基于protues軟件和KEIL軟件的虛擬實驗平臺教學做一體化的教學改革

劉 晨，陳小亮

（河南工學院，河南 新鄉 453000）

單片機誕生于1971年，是計算機的一個分支，它不是某一個單純的邏輯芯片，而是將一個計算機系統集成到一個芯片上。單片機應用技術是電子信息工程與通信工程專業一門必修課程，單片機因其體積小，功能多，廣泛應用于儀表儀器，汽車，智能設備，工業控制，通信等領域。可靠性強及性價比高等特點是學生最早接觸的芯片，對于初學的學生來說相對會難學習一些。內容繁多，知識點瑣碎。以前理論與實踐想分離的教學方法不易提高學生的興趣，單片機應用技術課程的改革一直在進行中。

1 單片機課程現在的弊端

1.1 理論教學與實驗教學相分離

大多數單片機課程采用的是“先原理后設計，先理論后實驗”的原則，在教室里面進行理論學習，然后在實驗室里面進行實驗，這樣理論教學與實踐教學是分離的。在不同時空和不同地點教授課程，這樣分離教學，在講理論課程的時候會不容易引起學生的興趣，在講實驗課的時候學生大多是機械的做實驗內容，缺少深入思考。理論和實踐的分離會導致學生上課的理論知識無法及時消化吸收，所學的內容很快就忘記了，再去做實驗的時候效果不好。理論實踐有些脫節。

1.2 理論課時抽象且多于實驗課時

在傳統單片機教學中，理論課時一般較多，并且單純的講授理論，多數理論課過于抽象，對學生來說難度較大，并且不易理解，很容易打擊學生的積極性，一旦聽不懂就不想學了，這就導致一部分學生越來越不想學習。實驗課時相對少一些，學生不容易接受，而且學生在做實驗時只是機械的進行實驗內容，對很多內容沒有做到理解，所以很難做到學以致用。

1.3 單片機的實驗內容相對固定，學生發揮較少

很多學校已經將單片機的實驗開發板買好，學生做的實驗都是已經做好的模塊，然后連好到導線就可以了。這樣學生沒有實際焊接各種硬件電路，僅僅連幾根導線，理解不深入，很多實驗器件并非真的理解。學生寫程序，編譯，下載，觀察結果這個流程比較熟悉，但是對于整個硬件的理解上會有一些欠缺，無法深入理解單片機與器件的工作原理與使用方法。對硬件的動手實操也會相對欠缺。

2 虛擬實驗平臺的搭建—Protues和Keil軟件簡介

Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司在1989年出版的EDA工具軟件。Protues軟件是一款從原理布圖，代碼調試到單片機及外圍電路仿真，一鍵切換到PCB板的軟件。Protues軟件是目前最好的仿真外圍電路的軟件。可以仿真AVR，PIC，51單片機等常用的微型處理器和外圍電路。Protues軟件可以仿真有單片機以及外圍電路的情況。由于該軟件的仿真是基于廠家提供的技術數據來建立仿真的，所以仿真超越了“虛擬”極其接近現實。在教學中使用具有很大的現實意義。

Keil軟件是一款常用的開發MCS-51單片機的軟件，包括了C編譯器，宏匯編，連接器，庫管理和一個功能強大的仿真調式器。Keil軟件支持匯編語言，C語言，可以通過單片機進行仿真調式。Keil對于初學者是一款易學，容易上手的軟件。

Keil軟件和Protues軟件可以進行聯調，從而構建虛擬實驗平臺，從硬件電路的設計，電路的仿真到軟件調式，實時仿真，測試和驗證整個開發過程。學生通過實驗平臺可以真正理解單片機的整個設計過程，以及單片機的設計系統方法。

3 教改思路

3.1 搭建虛擬實驗平臺

將Protues和Keil進行聯調，先設計好硬件電路，然后用Protues進行仿真，搭建硬件電路。然后使用Keil軟件編寫程序進行編譯，生產.hex執行文件，然后將執行文件下載到Protues軟件進行仿真實驗，觀察實驗結果。 在虛擬實驗環境下，單片機的原理變得非常的直觀和簡單，可以在Protues軟件上直接基于硬件原理圖來進行仿真編程，非常直觀，易懂，可以進行代碼的調試觀察各個硬件器件的運行情況，配合虛擬的器件可以觀察單片機的運行狀態。可以改變器件的型號來達到最好的狀態。通過虛擬實驗平臺，可以更改實驗器件的型號，方便仿真，調試，已達到所要求的實驗目的，節省硬件直接進行搭建的金錢和時間，提高設計的質量和效率。

3.2 教學做一體化

將知識進行細分化，并進行任務導向，在課堂上講一部分理論知識，然后布置任務讓學生自己課堂下去找資料解決問題，實驗時給學生進行演示，給學生進行分組，讓學生動手實驗，在實驗過程中出現問題，教師要引導學生去思考自己解決。在虛擬實驗平臺的輔助教學的同時，引入單片機實訓，讓學生自己動手布局電路，焊接電路板，然后編程調試，實現相應的功能。

3.3 小組化互動

在教學過程中，給班級分成小組，在實驗與實訓過程中，出現問題小組內討論，教師作為輔導引導學生去分析思考，讓學生自己解決問題，學會解決問題的能力。

4 教改實施過程

以LED流水燈實驗為例來進行說明。

4.1 課前準備

教師提前將索要做的實驗內容告知學生，讓學生們上網站查閱相關資料（鍛煉學生自己動手解決問題的能力，搜索的能力），同時也可以結合課本和發給學生的一些資料來準備實驗內容。

4.2 創造一個愉悅的情景激發學生的興趣

可以在課堂上播放視頻或者給學生演示已經做好的成品，一個心型的LED顯示裝置。可以結合學生的生活情景（比如可以在情人節給自己的朋友表白，做一個單片機的心型版給自己的朋友）來激發學生們的興趣。

4.3 任務明確的目標與思路

通過給學生演示流水燈的實例，讓學生明白要達到什么樣的目的與要求，同時明白要掌握什么知識。結合Protues軟件，如何去搭建硬件。簡化硬件電路的時間和成本。

4.4 相關知識點講解

在課堂給學生講解LED的用法，如何點亮一盞LED燈。首先，如何區分LED的正負極，即陰極與陽極。然后如何驅動一個LED燈，通過對陽極加入高電平，對陰極加低電平進行驅動。怎么樣用單片機來點亮LED燈。

4.5 任務實施

①給學生演示用Protues軟件設計硬件電路，然后讓學生自己設計。在中間出現的問題可進行集中講解。②學生用Keil軟件編程，編譯生成執行文件。出現問題可以由學生自行解決，對解決不了的問題老師進行統一講解。③演示Protues軟件和Keil軟件的聯調，讓學生自行動手做。觀察實驗結果，看LED燈以及單片機相關引腳的運行狀態。④在實訓課上，自己動手實驗板來焊接電路并調試。

4.6 問題解答

給學生分成3人一組，實驗過程中出現的問題讓學生自己討論，教師在一旁引導學生去思考分析問題出現的原因，最終自己找到解決問題的方法，自己完成任務。

4.7 任務總結

老師指導學生以提問、討論、演示的形式來分析所學的知識點，總結學生在實驗過程中出現的各種問題，避免下次任務還出現類似的情況。

4.8 考核

學生的考試成績主要通過過程化考核來實現。其中包括理論考核，實踐考核，職業道德。主要以學生動手實踐考核為主，占60%。

5 教學改革創新與特點

該課程的改革由以前單一的講解之后再實驗的模式改變為由教學做合為一體。創新點一是將教學內容進行拆分、整合。不是單純的在課堂上灌輸知識，而是選擇性的在課堂上和實驗中分散將知識點教授給學生，實現學與做的合一。二是將Protues軟件和Keil軟件進行聯調，創建虛擬實驗室，有利于學生對單片機和器件的理解。三是將學習內容項目化，每個項目都由相應的任務去完成，使學生帶著問題來進行學習。四是小組化討論，學生分成小組，布置任務后小組內共同來進行任務的實施，遇到問題教師引導小組內進行討論，分析，思考，解決問題。五是考核的多元化，考核采取實踐考核，理論考核和職業道德三個部分，以學生實際操作能力為主要考核的依據，通過考核時學生真正掌握知識。

6 教學改革取得的成效

6.1 班級學風有一定改變

很多同學課下去找相關的資料，拷貝走相關軟件回去自己做相關實驗。在實驗過程中同學之間相互討論，相互交流心得。

6.2 班級學習差異化情況有很大程度的減輕

過去教學的模式，學生兩級分化現象嚴重，一部分學的好的學生努力學習，非常積極，一部分索性放棄。但是采用教改之后，學生主動性大大提高，在做中學在學中做，學生積極性大幅度提高。學生大部分都能跟上教學進度，主動去學習。

6.3 學生主動性更大了

學生進行小組化教學，遇到問題自己討論，教師在一旁引導學生而不是單純幫助他們解決問題。學生在討論中更加自主，更加積極去學習知識。

6.4 學生更加愿意和老師交流

學生在實驗過程中很多問題得到了解決，更愿意和老師交流，和老師溝通，積極提問。學生和老師之間的關系也越來越親密，形成良性的互動。

7 對教學改革的反思

7.1 采用小班制有助于學生的學習

在教學與實驗過程中采用小班教學，一方面可以使學生的問題及時得到反饋和解決，二是在安全上更容易解決，可以保障學生的安全問題。

7.2 靈活安排教學時間

由于實驗場地有限，建議教學時間可以靈活安排，比如安排在晚上或者周末。

7.3 引導學生比灌輸知識更重要

在教學過程中，教師應該將學生一起參與進來。在以往單片機教學，多是教師在講課，學生被動的聽，這樣做學生差異化會越來越大，一部分學生會因為跟不上老師的進度，失去積極性。所以在教學中應該增加學生的討論，師生的互動，這樣會促使學生積極去思考問題，自己去解決問題，在討論中，在思考中，解決問題，掌握知識。

7.4 分成小組互動效果會更好一些

在實驗實施時，兩三個人分成小組，做的熟練的帶動相對不熟練的，接受快一些的帶動接受相對慢一些的，效果會好一些。但是要避免在分小組的之后，一個人做完，其他人不再做的情況，這就需要教師在一旁去觀察，同時去進行個人的考核或者抽查小組中一位成員考核。