基于Proteus軟件的單片機課程線上教學探索

孟 霆， 張曉峻， 車雪峰， 王 鋒， 劉曉瑜， 孫晶華

（哈爾濱工程大學物理與光電工程學院，哈爾濱150001）

0 引 言

單片機在航空航天、石油勘探、機械電子和日用設備等領域發揮了巨大作用，因此在高校中涉及電子信息方面的專業均把單片機課程設成了必修科目［1］。其教學目標在于培養出一批具有工程意識與創新精神的應用型人才。單片機課程的實踐性很強，要求學生了解單片機的底層架構和內核，掌握各種外設及接口的使用方法，學會利用匯編語言或C語言對單片機內部集成的各種資源進行配置［2］。教師在進行課程規劃時，除必要的理論學時之外，還需設計豐富的實踐內容，使學生能夠結合單片機開發板進行軟件編程與硬件調試，以達到理論與實踐相結合的目的［3］。傳統的授課方式存在兩點弊端：①理論課與實踐課相分離，即先到教室完成課堂理論授課，再讓學生到指定實驗室做實驗，這樣勢必會造成授課內容與實驗內容脫檔；②大多數高校使用的硬件實驗箱，實驗內容是固定的，缺乏靈活性和開放性，并存在著建設投入大、維護成本高且無法隨時更新換代等問題［4］。2020年春季，我校響應教育部“停課不停教、停課不停學”的號召，單片機課程的授課模式從線下轉為線上，并首次引入了Proteus虛擬仿真軟件，其強大的線上虛擬仿真功能使單片機課程理論授課教學與實踐教學進行融合設計得以實現。此外，這種線上教學模式降低了實驗室的運營和維護成本，使建設共享開放型實驗室成為了可能，拓展了學生的學習空間和時間［5］。

1 Proteus軟件特點

Proteus軟件集成電路仿真、PCB設計和虛擬模型仿真的功能，在單片機仿真應用領域有獨特的優勢［6］。Proteus提供的單片機以及外圍器件虛擬模型與芯片實物功能是對應，因此學生只需要直接將自己編譯好的HEX格式的文件導入，即可以在Proteus軟件界面中直觀地看到其模擬運行的狀態和結果，在極大程度上代替了現場實物演示的需求［7］。Proteus軟件能夠把單片機的操作過程形象地展現出來，這些是傳統單片機教學難以做到的，從而增強課堂的生動性與互動性。學生根據任務需求利用Proteus軟件提供的大量虛擬元器件，自主連接元件并編寫程序代碼，教師可以關注每一位學生的完成進度并隨時進行指導。學生完成任務后需要撰寫報告，拍攝過程視頻提交到教學系統中。用騰訊會議進行線上研討時，每個同學可以采用Proteus軟件將任務的完成效果展示出來，教師和同學進行點評，凸顯以學生為主體［8］。與傳統的單片機課程教學模式相比，采用Proteus軟件的線上教學可以極大提升學生的學習效率，增進學生與教師之間的互動，突破了傳統實驗教學存在的硬件資源有限、講課與實踐相分離、教師與學生聯系不強等局限，為實現教育信息化提供了一種良好的手段［9］。

2 基于OBE理念的線上教學內容設計

為進一步提高在校學生利用所學的理論知識來分析和解決實際應用問題的能力，引入OBE（Outcomesbased Education）教育理念進行單片機課程的線上授課內容設計。OBE理念主要強調以學生為中心，以結果為導向，相比傳統的單片機課程教學模式，能夠充分地培養大學生綜合專業素養和科研工作精神，更有利于對高水平人才的培養［10-11］。

2.1 教學內容組成

單片機課程基于Microchip大學計劃，以業界先進的dsPIC單片機為例，講述單片機的結構原理以及在各領域中的應用。教學大綱中，整個課程48學時，課堂理論教學32學時，通過理論課的學習，掌握dsPIC系列單片機的結構以及工作原理，初步具備單片機系統開發方案論證設計的能力，教師采用PPT，視頻等教學手段授課，涉及的知識點多，內容抽象，學生到課率通常只有70%左右。實驗教學16學時，依托Microchip—哈爾濱工程大學聯合實驗室，學生以團隊的形式采用dsPIC33F單片機完成任務，要求學生焊接電路、編寫程序、調試功能、撰寫報告，完成答辯。學生積極性非常高，到課率100%，通過實驗課，使學生具備單片機C語言程序編寫的能力，單片機應用系統的設計、制作和調試的能力。近3年，上課的學生人數從原來的30多人增加到了近140人，而實驗室面積和實驗儀器臺套數建設緩慢，實驗教學面臨非常大的困難。其他兄弟院校存在著同樣的問題，教學硬件資源緊張，難以適應學生規模迅速擴展的教學需求［12］。

2020年春節學期，由于疫情影響，單片機課程授課模式從線下轉為線上，引入Proteus軟件并對教學內容做了調整。調整后的教學內容如表1所示。

表1 課程內容設計

基礎知識部分采用14學時介紹dsPIC的結構原理、功能模塊和軟件工具的使用，為4個應用任務教學奠定基礎。基礎知識部分的教學也采用Proteus軟件展示相關知識點，并要求學生修改相關參數觀察現象，例如學生可以在教師的指導下修改定時器的配置，在Proteus軟件中觀看LED燈閃爍的快慢，將抽象的定時器模塊原理具有可操作性和可視化，解決傳統課堂枯燥的問題。應用任務部分30學時，根據OBE理念，以實際任務為導向，建立對應的課程教學環節與能力目標，教學基于Proteus軟件圍繞設計任務的解決展開，引導學生主動探索知識的應用。課程設計部分要求學生3人為1小組，采用dsPIC單片機設計抗疫相關的醫療儀，完成1篇設計報告，并采用PPT在線作口頭報告，教師與學生共同點評。

應用任務部分的教學內容包括流水燈設計、數字電壓表設計、基于dsPIC的FFT實現和遠程環境參數監測系統，涵蓋的知識內容包括中斷系統、定時器、輸入捕捉與輸出比較、模/數轉換器、異步串行通信、I2C通信接口等單片機內部功能模塊的相關知識與配置方式。遠程環境參數監測系統，要求學生掌握復雜程序的調試方法，以實現系統功能并滿足應用需求為目標，著重對學生創新思維和創新能力的培養。

2.2 遠程環境參數監測系統設計

遠程環境參數監測系統采用Proteus軟件通過串口通信實現對環境的溫度和光照強度實時監測。系統功能主要包括：①溫度傳感器DS18B20工作原理研究，掌握一線制編程方法；②光照度傳感器特性的測量；③LCD液晶屏的工作原理，并行驅動時序的編程方法；④溫度報警器設計，驅動按鍵設置溫度報警的閾值，若當前環境溫度高于該閾值，則驅動蜂鳴器報警；⑤光照度報警器的設計，驅動按鍵設置光照度的報警閾值，若當前環境溫度超過閾值，驅動蜂鳴器報警；⑥UART與PC端的通信。對學生的具體要求是：①掌握兩種傳感器的使用方法；②掌握LCD液晶顯示模塊的驅動方式；③掌握多種通信方式；④掌握Proteus軟件中虛擬儀器的使用和復雜程序的調試方法；⑤掌握單片機功能模塊的應用；⑥實現對溫度和光照強度的實時監測和超閾值報警功能的實現。

遠程環境參數監測系統原理如圖1所示，單片機選用dsPIC33F32GP204，具控制功能和高速的數據處理能力，應用非常廣泛。振蕩器采用外部4M無源晶振，通過配置PLL來獲得40 MHz的振蕩頻率。該型號芯片的工作頻率是振蕩頻率的1/2，則獲得的工作頻率為20 MHz。通過Proteus軟件對時鐘寄存器進行配置產生不同的運行效果。溫度傳感器選用DS18B20，采用單總線的方式與單片機通信，占用的硬件資源少，編程較復雜，對單片機的控制時序要求嚴格，可以很好地訓練學生對器件工作時序的理解［13］。對于光強的測量，由于光敏電阻的阻值隨光強的增大而減小，故將光敏電阻與2 kΩ電阻串聯接到3 V的電源，將光強信號轉化為電壓信號輸出。電壓信號接入單片機的AD模塊引腳，經采樣轉換后，換算出光強值。溫度和光強通過LCD1602液晶屏顯示，由dsPIC單片機產生相應的讀/寫操作時序，即可在液晶屏上顯示需要的字符。通過按鍵組實現報警閾值的設定，按下按鍵進入中斷服務程序后，通過在液晶屏上移動閃爍的光標，可以直觀地觀察到設置閾值的過程。程序自動采集溫度和光照度，判定是否超過閾值。報警時，采用輸出比較模塊輸出PWM信號，驅動報警器報警。此外，環境參數等信息通過UART模塊輸送至計算機，傳輸的數據內容可以通過虛擬串口監視器查看，串口傳輸數據時的電平變化可通過虛擬示波器觀測。

圖1 遠程環境參數監測系統設計框圖

學生根據原理圖的功能編寫程序，將編譯后的HEX文件導入到Proteus軟件模型中，點擊運行仿真，觀察現象。圖2所示為Proteus軟件仿真運行時的界面，Proteus軟件在原理圖上用不同顏色表示引腳的狀態，紅色為低電平，藍色為高電平，灰色為引腳懸空，學生可以直觀地看到引腳電平的變化情況。學生可以利用示波器、邏輯分析儀、探針等虛擬工具分析程序運行過程中硬件電路各部分的信號實時狀態，還可以通過軟件中的watch窗口觀察寄存器值和在程序中定義的全局變量，這些調試方法是傳統單片機實驗室不具備的。

圖2 仿真系統運行界面

根據課時安排，遠程環境參數監測系統任務共12學時。基本任務內容占8學時，包括：器件工作原理、原理圖設計與調試方法，占2學時；液晶模塊顯示，占2學時；DS18B20溫度傳感器的應用編程，占2學時；實現UATR與IIC通信，占2學時。教師用8學時講解基本功能模塊，引導學生完成基本的應用任務，使學生掌握器件的工作原理和程序的基本調試方法。此外，教師根據實際的工程任務布置擴展任務，設計溫度和光照度報警系統，學生可以發揮自己的創造性，利用課外時間完成擴展功能。然后，用4學時組織學生在線展示自己的作品，教師和學生進行點評。學生根據點評的建議完善功能，撰寫報告和錄制任務功能講解視頻，最終提交給教師。

圖3（a）、（b）所示為學生在學會LCD顯示模塊驅動方法后，自定義開機界面顯示內容，如姓名、學號或單詞。圖3（c）～（f）展示了傳感器仿真模型和學生設計的顯示界面，通過LCD模塊顯示當前溫度、光照度和設定的報警閾值。圖3（g）所示是學生擬合的光敏電阻特征曲線，學生運用Excel工具，通過擬合多項式的方式得到了光敏電阻兩端電壓隨光照度變化的規律，在光照度計設計中需要使用擬合出的公式。

圖3 擴展部分學生實踐活動的結果

3 學習效果的多元化考核

為適應社會發展對人才培養的需求，單片機課程線上教學采用多元化的考核方式，引導學生全面發展，提升自主學習能力。構建多元化的考核方式也將對整個教學過程起到反饋與激勵作用。多元化考核方式的結構如圖4所示，其考核模式構建的主要原則為：注重考核學生學習的全過程，即充分關注每個學生自身在學習中的態度和狀態，培養每個學生不斷進取、積極向上的良好學習品德［14］。對學生學習效果考核從理論知識、實踐應用能力和專業素養3個維度出發，進行多元化考核。理論知識掌握情況是衡量學生知識掌握程度最基本的要求。實踐應用能力是將所學理論知識熟練運用的能力，學生根據任務要求自主設計系統，通過編寫程序實現功能，在設計的過程中掌握復雜系統的調試方法；對于衡量學生的專業素養，需要教師對學生進行多方位的考核，包括撰寫報告是否能清晰地體現設計思路、答辯過程中的表達能力、團隊合作能力、方案設計創新性等。由此可見，專業素養包含知識儲備和實踐能力，屬于更高層次的考核維度，三者滿足遞進關系，從理論到實踐，再到提升素養，最終達成專業培養的預期目標，使得學生們能夠有效地針對光電信息科學與工程中的各種系統應用進行設計，將所學的信息技術處理方法和虛擬仿真實驗結合起來，通過選擇和運用恰當的信息技術，利用現有資源和工具來解決實際工程中出現的問題。

圖4 課程考核方式構建

考核的實施指標如表2所示，基礎知識、應用任務和課程設計三大模塊占相應的考核權重，學生的最終成績可由公式計算得出：最終成績=基礎知識成績×0.3+應用任務完成成績×0.4+課程設計成績×0.3。基礎知識和應用任務兩個模塊的加權為0.7，目的是將考核重心放在平時，實現以結果為導向，重視過程評價。

表2 課程考核指標

（1）基礎知識考核。注重于學生的參與程度和學習態度，鼓勵學生提出疑問，增進教師與學生溝通交流，教師依據學生的出勤率、課堂積極性和知識的掌握程度進行評分。由于采用線上教學模式，課上還可以增加幾個Proteus虛擬操作展示和線上問答環節，可由學生在線完成，并由系統自動記分，這樣可以增強學生積極性，提高學生的參與度。

（2）應用任務考核。共設有4個任務內容，結合教師的課堂教學和教師編寫的任務說明書，要求學生采用Proteus軟件完成任務功能的調試，撰寫報告，在報告中體現任務完成的過程、數據處理過程、結果討論等內容，最終將報告和任務完成講解視頻提交到教師評閱系統中。教師從報告的撰寫格式、數據的真實性、學生對任務完成過程的分析和反思等方面進行評分。

（3）課程考核。要求學生采用dsPIC單片機設計抗疫相關的醫療儀，對學生的撰寫報告和PPT答辯進行考核評分。在課程結束1周后，以3人為1組用PPT進行答辯，用Proteus軟件展示任務完成效果。教師從設計方案合理性、設計理念創新性、設計思路表達準確性、答辯邏輯性、小組成員參與程度、團隊合作情況等方面對學生考核打分。在答辯過程中，其他同學可以提問，對于給出合理建議的同學進行加分。通過這種方式給學生提供展示與自我反省的舞臺［15］。

考核結果如圖5所示，參與課程學習的學生人數總計為138人，獲得優秀（90～100分）的人數為23人，獲得良好（80～90分）的人數為46人，獲得中等（70～80分）的人數為55人，獲得及格（60～70分）的人數為14人。獲得良好以上的人數為69人，占總人數的50%，中等占總人數的40%，及格及以上的人數占總人數的100%。由此可見，多元化的考核方式將重心放在學習過程考核上，做到督促學生把功夫下在平時，從而提高學習效率，促進學生全面發展，避免了以往考試方式，學生在考試前突擊學習，死記硬背應付考試，導致掛科人數居高不下，不能學以致用［16］。

圖5 學生成績分布柱狀圖

4 學生反饋

學生居家采用Proteus軟件自主完成單片機課程設計任務的場景如圖6所示，表明了基于Proteus線上教學模式下，學生可以自主地完成學習內容，突破了時間與空間的限制。某位同學以課后反饋的形式提到：“本次設計任務與實際有很好的結合，讓我不僅對單片機工作原理理解更加深入，也對單片機的實際應用有了更清晰的認識，這些知識將為以后的學習打下好的基礎。”另有一名同學反饋：“相比其他課程，本課程的設計項目較多。但我并不討厭這些設計任務，反而認為完成這些任務非常有意思，不僅感嘆Proteus軟件的功能是如此強大！”證明了基于Proteus軟件的單片機線上教學探索取得了良好的教學效果，Proteus軟件的單片機虛擬仿真功能具有良好的操作性和效果展示性，結合工程應用，能夠激發學生的成就感，提高學生的學習動力。此外，同學與教師之間的交流探討，同學之間的互助互學也至關重要，正如某同學反饋到：“我把我的設計思路，教給一些沒有思路的同學，幫助他們順利完成拓展任務。非常喜歡這種上課老師教授基礎任務的方法，課后我們完成拓展任務的教學模式，老師再組織點評，既節約了時間，也扎實了基礎，還有有利于發揮自己的思考。”

圖6 學生居家學習場景

5 結 語

單片機課程線上教學采用Proteus軟件有效解決了傳統單片機教學模式理論與實踐脫離的問題，解決了由于學生人數快速增長導致實驗硬件資源不能滿足教學需求的問題，拓展了學生的學習空間和時間。Proteus軟件集成單片機編程、虛擬調試工具和豐富的元器件資源使OBE教學理念和多元化考核方式得以有效實施。從考核結果和學生的反饋可知，該教學探索有利于激發起學生學習的成就感，引導學生自主學習，促進全面發展。今后單片機課程的教學將探索Proteus軟件融合智慧樹教學平臺實施“線上+線下”的教學模式，不斷迭代優化教學理念和考核方法，為新工科背景下的教學改革提供一種參考和啟示。