基于Proteus 和Keil 的單片機課程實驗教學改革探索

任肖麗，王驥，劉思鳳

（廣東海洋大學，廣東 湛江）

單片機作為微型計算機發展的一個重要分支，單片機課程具有實驗性強、原理抽象的特點，因此單片機實驗教學具有重要作用。為了學生更好地掌握這門課程，我院教師經過多年教學探索，采用軟硬件結合實驗教學方式，將軟件虛擬仿真和硬件調試相結合，得到良好實驗教學效果。

一 單片機實驗教學存在問題

在高校單片機課程實驗教學中一般存在以下方面問題：（1）實驗教學模式單一。傳統的單片機實驗教學通常是學生按照實驗指導書步驟，在實驗箱上進行接線，之后在計算機中運行調試程序，這種教學模式下的實驗，會造成學生只為得到實驗結果，而忽略硬件電路和程序設計分析過程；（2）實驗內容安排不夠合理。實驗項目多為驗證性實驗，學生只需在實驗箱上按實驗步驟接線，再運行給定程序即可完成實驗，而設計性和綜合性實驗相對較少，不利于培養學生綜合設計能力；（3）實驗成績考核制度不完善。實驗成績考核方式主要以實驗報告為主，沒有明確的科學依據，不能客觀給出學生實驗成績，削弱了學生在實驗課上設計實驗的主動性。

二 單片機實驗教學改革

針對單片機實驗教學中存在的一些弊端，總結多年的實驗教學經驗，提出以下幾點實驗教學創新方案。

（一）更新實驗教學方法

基于虛擬仿真軟件的單片機實驗教學越來越廣泛。通過虛擬仿真軟件，很多實驗都可以在軟件環境中得以實現，從而使實驗教學更加便捷。虛擬仿真單片機實驗系統是以Proteus[1][2]為核心，結合Keil C51[3]進行單片機課程實驗教學的軟件仿真，將虛擬仿真軟件應用于單片機實驗教學中，可以使學生全面了解單片機系統硬件電路的設計、仿真和測試，從而能夠利用虛擬仿真獨立設計和解決實際問題。

目前廣東海洋大學單片機實驗教學采用的是軟硬件結合形式進行。其中，以Proteus 虛擬仿真工具和Keil 編譯工具為軟件設計平臺，以一種新型八位單片機實驗系統和實驗訓練創新綜合實驗箱作為可選的硬件實現輔助平臺。

利用Proteus 仿真軟件可實現系統電路的虛擬仿真，操作簡單方便，結果直觀。Keil C51 軟件提供了多種調試、運行程序的方法，支持匯編語言和C 語言的源語言混合調試。學生在課余時間可以利用Proteus 繪制電路原理圖，再利用Keil 軟件調試所寫程序，無誤后可下載到Proteus 仿真電路的單片機中，隨時仿真實驗過程，如果學生實驗預習積極性不高，可以課后作業的形式來要求其完成實驗前的預習，以便在有限的實驗學時下能達到更好的實驗效果。在實驗課前繪制實驗電路并進行模擬仿真，課堂上再將仿真調試后的程序下載到實際硬件電路中，進行實驗操作，從而能更好地掌握所學知識。

作為硬件實現輔助平臺之一的新型八位單片機實驗系統電路結構主要由系統總線單元、面包板總線擴展單元和實驗接口單元組成，實驗平臺結構如圖1 所示。該實驗系統使用Keil C51 集成開發環境作為實驗系統設計、調試、開發的工具，采用單元化電路，所有實驗資源完全開放給用戶，支持“驗證式、模仿式、探索式和開發式”四種實驗方法的綜合運用，可以提高學生動手操作和設計開發的能力。

作為硬件實現輔助平臺之二的實驗訓練創新綜合實驗箱采用的是母板+子板結構，母板如圖2 所示，子板采用的是51 系列單片機學習子板，如圖3 所示。利用Proteus 繪制系統電路原理圖，通過Keil C51 編寫實驗程序，將其生成的HEX 文件加載到Proteus 單片機中進行虛擬仿真，無誤后，利用該實驗箱專門下載軟件WWISP 通過USB 下載線將HEX 文件燒錄到硬件電路單片機中，WWISP 下載器軟件界面如圖4 所示，從而實現單片機實驗的軟硬件實現。

對于一些不需要實物支撐的知識點，可以要求學生使用Proteus 仿真軟件和Keil 軟件，畫出電路仿真原理圖，編寫C 語言程序，并進行兩個軟件的聯機調用，演示預期的實驗效果；對于需要硬件實現的實驗，在Proteus 和Keil 軟件仿真調試基礎上，選擇實驗室硬件輔助平臺之一，將程序生成的HEX 文件下載到硬件單片機中實現功能，觀察實驗結果，教師現場進行指導，確保每一個學生都能得到點評和指導。學生有問題可以直接提出，也可以分小組互相討論，最后每一個學生都必須完成設計任務，達到學習目標。

以當前人工智能為契機，構建虛擬仿真實驗室系統，使實驗教學不局限于實驗室，學生登錄系統可隨時使用實驗室資源進行實驗，教師可隨時檢查學生實驗情況，加強教師與學生之間的互動，使實驗室資源高效為師生所用。

（二）完善實驗指導書內容

目前實驗指導書的內容缺少學生自行設計實驗部分，不利于培養學生綜合分析和解決實際問題的能力。實驗內容的選取應該更注重設計性和綜合性，讓學生參與到實驗設計過程中，提升分析和設計能力。

在每個實驗項目中，可適當對程序實現的功能進行擴展，增加1-2 個選做實驗，啟發學生思考，進而使學生更深入掌握所學知識，鼓勵學生在實驗室開放時間內完成自己感興趣的選做實驗，使學生更深入地對程序有個理解運用過程。

對于一些較復雜的綜合性和提高性實驗，可以給出以填空的形式給出部分實驗程序，學生必須在理解電路原理，讀懂程序的基礎上，才能正確補充所缺程序語句，從而引導學生對整個實驗軟硬件設計進行分析和思考。

（三）重視課程設計

單片機課程設計是單片機課程理論教學和實驗教學的綜合實驗環節，加強學生對所學基礎知識的理解與鞏固，是培養學生分析問題、解決問題的綜合設計能力的重要環節。課程設計題目應該多樣化，給出多個課題供學生選擇。首先介紹課題的要求、難點及注意事項，利用proteus 繪制電路原理圖，通過proteus 和keil 仿真調試，自制實驗板驗證和仿真，無誤后撰寫所設計報告，最后進行實驗環節答辯。課程設計時間為一周，具體安排如表1 所示。

表1 課程設計內容及時間安排

對于電子專業的學生，單片機課程基本在學生大三時開始，學生可以在前期的電子工藝實習課程中，做出一個系統電路，可用于在后續課程的實驗中，這樣既鍛煉了學生的動手能力，又能使學生對軟硬件設計有個全面認識，將專業知識具體化生動化。對于即將畢業的學生來說，經過課程設計的一系列鍛煉，可以使大部分學生對畢業設計有一定認識，為撰寫高質量論文奠定了扎實基礎。

（四）健全學生實驗考核機制

良好的實驗考核機制可以對學生的成績進行合理有效的評價，促進學生綜合能力的培養?？己艘罁閷W生的硬件系統設計和創新能力、軟件系統設計與調試，系統聯合調試、撰寫課程設計報告、綜合分析和解決問題能力。考核主要環節主要包括設計方案選擇、系統設計與調試、創新思維和撰寫設計報告等。

對實驗考核成績的評定標準進行完善[4]。將實驗總成績分為實驗操作和實驗報告兩部分，其中，實驗操作成績占實驗總成績的60%，實驗報告分數為實驗總成績的40%。實驗操作成績包括實驗過程中隨機考核成績（20%）、實驗綜合表現成績（10%）和實驗操作考試成績（30%）。由于實驗設備數量有限，學生進行分組實驗時會造成分組中有個別不積極的學生沒參與到實驗操作中，這就要求教師在驗收實驗結果時，隨機對學生進行實驗考核，根據所提問題的回答情況了解學生的掌握程度，給出相應的分數，對于沒掌握的學生要求其重新操作實驗并根據最后情況給出分數；實驗綜合表現成績采用加分的激勵方式，對于實驗預習及操作過程中態度認真，積極性高的學生給予不同程度的加分獎勵，鼓勵學生主動思考; 最后實驗操作考試在平時所做實驗的基礎上，隨機抽取考試題目，以筆試和實際操作相結合的方式考核，全面考查學生對知識點的掌握程度和分析設計能力。

三 結語

本文根據單片機課程實驗教學存在的問題和我們從事單片機實驗教學的體會，以“培養大學生創新創業能力”為目標，致力于研究單片機實驗教學的新模式，根據我院特點[5]，進行單片機實驗教學改革，實行軟硬件結合實驗教學模式，完善實驗內容與考核機制，能夠調動學生積極性，提升學生理論水平和實驗分析設計能力，為進一步學習其他相關專業課程打下了良好基礎。