莫曉瑾

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院，湖北武漢　430050)

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虛擬化實驗室在單片機教學中的應(yīng)用

莫曉瑾

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院，湖北武漢430050)

摘要基于單片機課程對教學的實踐性要求程度較高，通過在教學中利用proteus仿真軟件，在課堂上實時建立起一個虛擬的實驗室，并和傳統(tǒng)的單片機教學進行對比，分析了這種教學方式在降低教學成本、提高教學時效和效果方面的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞虛擬實驗室；單片機；教學

在近幾年的全國職業(yè)技能大賽中，單片機技術(shù)、機器人技術(shù)都被列為了單獨的比賽項目，其根本目的在于通過考查過程來注重培養(yǎng)學生對技能知識應(yīng)用的能力。在國家提倡加快發(fā)展和重視職業(yè)教育的今天，以及對高等職業(yè)教育提出的“高端技能型專門人才”培養(yǎng)目標。對學生的技能素養(yǎng)教育更加成為了我們?nèi)瞬排囵B(yǎng)目標的重中之重。在很多高校都開設(shè)有單片機這門課程，它是電子電氣類專業(yè)最重要的核心課程之一，是在現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展需求下，這門課程成為電類專業(yè)高素質(zhì)技能型人才需要具備自動控制類知識結(jié)構(gòu)的載體，地位不可或缺。

1傳統(tǒng)單片機教學中的困境

單片機課程的實踐性比較強，根據(jù)這門課程的自身特性，決定了在教學過程中的難點比較多。傳統(tǒng)的單片機課堂教學環(huán)節(jié)一般為理論描述和匯編代碼展示。在課堂中常見的教學手段通常是將講授的教學內(nèi)容制作成形式多樣的幻燈片，如通過插入靜態(tài)圖片、動畫、音頻及視頻來列舉大量的實例，通過多媒體設(shè)備來進行實例演示的教學方法。其目的就是對于初學的學生們來說，讓難度較大的單片機教學內(nèi)容可以成為形象直觀，易于理解和接收。讓枯燥乏味的內(nèi)容變得生動有趣，使學生愿意對該課程產(chǎn)生興趣，提高他們的學習積極性，但這種普遍性的教學方式對于課程的效果卻非常有限。

尤其對于存在“輕理論重動手”觀念的單招班學生來說，我們以往普遍使用的傳統(tǒng)的教學方法注重的是課程本身的知識體系結(jié)構(gòu)和前后銜接的邏輯聯(lián)系，是以學科體系為出發(fā)點，但往往忽略了“可學性”，所以盡管運用了現(xiàn)代化的多媒體教學手段，但是大部分的時候呈現(xiàn)給學生的還是一個純理論的語言描述，缺乏有效的演示方法，使初學者不好理解。致使學生學得吃力，老師教得辛苦，教學效果卻沒有顯現(xiàn)出來。為了改善課程對學生造成的枯燥感，提高學習興趣和教學效率，需要在課程的教授過程中提高學生的動手實踐的頻率。但是對于提高實踐利用率，我們只利用實驗室的話，就存在場地和時間的限制。而且學生在實驗課后，對于每個學生來說，利用其他機會來接觸到實踐所需要的設(shè)備是有困難的，如仿真器、實驗板等。個人配備又所需成本太高，各種原因局限了學生課后的動手實踐條件。

近幾年來，多數(shù)高校在單片機的實驗教學方面，普遍采用的是專門用于實驗的單片機集成實驗箱。這種傳統(tǒng)的普及型教學方式不僅使學校在教學設(shè)備的投入上花費很大,而且通過這種與實驗課程相結(jié)合的教學效果也并不太理想。再加上我們的實踐教學環(huán)節(jié)中主要采用的是驗證性實驗教學，等于是讓學生照著實驗指導(dǎo)書的詳細步驟依葫蘆畫瓢。在幾屆學生的實踐教學中我們發(fā)現(xiàn)，每次實驗用到的只是實驗箱的固定模塊。特別是在實驗箱平臺上，MUC的輔助、擴展等電路基本已經(jīng)分配好,學生在實驗動手的過程中往往只需連接幾根導(dǎo)線，然后輸入相關(guān)程序，最后等待觀看實驗結(jié)果。通常整個實驗過程大概最多只需在20分鐘之內(nèi)，所以在剩余的教學時間內(nèi)，大部分同學只是按部就班地完成實驗步驟，只有少數(shù)喜愛單片機技術(shù)的學生會去嘗試通過改變輔助電路等來觀察實驗結(jié)果的變化,實驗課程對輔助他們?nèi)ダ斫夂驼莆罩R點并沒有起到多大成效。那么利用這樣實驗教學方式并沒有對學生實驗設(shè)計能力的培養(yǎng)，擴展思路、提高學習興趣起到有效的幫助。反而讓學生過分的依賴教師, 學習依舊被動，實驗效果并不好。

那么怎樣才能以最經(jīng)濟、便捷、安全的方式解決這些問題呢？而且可以讓學生不需要多大的花費，就可以隨時在課堂中動手實踐。于是通過利用日益流行和使用方便的軟件虛擬技術(shù)，在課程中引入了Proteus 仿真軟件。相當于僅僅只需利用一個應(yīng)用軟件，就可以讓每個學生擁有一個屬于自己的單片機實驗室來改善我們教學方面的局限性，針對傳統(tǒng)教學方法的不足來進行輔助性的彌補，使理論和實驗教學在一個現(xiàn)代化的平臺上更加相輔相成，也讓我們的項目驅(qū)動教學法容易更加便捷化的實現(xiàn)。

2虛擬實驗室在教學中的應(yīng)用

和真實的實驗臺類似，虛擬實驗室也可供學生自己動手配置、連接、調(diào)節(jié)和使用實驗儀器設(shè)備。 有別于我們常用的實驗教學課件，它的最大優(yōu)勢就是教師只需要通過使用虛擬器材庫中的器材，就可以自由搭建任意合理的實驗案例。在這個虛擬實驗室里，學生既可以在虛擬的實驗臺上動手操作，又可自主地去設(shè)計實驗，既有利于培養(yǎng)他們的操作能力、分析診斷能力、設(shè)計能力，還能開發(fā)和提高他們的創(chuàng)新意識。在虛擬實驗室中，學生更易接受相關(guān)的知識信息，能夠獲得更加實時的指導(dǎo)，教師也可以更加實效地獲取教學信息的反饋。

Proteus是英國Labcenter electronics公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件,也是目前應(yīng)用非常廣泛和成熟，模擬單片機外圍器件的最好工具之一。與其他仿真軟件相比，Proteus的主要優(yōu)勢是,它不僅能仿真CPU的工作情況,還可以對外圍電路或沒有單片機參與的其他電路的工作情況進行仿真。為此,在仿真和調(diào)試程序時,我們關(guān)注的重點不再是某些語句執(zhí)行時寄存器和存儲器內(nèi)部的改變,而是通過仿真實施過程從工程應(yīng)用角度上直接觀察程序運行和電路工作的過程和結(jié)果。在該軟件的元件庫內(nèi)有數(shù)千種元器件可供使用,所以盡管是通過虛擬實驗室做實驗，不僅可以進行軟件的匯編、調(diào)試,還可以提供大部分的硬件接口電路，兼容和支持如Keil等具有強大的原理圖繪制功能的第三方的軟件編輯和調(diào)試。通過把兩者結(jié)合起來構(gòu)建成虛擬的實驗室平臺，在仿真過程中發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，讓軟件調(diào)試和硬件設(shè)計更加便捷、高效。

2.1虛擬實驗室的引入

通過使用虛擬實驗室軟件，在課堂教學過程中，我們只需利用Proteus 仿真軟件，在制作原理圖的基礎(chǔ)上就可以進行實時地交互式仿真，在課堂教學中可以實時有效地進行各種項目實例演示。在傳統(tǒng)的教學當中，即便是應(yīng)用多媒體教學，我們通常采用的是在幻燈片中插入原理圖，授課教師必須課前繪制好原理圖，對于復(fù)雜一點的項目實例來說，制作課件時非常費時費力，從演示效果上來說基本上也都是靜態(tài)的圖片為主。如果在課堂教學中利用Proteus 仿真軟件來配合和完善教學演示，講授的教師只需要通過該軟件預(yù)先設(shè)計大量的單片機應(yīng)用實例，在課堂教學中可以直接用Proteus 軟件演示單片機軟硬件設(shè)計、開發(fā)、調(diào)試的全過程，并且可以讓學生很直觀地觀察硬件的工作和程序執(zhí)行效果。學生通過課堂演示的實例，就可以實時有效地理解和觀察。讓學生可以更深刻地理解單片機的工作原理，直觀地掌握單片機軟件和硬件系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試及其仿真過程及最后的運行結(jié)果，降低因為課程本身的難度而導(dǎo)致地對學習的抵觸，提高學生的學習積極性。

其次，利用Proteus 搭建虛擬實驗室進教學，能更有效地輔助對難點的理解。例如在教學中P口作為準雙向口的這個概念以及如何應(yīng)用、中斷如何產(chǎn)生、LED燈的位選和線選如何區(qū)別等。對于這些課程教學當中的重點和難點，我們不需要在實驗室里去花費更多的時間做演示來輔助教學，只需通過Proteus仿真軟件構(gòu)建的虛擬實驗來演示就能讓學生直觀清楚地去理解該難點。

例如,中斷是教學中難以掌握的問題，采用傳統(tǒng)的教學方法，不僅使學生在課堂上常常出現(xiàn)聽不懂的情況，即便學生在課后花費大量時間練習，仍然對此知識難點理解不透徹?，F(xiàn)在不必去實驗室，在課堂上利用多媒體教學設(shè)備，使用Proteus 構(gòu)建虛擬的單片機實驗室就可以進行仿真，讓每個學生都可以充分利用免費的軟件資源，就可以實時參與操作，且顯示直觀清晰。圖1顯示的是一個用proteus仿真演示外部中斷的界面，利用外部中斷INT0，單鍵控制花樣流水燈。用AT89C51單片機設(shè)計一個彩燈循環(huán)控制系統(tǒng)，P0口8引腳各接一個發(fā)光二極管，P3.2引腳接一個按鈕開關(guān)，用此按鈕控制外中斷INT0。在沒有任何按鈕動作的時候，8個發(fā)光管同時不停閃爍。當單擊按鈕時，發(fā)生外中斷0，相當于切換了一種流水方式，單燈移動循環(huán)三次，循環(huán)結(jié)束后再返回執(zhí)行主程序，發(fā)光二極管的狀態(tài)又進行了復(fù)原，回到?jīng)]有按下按鈕時的狀態(tài)。在Protues軟件中選擇相關(guān)的器件: AT89C51、BUTTON、CAP、RES、CRYSTAL、LED YELLOW等,按照圖1所示的原理圖，在Protues中完成該項目的設(shè)計圖。然后使用編程語言，采用自上而下的設(shè)計方法對以上編寫完的程序進行調(diào)試,并通過如keil第三方軟件進行編譯,產(chǎn)生HEX文件。最后加載由keil軟件創(chuàng)建的xxx. hex文件燒錄到Proteus中, 通過軟硬件結(jié)合調(diào)試仿真，就可以對彩燈循環(huán)系統(tǒng)進行控制，運行后得到的仿真效果跟實驗箱的實驗效果一樣。由此實驗演示來看到外部向量中斷0控制起到的作用，學生通過直觀地觀察和操作，不僅清楚地明白了什么是中斷，更加輕松的學懂了怎樣指定用外中斷INT0，更加消除了他們因困難而產(chǎn)生對課程的抵觸和厭學情緒。

圖1　外部中斷0 proteus仿真演示

2.2利用proteus對傳統(tǒng)實驗教學的改進和完善

傳統(tǒng)單片機實驗中中，為了學生提高設(shè)計和操作能力，以及對各部分電路的理解，我們不可能去改變單片機實驗箱中的電路。所以即便是讓學生自主連線，電路連線的方法也是固定不變的。在傳統(tǒng)的實驗教學方式中，僅僅利用實驗室的實驗箱，學生只能沒有選擇性地按實驗電路預(yù)先設(shè)定好的方法，在對理論知識理解基礎(chǔ)上，以一種幾乎不變的方式來進行驗證性的實驗操作。我們利用仿真軟件Proteus 構(gòu)建的虛擬實驗室來進行實踐操作以后，可以進行仿真的內(nèi)容幾乎涵蓋了單片機課程的所有知識點，使實踐性教學內(nèi)容變得更加豐富，靈活性更大。通過這樣的實驗操作方式，讓每個學生都可以通過虛擬實驗室所提供的元器件模型和外設(shè)模型獨立地去進行硬件電路圖設(shè)計，軟件編程，聯(lián)合調(diào)試，并能及時觀察實驗結(jié)果。通過增補這樣的實驗教學方式，不僅能讓學生以一種輕松有趣的方式了解應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路的結(jié)構(gòu)，鍛煉編程能力，還激發(fā)了他們的探索和創(chuàng)新意識。

此外，利用Proteus 仿真軟件還彌補了在學習過程中因操作條件的要求對時間的限制，給學生在課內(nèi)課外提供了更加靈活自由的學習空間，對實踐操作的要求變得更加便捷。學生只需有一臺電腦，就可以在PC上通過使用Proteus仿真軟件隨時進行各種典型項目的實驗了。既省去了在實驗器材上的大量花費，又能避免在真實實驗環(huán)境下，因操作不當而造成的儀器損毀及各種不安全因素。涵蓋所有知識點的實驗都可以通過使用該軟件預(yù)先在虛擬環(huán)境上實現(xiàn)，再移植到物理實驗環(huán)境上來完成。我們可以在教學中將虛擬實驗和物理實驗的實驗過程和實驗結(jié)果進行對比，讓學生通過對虛擬實驗的認識從而加深對物理實驗的理解。實踐證明，這種行之有效的虛擬化實驗讓學生對課程實踐產(chǎn)生了極大的興趣且受到學生的喜歡，易學易用。

3虛擬實驗室在教學中的應(yīng)用效果

從教學效果的反饋信息中，以往常聽到學生反映單片機課程難學難懂，枯燥乏味。特別是對于基礎(chǔ)薄弱的單招班學生來說，這門專業(yè)課程顯得難度更加大，在課程學習的初期就產(chǎn)生了因難學而抵觸學習的現(xiàn)象。自從嘗試將虛擬實驗室教學引入課堂后，學生普遍反映比以往的教學方式更加吸引他們，虛擬實驗室的使用讓單片機課程的學習由抽象變形象，使重點易懂、難點化簡。這種極為接近真實實驗的動態(tài)演示的教學手段的引入，使每個學生都可以隨時擁有一個完整的虛擬實驗室，學生可在Proteus 仿真環(huán)境中大膽地進行設(shè)計、調(diào)試和修改，不用擔心因知識欠缺和操作不當而損壞元器件和儀器。由于在安裝實物作品前就可以看到結(jié)果，所以學生的膽子大了，獨立操作能力、主動性和創(chuàng)造力都得到了發(fā)揮，教學質(zhì)量明顯提高。

對于做課程設(shè)計的學生，通過利用仿真軟件構(gòu)建的虛擬實驗室，就可以根據(jù)布置的設(shè)計項目的任務(wù)和要求進行自主設(shè)計，既增加了學生的動手創(chuàng)新設(shè)計的信心，又減少了系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)難度。在仿真驗證有效的基礎(chǔ)上，再去安裝實際電路，成功率很高。以往不經(jīng)過仿真的實際作品，不僅成功率比較低，器件損壞也多。在實際的教學過程中證明了它是學生學與用、理論與實踐相結(jié)合的優(yōu)秀平臺，提高了單片機實踐活動的成效。

4結(jié)語

引入虛擬實驗室在針對單招班的單片機教學中取得了相當理想的教學效果，特別是對于剛剛接觸到單片機的單招班的學生來說，利用這樣的教學方法和手段，既增加了課程的趣味，又緩解了傳統(tǒng)教學中實驗場地供給的緊張,有效地解決了理論與實踐脫節(jié)的矛盾，彌補了教學缺陷，有效地提高了教學效果。有助于縮短從理論知識到實際應(yīng)用的過程，讓學生更加有效地掌握所學知識，促進了對學生學習興趣和創(chuàng)新能力的提高。促進了教學的改革，讓教學者在教學方法的不斷更新和嘗試中找到更加符合教學對象的針對性改進，對教學具有指導(dǎo)意義。但必須指出，仿真不能完全代替實物，在實際應(yīng)用中會遇到很多新的問題，我們也不可完全拋棄已有的教學模式和實驗手段。

參考文獻

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(責任編輯：譚銀元)

Application of Virtual-reality Laboratory in MUC Course Teaching

MO Xiao-jin

(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China)

Abstract:Practice is the important part of MCU course .The Proteus simulation software is introduced in the classroom teaching to establish a virtual-reality laboratory in class at any time. Compared with the traditional single-chip microcomputer teaching, this teaching method is effective in reducing the teaching cost and improving the teaching efficiency.

Key words:MCU; virtual-reality laboratory; teaching

作者簡介：莫曉瑾，女，講師，碩士研究生，主要從事通信技術(shù)與現(xiàn)場總線控制技術(shù)。

收稿日期：2014-11-19

中圖分類號G712

文獻標志碼A

文章編號1671-8100(2015)02-0081-05