汪成義

（湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北武漢430205）

虛實(shí)結(jié)合促進(jìn)硬件類課程教學(xué)改革的實(shí)踐與思考

汪成義

（湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北武漢430205）

電子信息類專業(yè)的硬件類課程實(shí)踐性強(qiáng)，教學(xué)過(guò)程需與應(yīng)用緊密聯(lián)系，傳統(tǒng)的圖文顯示加講解的簡(jiǎn)單多媒體教學(xué)模式已不能滿足課程教學(xué)需要。將虛擬仿真技術(shù)引入課堂教學(xué)，可使項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法得到充分體現(xiàn)；通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)的虛實(shí)結(jié)合，采用模塊和項(xiàng)目分級(jí)結(jié)合的綜合教學(xué)模式，可突破實(shí)驗(yàn)條件的限制，充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，并讓不同基礎(chǔ)的學(xué)生都能得到充分的能力訓(xùn)練；對(duì)課程如何進(jìn)一步適應(yīng)專業(yè)的差異、需求的差異進(jìn)行了初步分析。

虛實(shí)結(jié)合；實(shí)驗(yàn)；硬件類課程；教學(xué)改革

一、引言

電子信息類本科專業(yè)通常會(huì)開(kāi)設(shè)一系列涉及硬件或軟硬件結(jié)合的課程，如模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機(jī)原理與應(yīng)用、數(shù)字信號(hào)處理、嵌入式系統(tǒng)等，這些課程的教學(xué)環(huán)節(jié)有一個(gè)共同特征，就是都必須做一系列實(shí)驗(yàn)，并需要在有電腦、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、測(cè)量?jī)x器的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。作為電子信息類本科專業(yè)開(kāi)設(shè)的應(yīng)用性、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，理論如何聯(lián)系實(shí)際一直是課程教學(xué)改革的關(guān)鍵，也相應(yīng)提出了很多教學(xué)方法，如案例教學(xué)法、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法［1］等，由于限于實(shí)驗(yàn)條件、成本等因素制約，課堂教學(xué)內(nèi)容往往限于紙上談兵，無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。［2］將仿真軟件逐步引入教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，不僅對(duì)教學(xué)方法、教學(xué)模式帶來(lái)根本性的影響，對(duì)提升學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、調(diào)試技能和創(chuàng)新能力有著實(shí)實(shí)在在的幫助。

由于仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)仍然有一定的差別，在用人單位的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往是先利用虛擬仿真進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，需要時(shí)再進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，虛實(shí)結(jié)合，相輔相成，實(shí)現(xiàn)高效低成本的設(shè)計(jì)。教學(xué)環(huán)節(jié)更需要引入虛擬仿真技術(shù)，虛實(shí)結(jié)合，克服教學(xué)條件的限制與不足。

二、技術(shù)及課程背景

可用于硬件類課程教學(xué)的仿真軟件眾多，主要有美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司的Multisim（原名EWB），其在電路仿真方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并特地為教與學(xué)提供了技術(shù)支持和設(shè)備支持，使教學(xué)中的理論、仿真、實(shí)驗(yàn)室三者融會(huì)貫通，并能仿真單片機(jī)；［3］澳大利亞Altium公司的Altium Designer（原名Protel），在電路原理圖繪制、印刷電路板文件制作及電路仿真方面一體化程度高，在國(guó)內(nèi)行業(yè)應(yīng)用也較多；英國(guó)LabCenter Electronics公司的Proteus，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路及數(shù)?；旌想娐返脑O(shè)計(jì)與仿真，特別地，它還能夠支持各種單片機(jī)及其外圍模擬電路、數(shù)字電路的軟硬件聯(lián)合仿真，并能支持大量的接口電路、測(cè)量?jī)x器的仿真。

在涉及硬件的課程中，單片機(jī)課程是電子信息類本科專業(yè)的必修課程，由于其重要性，通常又分為理論課和實(shí)驗(yàn)課兩個(gè)不同階段的課程，如單片機(jī)原理與應(yīng)用課和單片機(jī)課程設(shè)計(jì)課，理論課本身配有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，課程設(shè)計(jì)課則是進(jìn)行項(xiàng)目式的綜合設(shè)計(jì)，它們的特點(diǎn)是軟件與硬件緊密結(jié)合，且是在模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程的基礎(chǔ)上開(kāi)設(shè)的綜合應(yīng)用型課程，也是后續(xù)的嵌入式系統(tǒng)或更復(fù)雜的綜合性應(yīng)用課程的基礎(chǔ)，在虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)環(huán)節(jié)中具有典型性。

基于Multisim、Proteus類軟件的綜合仿真能力和單片機(jī)課程的綜合應(yīng)用特性，下面主要以單片機(jī)課程的理論課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)環(huán)節(jié)為對(duì)象，對(duì)教學(xué)改革實(shí)踐過(guò)程中的一些做法進(jìn)行總結(jié)。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)與理論課堂教學(xué)

（一）課堂教學(xué)改革的演進(jìn)

近十年來(lái)，單片機(jī)課堂教學(xué)隨著技術(shù)的進(jìn)步和用人需求的變化而不斷變化，課堂教學(xué)內(nèi)容由單純的匯編語(yǔ)言教學(xué)，逐步改革為以匯編語(yǔ)言為主C51語(yǔ)言為輔的混合模式，到全程以C51語(yǔ)言進(jìn)行教學(xué)的模式，大大降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，提高了教與學(xué)的效率，特別是更便于后續(xù)課程和實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)單片機(jī)的實(shí)際運(yùn)用，但再要進(jìn)行大的改革卻遇到困難。另一方面，原來(lái)只需學(xué)習(xí)傳統(tǒng)的MCS-51系列單片機(jī)即可適應(yīng)社會(huì)需要，而今應(yīng)用更多的是增強(qiáng)型的8051單片機(jī)、帶有大量片內(nèi)外設(shè)的16位的單片機(jī)和32位單片機(jī)。這就對(duì)教學(xué)的組織、教學(xué)效率、教學(xué)手段提出了更高要求，傳統(tǒng)的黑板板書(shū)教學(xué)模式、圖文顯示加講解的簡(jiǎn)單多媒體教學(xué)模式已不能勝任時(shí)代發(fā)展的需要。虛擬仿真軟件進(jìn)入教學(xué)課堂，為推進(jìn)適應(yīng)時(shí)代需要的教學(xué)改革提供了難得的技術(shù)手段，可以極大地加快教學(xué)改革的步伐。

（二）虛擬實(shí)驗(yàn)促進(jìn)課堂教學(xué)方法的改革

作為實(shí)踐性極強(qiáng)的單片機(jī)課程，讓教學(xué)過(guò)程全程實(shí)驗(yàn)室化，應(yīng)是未來(lái)課程改革方向的選擇之一，但目前還不太符合國(guó)情，有實(shí)驗(yàn)室資源的限制，有理論教學(xué)的習(xí)慣與方法的限制等。通過(guò)將虛擬仿真軟件引入課堂教學(xué)，不僅能展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，還能將課堂所有例題以現(xiàn)場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)的形式呈現(xiàn)，將電路原理圖的設(shè)計(jì)、控制程序的編寫、軟硬件聯(lián)合調(diào)試的過(guò)程根據(jù)課堂教學(xué)需要靈活演示、講解，并在課程配套的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中使用仿真與實(shí)物相結(jié)合的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使教學(xué)過(guò)程實(shí)驗(yàn)化，實(shí)驗(yàn)過(guò)程多樣化，從而使理論教學(xué)與應(yīng)用開(kāi)發(fā)過(guò)程緊密聯(lián)系，讓模擬實(shí)際項(xiàng)目的各種教學(xué)方法能更貼近實(shí)際設(shè)計(jì)場(chǎng)景，讓學(xué)生在直觀、有趣、高效的教學(xué)過(guò)程中學(xué)習(xí)理論知識(shí)，觀察設(shè)計(jì)與調(diào)試的過(guò)程，讓現(xiàn)場(chǎng)形成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論相互印證。

就教學(xué)方法而言，由于虛擬仿真的引入，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法、案例教學(xué)法等可以更加行之有效，如通過(guò)2到3個(gè)較大項(xiàng)目方案的演示，確立不同階段的目標(biāo)，激發(fā)學(xué)生的興趣，結(jié)合不同知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的小案例的虛擬仿真，通過(guò)逐項(xiàng)知識(shí)點(diǎn)的理解和小案例功能的實(shí)現(xiàn)，在階段后期進(jìn)行歸納、總結(jié)并形成項(xiàng)目完整的實(shí)現(xiàn)方案。［4］通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方式，部分項(xiàng)目還可以以大作業(yè)的形式讓學(xué)生課外完成。

（三）效果分析

通過(guò)近年來(lái)教學(xué)改革實(shí)踐過(guò)程的摸索，以及跟每屆畢業(yè)班學(xué)生的交流情況來(lái)看，將所有例題全程仿真的課堂教學(xué)方式深得學(xué)生喜愛(ài)，可有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低學(xué)習(xí)認(rèn)知的難度，提高教學(xué)效率和學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的效果。

四、虛實(shí)結(jié)合與實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)

（一）實(shí)驗(yàn)課程涉及的內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)課程主要是指為單片機(jī)課程配套的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)課，是單片機(jī)課程在實(shí)踐方面的進(jìn)一步延續(xù)與強(qiáng)化。該課程主要以項(xiàng)目的形式對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的訓(xùn)練，同時(shí)通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作、報(bào)告撰寫來(lái)提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)、溝通能力和文字表達(dá)能力。傳統(tǒng)的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是基于集成軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，基于簡(jiǎn)單的畫(huà)圖實(shí)現(xiàn)電路的方案設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)物的連接與測(cè)試進(jìn)行電路的準(zhǔn)備，具體環(huán)節(jié)包括：任務(wù)選擇；總體方案設(shè)計(jì)；功能實(shí)現(xiàn)，包括實(shí)驗(yàn)箱、小系統(tǒng)板、面包板或自制電路板的實(shí)際運(yùn)用；報(bào)告的撰寫；驗(yàn)收測(cè)試與答辯。由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限、實(shí)驗(yàn)用的元器件的種類和個(gè)數(shù)有限、實(shí)驗(yàn)測(cè)量和調(diào)試手段有限等因素，學(xué)生能力培養(yǎng)仍受到局限。

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)促進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程改革

虛擬仿真的引入，改變了實(shí)驗(yàn)的流程和實(shí)驗(yàn)的約束條件，使實(shí)驗(yàn)可以擁有巨大的虛擬元件庫(kù)、調(diào)試工具庫(kù)和測(cè)量?jī)x器庫(kù)，無(wú)論是老師出題還是學(xué)生設(shè)計(jì)可以更加“隨意”，即通過(guò)將仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分開(kāi)評(píng)分，讓老師出題時(shí)既考慮實(shí)驗(yàn)硬件條件限制，也能充分利用虛擬仿真軟件的靈活性，讓學(xué)生的設(shè)計(jì)功能不一定都要用硬件實(shí)現(xiàn)。而學(xué)生則可以利用仿真軟件的優(yōu)勢(shì)，以創(chuàng)新的思維設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能，以能從實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)到的硬件實(shí)現(xiàn)實(shí)物功能。特別地，可通過(guò)老師精心的任務(wù)設(shè)計(jì)，讓不同層次、不通能力背景的學(xué)生都能盡情發(fā)揮，做到自己能力的極致，從而可充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力、溝通能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)生綜合運(yùn)用單片機(jī)的能力，實(shí)現(xiàn)有效的分層教學(xué)。［5］

（三）實(shí)踐中的教學(xué)安排

基于以上思路，結(jié)合單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中的一個(gè)綜合設(shè)計(jì)題，說(shuō)明如何進(jìn)行仿真與實(shí)物實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)分開(kāi)，分層安排設(shè)計(jì)功能等。綜合設(shè)計(jì)題的題目是“基于單片機(jī)的多功能綜合應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”，該題由多個(gè)單項(xiàng)設(shè)計(jì)綜合構(gòu)成一個(gè)綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，每組（或每人）可根據(jù)本組（或本人）實(shí)際情況進(jìn)行內(nèi)容組合選擇，設(shè)計(jì)內(nèi)容分成四大模塊，分別是基本功能模塊、擴(kuò)展模塊、基本應(yīng)用模塊和賽前訓(xùn)練應(yīng)用模塊。

1.基本功能模塊：主要基于單片機(jī)小系統(tǒng)、4x4鍵盤或按鍵開(kāi)關(guān)、液晶屏、LED燈組成的基本硬件實(shí)現(xiàn)一系列控制功能，如燈的花樣變化控制、燈的速度變化控制、模擬真彩色屏單個(gè)像素點(diǎn)的色彩連續(xù)變化控制、三色聯(lián)動(dòng)控制、炫彩音樂(lè)顯示等，考慮到基礎(chǔ)比較差的學(xué)生的及格率，這部分分值可以比較高，如占實(shí)驗(yàn)部分的50%，且功能可進(jìn)行組合選擇，并要求先做虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)后再做實(shí)物實(shí)驗(yàn)，兩階段實(shí)驗(yàn)各占一半分，以強(qiáng)調(diào)兩者都重要。

2.擴(kuò)展模塊：主要是16x32點(diǎn)陣屏顯示、步進(jìn)電機(jī)控制、直流電機(jī)控制等模塊，主要是作為在應(yīng)用小項(xiàng)目中未必會(huì)用到，但值得訓(xùn)練的模塊，且只需任選其中一項(xiàng)，考慮到難度和實(shí)驗(yàn)設(shè)備個(gè)數(shù)的不足，點(diǎn)陣屏模塊可以只做仿真實(shí)驗(yàn)，其它模塊是先仿真實(shí)驗(yàn)后實(shí)物實(shí)驗(yàn)。

3.基本應(yīng)用模塊：主要是相對(duì)簡(jiǎn)單但較完整的應(yīng)用小項(xiàng)目，如數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)、數(shù)字時(shí)鐘的設(shè)計(jì)等，也可以是征得老師同意的自定小項(xiàng)目，每個(gè)小項(xiàng)目要求有多功能，要先仿真實(shí)驗(yàn)再實(shí)物實(shí)驗(yàn)，若應(yīng)用項(xiàng)目功能覆蓋部分基本功能模塊中的功能，認(rèn)同該功能在基本功能模塊中已實(shí)現(xiàn)。

4.賽前訓(xùn)練應(yīng)用模塊：主要是針對(duì)像“藍(lán)橋杯”之類的單片機(jī)設(shè)計(jì)大賽進(jìn)行小項(xiàng)目訓(xùn)練，是基本應(yīng)用模塊的補(bǔ)充，也是為滿足學(xué)生參加競(jìng)賽的訓(xùn)練需要，要求與基本應(yīng)用模塊相同。

（四）效果分析

通過(guò)近三年的教學(xué)效果來(lái)看，采用模塊和項(xiàng)目分級(jí)結(jié)合的綜合教學(xué)模式，并按子項(xiàng)難度分項(xiàng)給分的計(jì)分方式，能對(duì)學(xué)生的單片機(jī)應(yīng)用能力和基本功進(jìn)行較全面的訓(xùn)練，同時(shí)通過(guò)學(xué)生的自我選擇與實(shí)現(xiàn)，形成自然分級(jí)，讓不同能力的學(xué)生都能得到充分的訓(xùn)練。從學(xué)生課程總結(jié)、交流情況，畢業(yè)班學(xué)生反饋的找本專業(yè)崗位工作的適應(yīng)情況，以及班上學(xué)生近兩年連續(xù)獲“藍(lán)橋杯”單片機(jī)設(shè)計(jì)比賽省賽第一名的情況來(lái)看，教學(xué)效果改善明顯。

五、問(wèn)題與思考

課程的教學(xué)內(nèi)容和方法沒(méi)有最好，只有能與時(shí)俱進(jìn)并適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的教學(xué)內(nèi)容和方法才會(huì)更好。下面就課程教學(xué)中仍然令人糾結(jié)的兩個(gè)問(wèn)題略加分析，以期在下一步的教學(xué)改革中得到解決或驗(yàn)證。

（一）專業(yè)的差異

單片機(jī)作為控制開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)平臺(tái)，在電子信息類不同專業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域都有應(yīng)用，但不同專業(yè)具體應(yīng)用的軟硬件平臺(tái)和用法存在差異，學(xué)生學(xué)習(xí)的課程體系也有差異，課程訓(xùn)練內(nèi)容如何適應(yīng)這種差異？目前針對(duì)我校學(xué)生的學(xué)習(xí)能力水平和專業(yè)情況，正在嘗試的做法是，單片機(jī)原理課程全部以MCS-51單片機(jī)為對(duì)象，但在原單片機(jī)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)已做了調(diào)整，主要是結(jié)合不同專業(yè)特色課程內(nèi)容進(jìn)行針對(duì)性的綜合性設(shè)計(jì)，如物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)改成感知與控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)，即結(jié)合AT89S5x單片機(jī)、基于8051核的增強(qiáng)型單片機(jī)CC2530以及各種傳感器進(jìn)行項(xiàng)目化的訓(xùn)練。類似地，電子信息工程專業(yè)（嵌入式系統(tǒng)方向）則將單片機(jī)與小型嵌入式操作系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)等。實(shí)際效果待進(jìn)一步觀察。

（二）課程基礎(chǔ)與用人單位需求的差異

學(xué)校學(xué)的單片機(jī)課程是基于傳統(tǒng)的MCS-51單片機(jī)，而用人單位用的可能是8051增強(qiáng)型單片機(jī)、PIC或AVR類精簡(jiǎn)指令集的8位單片機(jī)、MSP430類16位的單片機(jī)和基于ARMcortex-Mx系列的32位單片機(jī)等，帶來(lái)一個(gè)新的問(wèn)題是：到底要以什么單片機(jī)作為單片機(jī)課程的教學(xué)平臺(tái)？其實(shí)，基于8051核的8位單片機(jī)也在應(yīng)用中發(fā)展，過(guò)去已用了三十六年，未來(lái)還會(huì)繼續(xù)有自己的位置，關(guān)鍵是學(xué)習(xí)起來(lái)原理簡(jiǎn)單、概念清晰、應(yīng)用經(jīng)典、知識(shí)的擴(kuò)展性強(qiáng)，方便進(jìn)一步學(xué)習(xí)更復(fù)雜的單片機(jī)。目前嘗試的解決辦法是，能在綜合性課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)涉及的，可以部分涉及，重點(diǎn)是在培養(yǎng)方案中增加相應(yīng)的后續(xù)選修課程，以及在課外活動(dòng)、學(xué)生項(xiàng)目、學(xué)生比賽前的訓(xùn)練中加以強(qiáng)化。在這些課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)中，虛擬仿真軟件都能發(fā)揮應(yīng)有的作用。

六、結(jié)語(yǔ)

電子信息類專業(yè)開(kāi)設(shè)的硬件或軟硬件結(jié)合類課程都有實(shí)踐性強(qiáng)、需要大量實(shí)踐訓(xùn)練的特點(diǎn)，且不同課程的仿真軟件可以相同或類似，故文中方法也適用于其它硬件類課程。無(wú)論是為滿足教學(xué)的需要，還是為滿足學(xué)生早日適應(yīng)用人單位的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程的需要，都應(yīng)借助虛擬仿真軟件進(jìn)行項(xiàng)目的初步設(shè)計(jì)、調(diào)試，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合達(dá)到高效學(xué)習(xí)、開(kāi)發(fā)的目標(biāo)，虛擬仿真軟件也是教學(xué)改革能依托的一個(gè)重要技術(shù)手段。

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