功能模塊，可參照網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行設(shè)計，最終快速搭建自己的儀器與系統(tǒng)。

4　結(jié)　語

對于綜合性與應(yīng)用性強(qiáng)的工程性質(zhì)課程，如何突破傳統(tǒng)的教學(xué)模式，使得學(xué)生在有興趣地探索中掌握理論知識，提升實(shí)踐技能，是相關(guān)任課教師不斷探索的課題之一。希望我們提出的教學(xué)方法，能夠?qū)τ趹?yīng)用性強(qiáng)的工程性質(zhì)課程的教學(xué)改革提供參考。

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（編輯：郭田珍）

第一作者簡介:張白，男，講師，研究方向為現(xiàn)代精密測控技術(shù)與儀器，zhangbai6402@163.com。

中圖分類號：G642

文章編號：1672-5913(2016)04-0129-04