元澤懷，陳曉明

(肇慶學(xué)院 電子信息與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061)

基于Proteus的任務(wù)驅(qū)動型實驗教學(xué)模式研究

元澤懷，陳曉明

(肇慶學(xué)院 電子信息與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061)

介紹了具有開放式與設(shè)計性特色的單片機(jī)C語言程序設(shè)計課程在利用Proteus進(jìn)行任務(wù)驅(qū)動型實驗教學(xué)模式探索方面的實施方法，總結(jié)了該課程實施任務(wù)驅(qū)動型實驗教學(xué)方法的效果。實踐證明，使用Proteus進(jìn)行系統(tǒng)仿真開發(fā)能夠把抽象的理論教學(xué)與生動活潑的實踐教學(xué)結(jié)合起來，進(jìn)一步縮短教學(xué)與工程實際的距離，有較高的推廣應(yīng)用價值。

虛擬開發(fā)環(huán)境；任務(wù)驅(qū)動；實驗教學(xué)；Proteus軟件

現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計已進(jìn)入電子設(shè)計自動化時代。虛擬仿真技術(shù)是電子設(shè)計自動化的一項重要技術(shù)，在電子系統(tǒng)的分析、設(shè)計、測試及技術(shù)改進(jìn)等方面有著廣泛的應(yīng)用。在電子技術(shù)高速發(fā)展的今天，新電路、新器件不斷涌現(xiàn)，由于實驗室受條件的限制，無法及時滿足各種電子設(shè)計和調(diào)試要求，從而影響學(xué)生分析和解決問題能力以及創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和工程綜合實踐能力。Proteus 嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺是由英國Labcenter公司開發(fā)的，是目前世界上最先進(jìn)、最完整的嵌入式設(shè)計與仿真平臺之一，已成為電子工程設(shè)計、電子類課程教學(xué)領(lǐng)域比較流行的電子線路設(shè)計軟件。利用該軟件的仿真功能可以虛擬出一個設(shè)備齊全的電子專業(yè)實驗室。

單片機(jī)C語言程序設(shè)計是電子信息類專業(yè)的一門必修課程。幾年前，肇慶學(xué)院結(jié)合全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽的需要，適時把該課程調(diào)整到大學(xué)一年級第二學(xué)期，以盡早培養(yǎng)大一學(xué)生學(xué)習(xí)和利用單片機(jī)開發(fā)簡單電子系統(tǒng)的能力，取得了很好的效果。鑒于大一學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)能力較為薄弱，結(jié)合該課程的特點，把授課的重點放在單片機(jī)的程序設(shè)計開發(fā)上，利用Proteus7.8軟件優(yōu)越的單片機(jī)仿真調(diào)試功能，實現(xiàn)了在無硬件驗證平臺的情況下，單片機(jī)程序設(shè)計開發(fā)、調(diào)試與虛擬硬件平臺的無縫對接，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣高漲，課程教學(xué)效果好。

本文以單片機(jī)C語言程序設(shè)計課程實驗教學(xué)為例，對基于Proteus虛擬仿真環(huán)境的任務(wù)驅(qū)動型實驗教學(xué)模式的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)與分析，以對其他課程的實驗教學(xué)起到一定的借鑒作用。

1 任務(wù)驅(qū)動型實驗教學(xué)模式

所謂任務(wù)驅(qū)動，就是將所要學(xué)習(xí)的新知識隱含在一項或幾項任務(wù)中，學(xué)生通過對任務(wù)進(jìn)行分析、討論，明確涉及的知識，并找出其中的新知識，在教師的指導(dǎo)與幫助下找出解決問題的方法，有助于培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力和創(chuàng)新能力[1]。任務(wù)驅(qū)動型實驗教學(xué)模式以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為目的，學(xué)生在若干個“任務(wù)”的驅(qū)動下，自己根據(jù)實驗項目(任務(wù))的要求，獨立擬定實驗設(shè)計方案，設(shè)計方案實施步驟，完成實驗過程，指導(dǎo)老師只負(fù)責(zé)對實驗方案進(jìn)行審查，在實驗過程中給予必要的啟發(fā)與引導(dǎo)，實驗完成以后對實驗結(jié)果和報告進(jìn)行評價。所設(shè)計的“任務(wù)”內(nèi)容及要求應(yīng)具有開放性、探索性和創(chuàng)新性，讓學(xué)生在“開放的空間”里自由開動腦筋，形成自由學(xué)習(xí)的氛圍[2]。

1.1 任務(wù)的選擇與設(shè)計

任務(wù)驅(qū)動型實驗教學(xué)模式的重點和難點在于任務(wù)的選擇與設(shè)計上。實施教學(xué)過程中，教師對所選定的工作項目的理解直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。因此，備課時教師需要明確任務(wù)要解決的問題，關(guān)鍵點在哪里，需要預(yù)測學(xué)生在完成任務(wù)中易出現(xiàn)的問題，以及如何解決問題等[3]。

單片機(jī)C語言程序設(shè)計課程的講授重點放在AVR單片機(jī)I/O接口、中斷系統(tǒng)、定時/計數(shù)器、A/D等基礎(chǔ)知識點的編程應(yīng)用上。為此，課程組圍繞這些重點內(nèi)容安排了發(fā)光二極管的移動控制、0～99數(shù)字的加減控制、脈寬調(diào)制(PWM)、0～5 V數(shù)字直流電壓表、數(shù)字鐘、LED點陣屏等設(shè)計任務(wù)。這些設(shè)計任務(wù)根據(jù)課程教學(xué)的進(jìn)度實現(xiàn)從基礎(chǔ)到綜合、從單個知識點到多個知識點聯(lián)合組裝電子系統(tǒng)的漸進(jìn)式學(xué)習(xí)實踐過程，有目的地安排設(shè)計任務(wù)，緊扣課程教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)了任務(wù)驅(qū)動型實驗教學(xué)模式在該課程的有效運(yùn)用。

1.2 任務(wù)實施

在任務(wù)實施之前，先將學(xué)生分成若干個設(shè)計小組(每組在3人左右為最佳)，由小組成員推薦出小組長，并使學(xué)生明確自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)，以及自己需要解決的問題；在項目的實施過程中，允許學(xué)生進(jìn)行交流、討論與分析。教師作為一個指導(dǎo)者，要注意觀察學(xué)生，發(fā)現(xiàn)學(xué)生出現(xiàn)的問題，積極鼓勵每個學(xué)生去主動、大膽地完成項目任務(wù)。

“以項目驅(qū)動為導(dǎo)向”教學(xué)法的實施過程雖然沒有了“滿堂灌”的講授，但也并沒有減輕教師在教學(xué)過程中的負(fù)擔(dān)，周密詳細(xì)的課前備課已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要的是教師要能充分關(guān)注學(xué)生設(shè)計任務(wù)的實施過程，開展任務(wù)實施的中期檢查工作，及時收集反饋信息，根據(jù)學(xué)生反饋的情況及時對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行動態(tài)調(diào)整[4]。

1.3 任務(wù)實施結(jié)果評價

任務(wù)實施結(jié)果評價是指對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況與任務(wù)完成情況做出反饋和評價，是總結(jié)與提高的重要階段。通過評價結(jié)果可以對學(xué)生起到激勵、反饋的作用，使學(xué)生在一種良好的心理狀態(tài)下不斷學(xué)習(xí)、進(jìn)步。評價的內(nèi)容包括任務(wù)的完成情況，各知識點的掌握情況，以及其他的能力獲得等。對優(yōu)秀的設(shè)計作品由設(shè)計小組在課堂上進(jìn)行分享講解，讓大家對整個設(shè)計任務(wù)進(jìn)行較深入的總結(jié)和提高。

2 Proteus的應(yīng)用

以單片機(jī)C程序設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)之一——LED顯示屏設(shè)計為例，說明Proteus7.8軟件在任務(wù)驅(qū)動型實驗教學(xué)中的應(yīng)用。

2.1 設(shè)計任務(wù)及要求

設(shè)計一LED點陣顯示屏，能動態(tài)顯示文字和圖案。其具體要求包括：(1)顯示圖形、中/西文字，三條以上廣告用語以及圖形的播放； (2)模塊化設(shè)計，若干模塊連接可組成給定大小的顯示屏(如8×8變?yōu)?6×32等，至少為16×16)； (3)可選擇廣告用語； (4)顯示方式的變化功能，上移、下移、左移、右移、旋轉(zhuǎn)，顯示速度的鍵盤控制(加速、減速)。

2.2 任務(wù)的實施及評價

接到設(shè)計任務(wù)后，學(xué)生首先自由組合組建設(shè)計小組；其次，各設(shè)計小組根據(jù)實驗項目(任務(wù))的要求，獨立擬定實驗設(shè)計方案、實施步驟以及系統(tǒng)實現(xiàn)框圖；然后，著手進(jìn)行程序設(shè)計開發(fā)、仿真調(diào)試、硬件設(shè)計制作及編寫設(shè)計報告等工作。整個設(shè)計過程大約歷時3周。指導(dǎo)教師只負(fù)責(zé)對設(shè)計方案進(jìn)行審查，在實驗過程中給予必要的啟發(fā)與引導(dǎo)，實驗完成以后對實驗結(jié)果和報告進(jìn)行評價。某個設(shè)計小組的LED顯示屏實現(xiàn)方案、Proteus仿真圖及仿真后LED顯示的部分圖案，如圖1和圖2所示。

圖1 LED顯示屏實現(xiàn)方案

從學(xué)生的任務(wù)完成情況看，達(dá)到如下教學(xué)目的：(1)學(xué)生具有掌握運(yùn)用C語言對AVR單片機(jī)進(jìn)行程序設(shè)計的能力，具有初步開展簡單電子系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的能力；(2)學(xué)生具有熟練運(yùn)用Proteus虛擬仿真功能開發(fā)調(diào)試電子系統(tǒng)的能力，實現(xiàn)了基于虛擬開發(fā)環(huán)境的無硬件驗證平臺的電子系統(tǒng)設(shè)計；(3)學(xué)生從系統(tǒng)實現(xiàn)方案的論證、元器件的選擇、程序設(shè)計開發(fā)到Proteus仿真調(diào)試等設(shè)計全過程的訓(xùn)練使其實踐能力得到提升，在查閱文獻(xiàn)的過程中，其專業(yè)知識面得到了拓展。

圖2 Proteus仿真后LED顯示屏顯示的部分圖案

總的來說，由于Proteus軟件超強(qiáng)的單片機(jī)虛擬仿真調(diào)試功能，使單片機(jī)C程序設(shè)計課程基于任務(wù)驅(qū)動型的實驗教學(xué)模式的實施變得簡單易行，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到激發(fā)。實踐證明，基于虛擬開發(fā)環(huán)境的任務(wù)驅(qū)動型實驗教學(xué)模式是開放型實驗教學(xué)模式的有效補(bǔ)充和拓展，非常有利于學(xué)生實踐動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 結(jié)束語

面對著電子系統(tǒng)仿真軟件向著網(wǎng)絡(luò)化、專業(yè)化、實時化和具有更高的開放性、可移植性和可擴(kuò)展性方向發(fā)展的趨勢，充分應(yīng)用Proteus軟件進(jìn)行電子技術(shù)課程實驗教學(xué)，是緩解地方院校因?qū)嶒灲虒W(xué)硬件條件不足而存在的教學(xué)壓力的有效解決辦法，也是電子信息技術(shù)實踐類課程教學(xué)改革的有效手段[5]。同時，使用Proteus軟件進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)仿真設(shè)計，是虛擬仿真技術(shù)和計算機(jī)多媒體技術(shù)相結(jié)合的綜合運(yùn)用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計能力及仿真軟件的操作能力。實踐證明，在使用Proteus進(jìn)行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進(jìn)行實際制作，能極大提高電子電路系統(tǒng)設(shè)計效率，進(jìn)一步縮短教學(xué)與工程實際的距離，故有較高的推廣利用價值[6]。

任務(wù)驅(qū)動型實驗教學(xué)模式的探索與實踐完全符合我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的大方向，基于Proteus虛擬開發(fā)環(huán)境的任務(wù)驅(qū)動型實驗教學(xué)模式是推進(jìn)教學(xué)改革和質(zhì)量工程的有效探索及拓展。今后，我們將在電子信息類專業(yè)課程的實驗教學(xué)中推廣應(yīng)用Proteus虛擬仿真技術(shù)，最大限度地開放實驗室資源，積極培養(yǎng)大學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力，為社會輸送更多合格的專業(yè)人才。

[1]元澤懷.開放式設(shè)計性綜合實驗課程教學(xué)的改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2009,28(11):120-122.

[2]周靈彬,張靖武.Proteus的單片機(jī)教學(xué)與應(yīng)用仿真[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2008(1):76-79.

[3]張文昭,李艷芳,劉愛林,等.任務(wù)驅(qū)動法和項目教學(xué)法整合在單片機(jī)課程中的實踐[J].湖南科技學(xué)院學(xué)報,2010,31(12):99-101.

[4]馬耀宗,劉道新,謝發(fā)勤.改革專業(yè)實驗課教學(xué)方法多途徑培養(yǎng)學(xué)生素質(zhì)[J].實驗室研究與探索,2008,27(7):111-113.

[5]皮之軍,李建海,于敏,等.開放式實驗教學(xué)模式的研究與探索[J].實驗技術(shù)與管理,2010,27(5):27-29.

[6]汪曉艷,程超.“任務(wù)驅(qū)動法”教學(xué)的創(chuàng)新思考[J].湖南科技學(xué)院學(xué)報,2008,29(8):241-243.

Research of Task Driven Experiment Teaching Mode Based on Proteus

YUAN Zehuai， CHEN Xiaoming

(Faculty of Electronic Information and Mechanical Electrical Engineering, Zhaoqing University, Zhaoqing 526061, china)

This paper introduces the implementation of using task driven experiment teaching based on Proteus in the experiment course “MCU C Language Program and Design”，and summaries the effect of the implementation method of task-driven experiment teaching. Practice has proved that Proteus can combine the abstract theory teaching and the vivid practice teaching by using Proteus to the development of system simulation, and has further shortened the distance of theory teaching and engineering practice. So it has the higher value of extension and application.

virtual environment; task driven; experiment teaching; Proteus software

2014-10-12

廣東省教育廳2013年質(zhì)量工程基金資助項目(粵教高函[2013]113號)；肇慶學(xué)院教學(xué)改革基金資助特別項目(JGYB201201)。

元澤懷(1975-)，男，碩士，高級實驗師，主要從事單片機(jī)C程序設(shè)計、電子設(shè)計等課程的教學(xué)及實驗指導(dǎo)工作。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.020