基于虛擬仿真平臺的單片機課程教學的思考

陳海衛 盛衛鋒 化春鍵 寧萌 宿磊

摘要：本文闡述了目前我校單片機教學過程現狀，并介紹了單片機教學改革與教學模式發展情況，進而思考總結了基于Proteus與Keil的虛擬仿真平臺給傳統教學過程帶來的機遇，為后續單片機課程教學改革的開展奠定基礎。

關鍵詞：虛擬仿真平臺；單片機；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）02-0226-02

單片機（或稱微機原理與應用、微機原理與接口技術）課程是機械電子專業本科生關于“電”學知識的專業核心課程之一，其以計算機程序設計和電工電子類課程為前提，也是眾多后繼課程如機電一體化系統設計的基礎，因而，該課程在機電類課程體系中占有重要位置，是培養本科生機電實踐與創新設計能力的關鍵一環。本文結合目前我校單片機教學過程的現狀及單片機教學模式發展的最新情況，闡述了基于虛擬仿真平臺的單片機課程教學過程所具有的優勢，對相關教學手段與方法的改革提供參考依據。

一、單片機教學過程現狀

我校單片機課程多采用“課堂+實驗”的教學方式。目前，課堂教學主要以多媒體形式為主，將教學內容制作成幻燈片，進而采用演示教學法進行知識的傳授。這種方式較傳統的板書教學有很大進步，在一定程度上降低了課程的抽象度，有利于學生理解與接受相關課程內容。但單片機課程應用性很強，且更加注重學生自主實踐與創新設計能力的培養，而在這種“灌輸式”的教學過程中，學生始終處于被動接受狀態，難以對課程具體內容有切身理解，特別是在難度較大的匯編語言教學環節，學生對具體教學案例的執行過程缺乏直觀感受，普遍反映尋址方式概念抽象，匯編語句種類繁雜，學習過程枯燥乏味。

在實驗教學方面，目前主要基于專用的實驗箱。實驗過程中，學生按照實驗指導書，用導線進行連接，進而將程序下載到實驗箱開展實驗。不可否認，多數實驗箱內部資源豐富，通過相關實驗，學生的實踐能力可在一定程度上得到提高。但為了兼容更多模塊，多數實驗箱采用三總線的擴展方式，其內部電路并不公開，或即使公開，其電路結構對于初學者來說也較難掌握。因而在開展類似實驗過程中，學生往往了解到的只是一個外部地址，至于這個地址的含義如何，具體過程又如何設計實現，卻缺乏相應的了解。學生普遍反映該類實驗概念抽象，這對于學生創新設計能力的培養極為不利。

隨著工程認證與“雙一流”學科建設的進行，機電類課程體系不斷調整，單片機課時數不斷壓縮，如何在有限課時下，保證學生創新設計能力的培養質量，成為了目前擺在單片機教學過程中的一大挑戰。

二、單片機教學改革與教學模式的發展情況

為解決現有教學過程中存在的問題，針對單片機課程的教學改革不斷進行。唐煒等[1]探索了“項目驅動”教學模式在單片機課程中的應用。采用項目小組形式，通過團隊成員通力協作，最終形成一套完整的項目成果。這種方式將實際項目導入教學主線，在一定程度上提升了學生的創新設計意識與能力。吳定會等[2]從理論教學、實驗培養和考核模式等3個方面對教學方法進行了改革研究探索。理論教學過程通過實物展示以及啟發式、交互式、開放式等教學法培養學生學習興趣；實驗方面，分為基礎實驗、研究型實驗和創新型實驗3部分，提高學生的基本操作技能，激發學生的自主性和創造性；考核模式方面，采用實踐與筆試相結合，動手與答辯相結合的方式。

近年來，隨著計算機軟件技術的發展，基于虛擬仿真平臺的單片機課程教學與實踐模式逐漸受到關注[3，4]。平臺的搭建常采用Proteus與Keil兩者結合的方式，只需在電腦端安裝這兩款軟件，并進行簡單的設置即可完成。目前許多高校已把其應用于課堂實例的講解及相關實踐環節中。

三、基于虛擬仿真平臺的單片機教學模式的優勢

1.可實現課堂實例與課后題目的實時運行與驗證。單片機傳統課堂教學案例的講解常常是“紙上談兵”，學生看不到實例的具體運行過程與結果，難以與實際應用相關聯。虛擬仿真平臺的建立可讓學生真實感受到案例的執行過程與結果，降低題目的抽象度，提高學生對單片機系統的認知，增強課堂教學的生動性，激發學生學習興趣。此外，傳統的教學模式下，課后作業同樣是“紙上談兵”，學生無法驗證解題過程與結果的正確與否。這對培養學生創新設計與實踐能力作用甚微。虛擬仿真平臺引入后，學生可通過軟件模擬方式調試完成課后作業任務，可真正獨立完成一些實際應用課題，提高學生硬件系統的設計能力與軟硬件聯調能力。

2.有利于培養學生對新型單片機產品的適應能力。隨著計算機技術的發展，新型單片機產品不斷涌現，典型的如ARM系列單片機，其具有豐富的硬件資源，也是學生各類科創活動中首選的控制器之一。但對沒有任何前期基礎的初學者而言，其上手困難。因而，如何培養學生快速掌握新型單片機開發技術的能力，適應新型計算機技術發展潮流，成為了傳統單片機教學過程中亟待解決的問題。此外，隨著課程結構的不斷調整，單片機理論學時不斷壓縮，如何在有限課時內，培養學生單片機創新設計能力的問題日益突出。虛擬仿真平臺的引入可大大緩解上述兩大問題。目前，高級單片機如ARM系列單片機等開發平臺多以C語言為基礎，其與Keil C軟件平臺有很大的相似與相通之處，因而通過虛擬開發環境的鍛煉，學生學習新型單片機的基礎與能力會大大加強，可更快的融入新型單片機創新項目的開發過程，增強學生機電系統開發與創新設計的信心。此外，傳統的單片機教學過程主要以匯編語言為基礎，不可否認，匯編語言最為貼近硬件，在特定產品的開發過程中仍被采用。但對于機電類本科生而言，其日后主要面向機電類產品，項目要求多，開發周期短，單純的匯編語言已不能勝任。傳統教學過程中，匯編語言的教學比重占到理論學時的1/3以上，學生需理解并記憶111條匯編指令，并能熟練運用到單片機系統中去，這是一個很高的“門檻”，在愈來愈短的學時安排下，許多學生難以跨越，成為了單片機課程學習的攔路虎。此外，即便少數學生掌握了匯編語言開發過程，其在日常工作中應用的機會也越來越少，從而造成理論學習與實際應用間的脫節。而通過引入虛擬仿真平臺，在保證學生硬件知識掌握的情況下壓縮傳統匯編語言學時數，改用C51語言授課，由于學生本身已具備C語言基礎，其學習門檻會顯著降低，可大大提高學生學習興趣與學習效果。

3.虛擬仿真平臺的引入，可真正實現單片機課程與很多先修及后繼課程的有效銜接，增強學生“電”學知識的系統性。單片機課程的先修課程包括“電工電子學”與“C語言程序設計”等，后繼課程主要為“機電一體化系統設計”。在C語言課程結束后的多個學期里，學生缺乏合適的機會將所學知識應用到具體機電產品開發過程，造成所學知識慢慢被遺忘，待到后繼課程開展時，由于相關知識點已生疏，學生感覺課程學習壓力很大。虛擬仿真平臺的引入，可將先修課程與后繼課程有效銜接。基于該平臺，學生可將“電工電子學”與“C語言程序設計”相關知識直接應用于單片機系統的開發，實現對先期知識的及時復習，這會大大降低學生后繼課程的學習壓力。此外，經過這一過程的鍛煉，可實現C語言理論知識與實踐的有機結合，增強學生學習理論知識的獲得感，提高學生機電系統創新設計的信心與能力。

四、結論

對于單片機這類實踐性很強的課程來說，傳統的“課堂+實驗”的教學模式對于學生創新設計能力的培養收效不大。基于Proteus與Keil的虛擬仿真平臺，可降低教師與學生對于傳統實驗設備的依賴，實現課堂教學與課后習題的實時有效驗證，避免傳統教學中的“紙上談兵”現象，并且在單片機產品日新月異的形勢下，采用虛擬仿真平臺的教學模式，可使學生更快融入新型單片機產品的開發過程。此外，在理論學時日益減少的情況下，虛擬仿真平臺可有效降低學生學習門檻，提高學生學習興趣。虛擬仿真平臺的引入可實現單片機課程與先修及后繼課程的有效銜接，增強學生“電”學知識的系統性，提高學生機電產品創新設計的能力。

參考文獻：

[1]唐煒.基于“項目驅動”的單片機類課程實踐教學改革[J].實驗室研究與探索，2010，29（5）：130-132，154.

[2]吳定會，紀志成.《單片機原理與應用》課程教學的改革與實踐創新[J].江南大學學報（教育科學版），2008，28（2）：68-70.

[3]張毅剛，胡瑞強.基于Proteus的單片機課程的教學改革與實踐能力培養[J].教育教學論壇，2012，（5）：149-150.

[4]莫莉，喻洪平，何欣.單片機課程教學體系改革與實踐[J].教育與教學研究，2016，30（6）：105-110.

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