王偉 蔡燕 楊永杰 沈笑笑 許鵬

（南通大學信息科學技術學院 江蘇省南通市 226019）

目前，教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容是虛擬仿真實驗教學，并在很多高校中廣泛的應用，一些中小學也正在建設自己的虛擬仿真實驗教學中心。現在，虛擬仿真實驗教學已成為老師重要的教學方式。

虛擬仿真實驗教學可以讓抽象的實驗過程形象逼真地演示出來，教師可結合實際的教學需求，最大限度地發揮虛擬元器件資源的優勢，提升教學效果。

還可以幫助教師安全、直觀的展示復雜實驗、危險性實驗、極端破壞性實驗、反應周期過長實驗等內容。此外虛擬仿真實驗還可以利用虛擬現實技術，使實驗教學的互動性與情景化更強，極大限度地激發學生自主實驗興趣。

構建線上與線下相結合的教學模式，可以致力于學生自主學習與創新實踐能力、信息素養的培養[1]。如何在現有教學過程中，有效地引入虛擬實驗，處理好虛擬與實際、線上與線下的關系，成為許多教學工作者正在探索的教學研究課題之一。

1 虛實結合的實驗教學設計

1.1 嵌入式系統課程特點

嵌入式課程目前主要采用ARM Cortex體系處理器為研究學習的主要對象，其教學主要內容包括：詳細介紹編程模型、指令系統、程序設計基礎和嵌入式開發應用等方面，使學生深入理解STM32處理器的體系結構與指令系統，熟練掌握應用I/O端口、中斷和定時器、ADDA、串行通信、LCD 控制器等關鍵技術來進行開發研究，最終使學生從總體上把握嵌入式系統的框架結構和技術細節。

課程采用理論與實驗交叉教學的方式，在掌握理論的基礎上，訓練學生的應用設計能力，對學生的實際動手能力要求較高。然而，由于學時數和實驗設備的限制，學生往往沒有足夠時間來通過訓練提升應用開發能力。

1.2 虛實結合實驗的必要性

仿真工具選用英國Lab Center Electronics公司推出的Proteus電路仿真軟件。目前僅該軟件支持STM32系列芯片的虛擬仿真, 該軟件不僅具有示波器、信號發生器、電壓表、電流表等多種嵌入式實驗所需的虛擬儀表, 還具有各種常用虛擬電子元件, 因此可使用這些虛擬儀表和虛擬電子元件能搭建出各種嵌入式實驗所需的電路[2]。

Proteus8.0以上版本可以支持STM32處理器芯片，所以可以通過該軟件進行嵌入式系統的軟件仿真應用實驗，為實驗課程虛擬化提供了技術上的支持。當然，嵌入式系統實驗不可能完全脫離實際電路的調試開發，一些元件參數對實驗的影響也無法通過軟件仿真來體現。

圖1：混合型實驗教學模式示意圖

基于上述情況，嵌入式系統實驗課程采用了虛實結合的混合型實驗教學模式，經過重新設計調整，將每個實驗項目分為基礎內容、拓展內容和鞏固內容三部分。其中基礎內容為一些基本的知識點，要求學生在課前使用仿真軟件設計完成，相當于完成了對實驗的預習工作。拓展內容是一些綜合性或復雜性的應用，放在實驗室實操完成，并作為虛擬實驗的考查與反饋。鞏固內容要求學生在課后完成，可以作為拓展內容的補充，以幫助學生加深對實驗的理解。混合型實驗教學模式示意圖如圖1所示。

下面通過一個嵌入式系統的實驗來介紹這種混合型實驗教學模式。

2 虛實結合的實驗實例研究

2.1 實驗內容的分解與安排

嵌入式系統課程的第一個實驗是LED燈顯示，在硬件上8路LED燈的負極接在PB7-PB0腳，燈的正極接電源VCC。實驗目的是掌握LED燈的電路結構和點亮方法，IO端口的配置與控制，以及延時函數的使用。

在混合式教學中，課前虛擬仿真軟件完成的基礎內容設計為：一個或多個LED燈的點亮和閃爍。課上實操完成的拓展內容為：實現一種流水燈效果，且燈亮時間是逐漸變短的。具體操作如下：

2.2 實驗課程虛擬部分的實施

學生在進入實驗室進行實際操作之前，利用Proteus進行ARM STM32的應用仿真。首先編程點亮一個或多個LED燈，這里需要學習并掌握IO端口初始化配置和編程控制的方法。然后在實現一個或多個LED燈的閃爍，這里則需要理解并掌握延時程序的調用方法。通過這些基礎內容的虛擬訓練，學生在課前已經對本實驗項目的三個知識點有了較深的認識，為課上實驗設計打好了堅實基礎。

圖2：實驗原理和仿真效果圖

圖3：實驗箱下載運行效果圖

圖2為Proteus軟件中的實驗原理和仿真效果圖，當生成的目標代碼導入虛擬芯片后，即可模擬仿真實驗效果，其調試與觀察也十分直觀和便捷。不過由于是仿真軟件，一些電路的細節問題無法體現。例如電路中LED燈的限流電阻，其值大小對燈的亮度會有影響，在軟件中是無法看到的。所以在實際電路上的操作是必不可少的。

2.3 實驗課程實操部分的實施

學生在完成課前仿真訓練后，便可進入實驗室進行實際操作。實操完成拓展內容，一種時間漸短的流水燈效果。要實現該效果，需要考慮使用移位操作來實現流水燈，同時將延遲的參數從常數改為變量，并在循環中逐漸減少。其減少值還應考慮到人眼是否能夠觀察到變化。

這個實驗拓展內容將基礎知識點綜合到一起，且存在簡單的算法設計，可以很好地考查學生對實驗掌握程度。同時在實際實驗中，還可以通過更換限流電阻，觀察燈亮度變化，來估算LED燈適合的工作電流。在實驗箱下載后運行效果如圖3所示。

2.4 實驗課程考查方法的探索

鑒于教學中的虛實相互結合，實驗報告可以將虛擬實驗內容作為實驗預習報告，而實際實驗內容作為正式實驗報告。在實驗考查時，可以在實驗開始時就檢查虛擬仿真實驗情況，即對實驗基本知識點的掌握情況。只有基本掌握的學生才可以進入實驗室實驗。實驗過程更多地以啟發和探索方式開展，以引導學生更深入地思考實驗內容。而最后檢查的拓展內容具有一定的復雜性，也利于進一步提升學生的設計能力。

當然，從教學大綱要求來看，考查成績應以基本知識點掌握情況為主要依據，所以建議學生實驗成績以虛擬實驗為主（占70%），實操實驗為輔（占30%）的原則來打分。

在實驗課程結束后，安排一些鞏固內容讓學生們使用Proteus軟件去練習，作為課上拓展內容的補充。另外，學生若還有不懂或者來不及完成的地方，也可以利用仿真軟件繼續學習，隨時隨地進行虛擬仿真實驗，來加強對實驗內容的鞏固。

3 混合式實驗的實施效果與成效

嵌入式課程的虛實結合實驗模式教學實施一年后，通過學生評教、抽樣調查和期末實驗考核情況來看：學生對課程相關知識點的認識有所加深，尤其在實踐動手能力上得到了顯著加強。學生普遍感覺，相較于其他課程，該實驗課程的探索性和趣味性更加突出，對他們隨后的創新實驗及畢業設計幫助較大；同時還能夠幫助學生在本科階段接受科學研究與發明創造的訓練，調動學生的主動性、積極性和創造性[3]。

當然從部分學生反饋來看，也存在一些問題。主要有：課前需要花費較多的時間完成虛擬實驗；在虛擬實驗中遇到問題時無法及時解決；課上實驗拓展內容難度較大等。下一步的改進措施包括：建立虛擬仿真實驗交流群，保持與學生的及時溝通；建立獎勵措施，鼓勵學生之間互幫互助，更加及時地解決虛擬實驗中的問題；明確告知學生實驗成績以掌握基本知識點為主，即認真完成虛擬實驗就可以拿到70%分數，減輕學生顧慮；提前告訴學生拓展實驗的難度，多鼓勵學生積極面對等。

4 結語

綜上所述，在嵌入式系統教學中，采用虛實結合的混合式實驗教學可以充分發揮虛擬仿真軟件的技術優勢，有利于培養學生的學習興趣和創新能力，是實現現代信息技術與理論相結合的最佳實踐。此外，采用線上線下的虛擬仿真教學還可以鞏固學生所學，開拓學生視野，讓學生有所感，有所悟，再進行不斷創新，這將是一個良性循環。