基于虛擬仿真平臺的單片機課程的教學(xué)改革與實踐

陳海衛(wèi) 盛衛(wèi)鋒 寧萌 化春鍵 宿磊

[摘 要]闡述了江南大學(xué)基于虛擬仿真平臺的單片機課程的教學(xué)改革目標;對比了改革前后課程內(nèi)容與課時數(shù)的變化情況;為保證教學(xué)改革的順利實施，開發(fā)了課堂教學(xué)案例庫，課后作業(yè)習(xí)題庫，實驗平臺模擬環(huán)境庫，實踐環(huán)節(jié)項目庫等教學(xué)資源庫;闡述了課程考核方式的調(diào)整;最后，通過學(xué)生科技創(chuàng)新類比賽，驗證了項目的實施效果。

[關(guān)鍵詞]虛擬仿真平臺;單片機;教學(xué)改革

[基金項目]江南大學(xué)2017年本科教育教學(xué)改革研究教師卓越工程項目：基于虛擬仿真平臺的單片機課程教學(xué)改革與實踐（JG2017143）;江南大學(xué)機械工程學(xué)院卓越課程建設(shè)項目：微機原理與接口技術(shù)資助;2020年江南大學(xué)自建在線課程：微機原理與接口技術(shù)（2020ZJ15）資助

[作者簡介]陳海衛(wèi)（1982—），男，河北保定人，博士，江南大學(xué)機械工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師（通信作者），主要從事機電系統(tǒng)控制、機電課程教學(xué)與改革研究;盛衛(wèi)鋒（1977—），男，江蘇張家港人，碩士，江南大學(xué)機械工程學(xué)院講師，主要從事機電一體化研究。

[中圖分類號] G642.0[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）27-0160-02[收稿日期] 2019-10-06

單片機課程是江南大學(xué)機械電子類本科生的專業(yè)核心課程之一[1]，是培養(yǎng)學(xué)生機電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計能力的重要一環(huán)。項目教學(xué)改革自2017年啟動，首次將C51作為教學(xué)語言載體，搭建了相應(yīng)的教學(xué)資源庫，并對后續(xù)課程做出必要調(diào)整，最后通過科創(chuàng)類項目如ROBOCON全國大學(xué)生機器人大賽等對項目效果進行檢驗。

一、項目改革的目標

項目基于Proteus與Keil虛擬仿真平臺[2]，對我校現(xiàn)階段單片機課程進行改革與實踐。通過對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與考核方式等的必要調(diào)整，增強學(xué)生“電”學(xué)知識的系統(tǒng)性以及對新型單片機產(chǎn)品的適應(yīng)力，最終提高學(xué)生機電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計能力。

二、教學(xué)內(nèi)容的改革

按照新的教學(xué)計劃要求，對課程內(nèi)容進行了必要改革與調(diào)整。改革前后的單片機課程課時安排如下表所示：

1.對課程中計算機基礎(chǔ)知識部分進行了縮減，僅保留與課程緊密相關(guān)的內(nèi)容。

2.考慮到51單片機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)對學(xué)生新型單片機的學(xué)習(xí)具有一定的借鑒性，且單片機硬件結(jié)構(gòu)是后續(xù)章節(jié)學(xué)習(xí)的必要基礎(chǔ)，課程單片機結(jié)構(gòu)及原理部分相對改革前保持不變。

3.項目改革的重點集中在匯編語言部分。匯編語言最為貼近硬件，對51單片機具體指令系統(tǒng)甚至單片機自身硬件結(jié)構(gòu)等的理解具有重要作用，因而調(diào)整后的課程中仍保留必要的匯編語言課時數(shù)。但如若要求學(xué)生能夠熟練應(yīng)用匯編語言進行機電產(chǎn)品的開發(fā)，則需要更多的課時數(shù)配套，且學(xué)生課下需投入更大的精力，這是一個較高的門檻，在有限的課時中，多數(shù)學(xué)生難以克服;不僅如此，考慮到對于復(fù)雜的機電類產(chǎn)品開發(fā)過程而言，項目要求高，開發(fā)周期短，學(xué)生日后應(yīng)用匯編語言的機會不多。因而，此處為改革的重點，課時數(shù)由原來的10降低為4，對學(xué)生的要求也從原來的熟練應(yīng)用調(diào)整為理解，僅要求學(xué)生閱讀并理解51單片機尋址方式和指令系統(tǒng)，不再要求熟練采用匯編語言進行具體案例的開發(fā)。

在匯編語言要求降低的同時，為避免對學(xué)生機電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計能力的培養(yǎng)造成負面影響，改革中增加6課時的C51語言教學(xué)環(huán)節(jié)。由于前期具備C語言基礎(chǔ)，學(xué)生對相關(guān)知識點的學(xué)習(xí)掌握更加容易，在后續(xù)單片機內(nèi)部功能模塊以及計算機接口擴展等內(nèi)容的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)的重點會更偏向于具體原理的學(xué)習(xí)與運用，而非在程序設(shè)計環(huán)節(jié)止步不前，這一點對促進學(xué)生相關(guān)知識點的熟練掌握大有裨益，學(xué)生應(yīng)用單片機進行機電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的門檻也會大大降低。

4.內(nèi)部功能模塊部分。該部分包含51單片機定時/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)三個功能模塊。教學(xué)重點在于模塊本身的原理與熟練運用。其改革后的課時安排與改革前同步，但開發(fā)語言載體變?yōu)镃51。

5.接口擴展部分。由于課時限制，該部分重點介紹51單片機三總線接口的擴展原理，并以此為基礎(chǔ)介紹常用RAM與ROM芯片的擴展方法。對于較復(fù)雜的專用芯片如8255、A/D、D/A等的講解與應(yīng)用則移入后續(xù)課程如電子CAD與電子制作中。

6.實驗部分。該部分包含51單片機I/O口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等3個核心試驗，以及串行口的使用選修實驗。這些實驗與改革前基本保持一致，不過開發(fā)語言同樣變更為C51。

7.實踐部分。該部分致力于學(xué)生自學(xué)能力與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計能力的培養(yǎng)。具體內(nèi)容包括虛擬仿真平臺的學(xué)習(xí)與具體案例的編程開發(fā)。

三、教學(xué)資源庫的開發(fā)

1.課堂教學(xué)環(huán)節(jié)案例庫。該案例庫與課堂教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合，緊隨課程內(nèi)容開發(fā)，如CPU運行狀態(tài)案例，單片機I/O接口案例、定時/計數(shù)器使用案例、串行口操作案例、中斷系統(tǒng)案例、接口擴展案例等。通過案例庫的開發(fā)與講解，提高課堂教學(xué)的生動性，降低課程的抽象程度。

2.課后作業(yè)習(xí)題庫。主要用于鞏固學(xué)生課堂所學(xué)。對于應(yīng)用性很強的作業(yè)題目，學(xué)生需在虛擬仿真平臺中搭建相應(yīng)硬件系統(tǒng)，完成相應(yīng)程序的開發(fā)與調(diào)試。這種方式可改變傳統(tǒng)教學(xué)紙上談兵式的習(xí)題模式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與效果。

3.實驗平臺模擬環(huán)境庫。實驗環(huán)節(jié)需在學(xué)院單片機綜合實驗平臺上完成。考慮到傳統(tǒng)教學(xué)實驗過程中學(xué)生既看不到平臺內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)，也不明白具體電路工作原理，項目針對實驗環(huán)節(jié)的具體內(nèi)容與要求，基于Proteus虛擬仿真平臺，提前建立與各實驗題目等效的虛擬仿真運行環(huán)境。學(xué)生實驗前，需首先編寫相應(yīng)程序，在仿真平臺中完成具體實驗要求后再開展實地實驗過程，從而達到提前預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容，提高實驗效果的目的。假若由于某些實驗工作量較大，少量學(xué)生在課堂中沒有及時完成實驗，可在課堂實驗結(jié)束后基于虛擬仿真平臺繼續(xù)運行調(diào)試，以達到進一步的消化與吸收。

4.實踐環(huán)節(jié)項目庫。主要針對學(xué)生的實踐環(huán)節(jié)設(shè)計，題目內(nèi)容涵蓋范圍廣，學(xué)生需綜合運用前一階段所學(xué)知識后方能完成。在本課程中，學(xué)生需基于虛擬仿真平臺，完成某些應(yīng)用程序如電子時鐘、電子計算器等的設(shè)計開發(fā)，內(nèi)容囊括了計算機鍵盤與顯示器的基本原理與設(shè)計、C51語言的開發(fā)與運用等。除此之外，在后續(xù)課程電子CAD與電子制作中，學(xué)生需進行實際硬件的開發(fā)與調(diào)試，包括原理圖的繪制、線路板的開發(fā)、電子元器件的焊接以及實際應(yīng)用程序的開發(fā)與調(diào)試等。通過一系列的實踐訓(xùn)練，學(xué)生可對單片機的開發(fā)過程有更為深刻與直觀的理解，這為后繼課程中學(xué)生機電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計能力的培養(yǎng)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

四、課程考核方式的改革與實踐

改革后的單片機課程在考核方式上更加注重學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計能力的考核。課程考核分為平時考核與期末考核兩部分。相對改革前，在平時考核中加入了實踐類考題，學(xué)生需在虛擬仿真平臺中完成實踐題目的編程與仿真調(diào)試。期末考核仍采用閉卷形式，但降低了匯編語言要求，學(xué)生僅需完成匯編題目的閱讀與執(zhí)行結(jié)果的推理即可;此外，期末考核中加入了C51語言知識點的考核，并且將創(chuàng)新設(shè)計類題目的比重由改革前的30%提升至40%，加強對學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計能力的考核。

五、項目實施效果

項目的實施對于提升學(xué)生機電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計能力效果明顯，這尤其體現(xiàn)在各種機電類科技創(chuàng)新比賽中。該類比賽控制任務(wù)復(fù)雜，實時性要求高，學(xué)生往往采用性能更為優(yōu)越的ARM系列單片機作為主控。經(jīng)過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對單片機類芯片的硬件結(jié)構(gòu)與運行原理已有所掌握，且由于課程編程環(huán)境（包括開發(fā)語言）與新型單片機的十分相近，學(xué)生適應(yīng)新型單片機的能力得到了極大提升，往往經(jīng)過簡單的指引后即可快速融入具體控制項目的開發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，改革前學(xué)生適應(yīng)新型單片機的開發(fā)大約需要3—6周，而項目實施后，這一適應(yīng)期可縮短為1—2周，大大增強了學(xué)生對于機電系統(tǒng)開發(fā)與創(chuàng)新設(shè)計的信心。在ROBOCON全國大學(xué)生機器人大賽中，我校參賽隊伍多次獲得大賽的二等獎、最佳組織獎等獎項。

參考文獻

[1]陳海衛(wèi)，盛衛(wèi)鋒，化春鍵，寧萌，宿磊.基于虛擬仿真平臺的單片機課程教學(xué)的思考[J].教育教學(xué)論壇，2019（02）：226-227.

[2]譚筠梅，李玉龍，王履程.基于Proteus的單片機虛擬仿真實驗案例設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理，2018，35（05）：122-125.