虛擬實驗室在課程教學(xué)及壓電能量收集系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用

吳 意，褚 靜，張美鳳，郭 杰

（常州工學(xué)院光電工程學(xué)院，江蘇 常州 213032）

單片機(jī)原理與應(yīng)用是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，也可作為機(jī)械類、信息類專業(yè)和其他有關(guān)專業(yè)的必修課或選修課。它廣泛地應(yīng)用于人們的實際生產(chǎn)生活中。學(xué)好這門課程，用好這項技術(shù)，是開設(shè)這門課程的初衷。單片機(jī)原理與應(yīng)用知識量龐雜，處處是重點(diǎn)，教授這門課程時，重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生使用該課程的知識點(diǎn)分析與解決實際工程問題的能力。

1 需達(dá)成的課程目標(biāo)

《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程具體需要達(dá)成的目標(biāo)為：

（1）能夠?qū)Σ煌瑔纹瑱C(jī)的工作原理及性能進(jìn)行分析，能利用單片機(jī)存儲器對獲取的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲及有效處理，為解決自動檢測領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題提供接口數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)模轉(zhuǎn)換等支持。

（2）能夠根據(jù)不同I/O端口的技術(shù)規(guī)范和使用要求，結(jié)合自動檢測系統(tǒng)開發(fā)的工程要求，進(jìn)行單片機(jī)端口的設(shè)計；能分析單片機(jī)端口查詢和系統(tǒng)中斷方式的影響因素，提出自動檢測系統(tǒng)開發(fā)中有關(guān)響應(yīng)方式的解決方案，并證實其合理性。

（3）能運(yùn)用單片機(jī)進(jìn)行自動檢測系統(tǒng)控制系統(tǒng)的開發(fā)，根據(jù)控制系統(tǒng)的需求選擇合適的控制方式，建立研究線路，基于Proteus、Keil C軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真方案的設(shè)計。

（4）能夠正確認(rèn)識Proteus、KeilC等軟件的特點(diǎn)，針對自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計，進(jìn)行單片機(jī)外接模塊（如通信模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊等）的選擇與設(shè)計；能正確使用Proteus、KeilC等軟件進(jìn)行自動檢測系統(tǒng)仿真系統(tǒng)的設(shè)計及程序編寫。

經(jīng)過多年的教學(xué)模式的改革與教學(xué)方法的改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)了較好的教學(xué)方法，即提倡“虛擬實驗室”的理念，將實驗實踐的概念貫穿在整個單片機(jī)課程的教學(xué)中，讓學(xué)生隨時隨地可以開展實驗。[1]

2 虛擬實驗室的實施

在課程開始時，對學(xué)生的相關(guān)專業(yè)，選擇適當(dāng)?shù)恼n題作為小組項目，如針對我院測控技術(shù)與儀器專業(yè)的學(xué)生，選擇“基于單片機(jī)的橋式能量壓電收集系統(tǒng)設(shè)計”等。選擇好課題后，再結(jié)合課程的四大目標(biāo)來教授單片機(jī)的相關(guān)知識點(diǎn)。

下面以本人自主完成的“基于單片機(jī)的橋式能量壓電收集系統(tǒng)設(shè)計”項目為例來闡述該過程。

2.1 分析問題、設(shè)計方案

教師設(shè)計好的項目引導(dǎo)給學(xué)生時，要注意灌輸工程問題的開發(fā)理念，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作能力。在分析問題、設(shè)計方案時引導(dǎo)學(xué)生從項目需求出發(fā)去查閱相關(guān)資料與進(jìn)行市場調(diào)研。這部分結(jié)合到的章節(jié)為單片機(jī)概述。

2.2 選擇研究線路

學(xué)生在調(diào)查了大量文獻(xiàn)資料與行業(yè)現(xiàn)狀后發(fā)現(xiàn)，微能量檢測與收集已是當(dāng)前能量保護(hù)的主要研究方向之一，因此提出了利用單片機(jī)設(shè)計一個自動橋式能量壓電收集系統(tǒng)。接著對目前壓電能量收集的主要研究領(lǐng)域進(jìn)行調(diào)研，查閱材料了解國內(nèi)外技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展差距，確定了課題主要研究內(nèi)容為：在正壓電原理的基礎(chǔ)上，針對密閉且窄小的空間，進(jìn)行軟硬件開發(fā)，設(shè)計基于單片機(jī)的小型橋式能量收集系統(tǒng)，并給出了完成課題研究內(nèi)容的基本路線，利用開發(fā)板進(jìn)行硬件調(diào)試，模擬達(dá)到功能要求。這部分結(jié)合到的章節(jié)為單片機(jī)結(jié)構(gòu)與原理。[2]

2.3 元器件選擇與系統(tǒng)集成

確定好用單片機(jī)來實現(xiàn)產(chǎn)品項目功能后涉及單片機(jī)與主要元器件的選型。學(xué)生根據(jù)課題要求對布局做了整體設(shè)計，分模塊進(jìn)行了布置，對主要模塊進(jìn)行了選型，分別有單片機(jī)、壓電元件、整流電路、能量儲存電路、顯示電路、按鍵控制電路和RS-485通訊電路等，詳細(xì)設(shè)計了各個模塊的器件組成，不斷進(jìn)行對比選型，例如單片機(jī)的選型，多層壓電片的發(fā)電方式，喬式梁的尺寸選擇等等。設(shè)計完各部分模塊后，再整合總體思路，對方案做出修正，直至設(shè)計出適合系統(tǒng)的電路，完成元器件選擇與系統(tǒng)集成。

這部分結(jié)合到的章節(jié)為單片機(jī)接口技術(shù)等。

2.4 數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)分析

在數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)分析部分，學(xué)生主要需要完成的是軟件設(shè)計、軟硬件聯(lián)調(diào)與系統(tǒng)的性能分析。根據(jù)實際情況，學(xué)生選擇了自頂而下的設(shè)計方法，從擬解決問題的總體下手，對問題進(jìn)行層層分解。最后發(fā)現(xiàn)分解出的子任務(wù)與課內(nèi)的知識要點(diǎn)基本符合，建立解決問題的信心。解決每個子任務(wù)時，需要選擇合適的算法設(shè)計方法，建議學(xué)生不要一上手就寫程序，將算法選擇好，用以上的方法呈現(xiàn)后再來進(jìn)行語句的編寫，可以達(dá)到事半功倍的效果，要求學(xué)生針對工作模塊的主程序部分繪制的流程圖。

將主要任務(wù)的流程圖繪制完成后“翻譯”成C語言程序，可以運(yùn)行程序來獲取結(jié)果。學(xué)生需要在小組討論中再次明確各自的分工、每個模塊之間的數(shù)據(jù)接口，進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)，從而完成系統(tǒng)。系統(tǒng)完成后，學(xué)生對系統(tǒng)的壓電片的輸出、采集電路的輸出、人機(jī)接口與顯示、指示燈狀態(tài)、串口等主要功能進(jìn)行了測試，提高設(shè)計的準(zhǔn)確性。

在整個虛擬實驗的過程中，學(xué)生需要的工具僅僅是一臺安裝了仿真軟件的電腦和實驗室配發(fā)的單片機(jī)實驗板。不需要固定的時間和場所，隨時隨地可以開展實驗與小組討論。

3 實施過程中的保障

為保障教學(xué)工作的有序施行，達(dá)到最好的教學(xué)效果，將虛擬實驗引入教學(xué)后，需要一系列的實施細(xì)則。

3.1 教學(xué)方法與教學(xué)手段

在教學(xué)時，需要把握主線，引導(dǎo)學(xué)生掌握單片機(jī)及其接口電路的基本理論，使學(xué)生掌握單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，了解有關(guān)控制芯片的新技術(shù)。引導(dǎo)實施虛擬教學(xué)時，注意采用多媒體教學(xué)手段，表達(dá)方式“具體化”“生動化”“形象化”，可讓學(xué)生在掌握知識的過程中，始終保持較濃厚的學(xué)習(xí)興趣。[3]

虛擬教學(xué)后，需要以課堂實驗的形式，結(jié)合實物演示，培養(yǎng)學(xué)生實踐動手的能力，使學(xué)生具備利用相關(guān)知識和方法解決復(fù)雜工程問題的能力。

3.2 課程實施

實施虛擬實驗課程主要的教學(xué)環(huán)節(jié)中，在備課時，教師熟練掌握本課程教學(xué)大綱內(nèi)容，嚴(yán)格按照教學(xué)大綱要求組織課程每課時的教學(xué)內(nèi)容。教講授時教師需要做到精確要點(diǎn)，正確推理，條理分明，突出重點(diǎn)，理論聯(lián)系實際，熟練解答各個經(jīng)典例題。教與學(xué)不拘泥于一種方式，根據(jù)實際情況采用多種教育方式（如啟發(fā)式教育、案例分析教育、討論式教育等），重視學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)，提高學(xué)生的發(fā)現(xiàn)、分析和問題解決能力。課堂上，案例的表現(xiàn)方式盡量方便學(xué)生的理解、接受，要求形象生動，使學(xué)生在掌握知識過程中，保持較濃厚的興趣。[4]

3.3 教學(xué)效果保障

要保證虛擬教學(xué)的效果，過程性考核必不可少。教師要求學(xué)生按指導(dǎo)書要求完成實驗，不缺席；實驗之前上交符合要求的實驗預(yù)習(xí)報告，預(yù)習(xí)不符合要求者延遲參加實驗，實驗后預(yù)習(xí)報告完成數(shù)據(jù)處理與思考題，形成實驗報告，必須書寫清晰，制圖、編表按規(guī)定和規(guī)范處理；實驗步驟正確，結(jié)果合理，實驗原始數(shù)據(jù)經(jīng)指導(dǎo)教師驗收簽字后認(rèn)可，不得涂改。因為虛擬實驗隨時隨地可以進(jìn)行，為了更好地全面了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況，更好地幫學(xué)生理解每次課時關(guān)于虛擬實驗部分所學(xué)知識、并反思學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)獨(dú)立思考問題的能力，教師必須在課后安排一定時間進(jìn)行課外的答疑與指導(dǎo)。[5]

4 總結(jié)

隨著課程的進(jìn)行，學(xué)生對所設(shè)計的系統(tǒng)會越來越完善，課程結(jié)束時，其系統(tǒng)也基本完成了，達(dá)成四個課程目標(biāo)，整個過程是水到渠成的。虛擬實驗室的引進(jìn)提高了學(xué)生的自信，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時切實實現(xiàn)了教學(xué)計劃中的學(xué)習(xí)目標(biāo)。