周偉偉,姬五勝,段 揚
(天津職業(yè)技術(shù)師范大學 電子工程學院,天津 300222)
隨著國家現(xiàn)代化進程越來越快,社會各行業(yè)對技能型人才的需求與日俱增,越來越多的學生開始選擇接受職業(yè)教育。因此,中等職業(yè)學校的辦學規(guī)模越來越大,學生人數(shù)急劇增加,導致學校在課堂教學和實驗教學方面出現(xiàn)超負荷狀態(tài)[1]。特別是在一些偏遠地區(qū),由于受經(jīng)濟條件的制約,實驗儀器和實訓設備嚴重匱乏,經(jīng)常出現(xiàn)多人使用一臺儀器的情況。甚至有些學校沒有條件開展實驗教學,這就完全背離了中職學生的培養(yǎng)目標。為了改善這種狀況,楊越提出整合校內(nèi)實驗資源,建立校外實踐資源[2]。許貴、湯善雯提出加大實驗室建設力度,完善實驗設施[3],[4]。這兩種方法雖然可以緩解或解決中職實驗教學問題,但實施起來難度大,周期長,并不符合目前中職學校的發(fā)展現(xiàn)狀。而將虛擬仿真技術(shù)引入中職教學之中,建立虛擬仿真實驗室的做法,不僅可以擺脫實驗教學對于儀器和設備的依賴,而且培養(yǎng)了學生自主學習的能力,不失為一種創(chuàng)新之舉。
虛擬仿真最早是1989年由美國Virginia大學的William Wolf教授提出[5]。其核心是建模和仿真,主要是以計算機技術(shù)為核心,輔助傳感器技術(shù)、多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)、人機接口技術(shù)、顯示技術(shù)、圖像處理與模式識別等多種技術(shù)構(gòu)建的虛擬環(huán)境,是用戶與計算機及其復雜的數(shù)據(jù)之間交互的一種技術(shù)。通過借助必要的輸入輸出設備,用戶可以和這個虛擬環(huán)境中的實體之間進行交互,并利用感官可以獲取信息,從而產(chǎn)生身臨其境的體驗。虛擬仿真技術(shù)具有以下4個特性[6]:
(1)沉浸性(Immersion),是指在這個虛擬環(huán)境中,用戶可以通過自己的觸覺,視覺,嗅覺,聽覺,運動感覺等多種感官,感知到環(huán)境中的信息,就像身處真實的物質(zhì)世界,能讓人產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。
(2)交互性(Interaction),是指虛擬環(huán)境可以對人產(chǎn)生影響,同樣,用戶也可以控制環(huán)境。并且虛擬環(huán)境能將人作用的結(jié)果實時展現(xiàn)出來。
(3)虛幻性(Imagination),即系統(tǒng)中的環(huán)境是人利用計算機等工具模擬出來的,可以是對真實存在的環(huán)境的模擬,也可以模擬人幻想的場景。
(4)逼真性(Reality),主要體現(xiàn)在兩個方面,一是構(gòu)建的虛擬環(huán)境給人帶來的體驗與真實世界相似,使用戶通過感官體驗到真實性。二是人作用于虛擬環(huán)境時,環(huán)境發(fā)生的變化符合真實世界的客觀規(guī)律。
在中職學校課堂教學與實驗教學中運用虛擬仿真技術(shù)有諸多優(yōu)勢。
大多數(shù)中職學生經(jīng)歷過中考失利之后,產(chǎn)生了厭學情緒和自我否定的心理狀態(tài),導致其在課堂上注意力不集中,對枯燥的理論知識十分排斥。引入虛擬仿真技術(shù),利用中職學生動手能力強,思維活躍等特點,能將大量抽象的理論知識具體化。通過虛擬環(huán)境的建立,引導其自主學習。
傳統(tǒng)的實驗室受到空間和時間上的限制,很難做到實驗室完全向?qū)W生開放。尤其是中職學校,由于其管理制度相對較嚴,很大程度上導致學生實驗和實訓時間緊張。而對于虛擬仿真實驗室而言,不存在此類問題,只要有一臺聯(lián)網(wǎng)的計算機,學生就能通過登陸虛擬仿真實驗室展開實驗。
對于大多數(shù)中職學校而言,沒有足夠的資金配套先進的實驗設施和建設充足的實訓場地,導致教學與實踐脫節(jié),學生無法獲得公平的操作機會。對于一些耗材量大且維護成本高的設備,或存在安全隱患的實驗,同樣制約著實驗課的開展。在這種情況下,利用虛擬仿真技術(shù),開展虛擬仿真實驗教學,可以有效解決以上問題。
傳統(tǒng)的實驗教學不管對于老師還是學生而言,都是一項“大工程”。同一個實驗,對于不同班級,老師需要重復很多次。每一次實驗,不管從實驗步驟的編寫還是實驗儀器的使用,老師都需要重復大量的工作。對于學生而言,如果跟不上老師講解的速度,實驗就無法進行。紙質(zhì)版的實驗報告,將會花費學生大量的精力。引入虛擬仿真技術(shù),建立虛擬仿真實驗室,老師只需要發(fā)布動態(tài)實驗提示,編寫實驗儀器使用演示,學生就可以根據(jù)提示自己開始實驗。實驗完畢自動保存實驗結(jié)果,生成實驗報告,系統(tǒng)自動評判實驗成績。
傳統(tǒng)的實驗教學大多屬于驗證性實驗,實驗步驟事先由教師統(tǒng)一部署,學生只需要按照實驗步驟按部就班去做,就會得到理想的實驗結(jié)果。這對于思維活躍的中職學生而言,缺乏挑戰(zhàn),長期如此,會影響其做實驗的興趣,容易養(yǎng)成固化思維,影響學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。借助虛擬仿真技術(shù),開發(fā)設計性實驗和綜合性實驗,以項目任務為驅(qū)動,鼓勵學生以分工合作的方式完成任務,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和團隊合作精神。
單片機課程作為機電、自動化等電類專業(yè)的實踐性學科,對中職學生培養(yǎng)動手能力和提升就業(yè)層次具有十分重要的作用[7]。利用虛擬仿真軟件Proteus和Keil搭建虛擬仿真實驗室,為單片機課程的課堂教學和實驗教學提供了新的途徑。
Proteus軟件是1989年由英國Lab Center Electronics公司開發(fā)的一款EDA工具軟件,經(jīng)過30年的不斷完善,其功能越來越強大,性能越來越穩(wěn)定。該軟件主要由ISIS和ARES兩個程序組成,ISIS用于原理圖繪制和仿真,利用其強大的元件庫,豐富的仿真工具可以實現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路、特別是單片機及外圍電路的設計與仿真,ARES用于PCB布線,可以實現(xiàn)印制電路板的設計和仿真[8],[9]。
Keil是由美國Keil Software公司研發(fā)的一款強大的軟件開發(fā)系統(tǒng),通過一個集成開發(fā)環(huán)境μVision將C編譯器、鏈接器、庫管理、宏匯編和仿真調(diào)試器組合起來,提供了一個完整的開發(fā)方案[10]。由于其集成環(huán)境簡易,軟件仿真調(diào)試工具豐富,深受軟件工程師青睞。
本文以綜合設計性實驗——萬年歷為例,利用Proteus軟件繪制電路圖,通過Keil軟件編寫程序,最后進行仿真。在該實驗中,萬年歷需要顯示日期,時間等功能。在此基礎上,可以引導學生進行擴展,添加溫度顯示和鬧鐘提醒等功能,培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。
3.3.1 硬件電路圖
本設計采用AT89C51單片機作為主控制器,使用DS1302時鐘電路進行計時,通過DS18B20傳感器采集溫度,利用LCD1602液晶屏顯示。按鍵S2~S5對顯示內(nèi)容進行設置,蜂鳴器用來提示鬧鐘時間。具體電路如圖1所示。在圖1中,運用了模擬電路和數(shù)字電路部分的知識,這對學生理解電路原理造成了困難。但是利用Proteus軟件繪制電路圖時,學生可以根據(jù)其提供的范例進行設計,即使出現(xiàn)錯誤,也能利用糾錯功能及時改正,在錯誤中積累經(jīng)驗。
圖1 萬年歷原理圖
3.3.2 軟件程序
根據(jù)圖1,利用Proteus軟件設計完電路圖之后,使用Keil軟件編寫程序,如圖2所示。在程序編寫過程中,注意程序中的位定義應該與硬件電路相對應。學生還可以利用C語言便于移植的特點,對以前編寫過的程序直接調(diào)用。程序編寫過程如下所示。
(1)創(chuàng)建項目工程,選擇合適的單片機型號,添加項目文件;
(2)根據(jù)電路實現(xiàn)的功能編寫源程序;
(3)運行源程序,通過仿真器生成HEX文件;
(4)修改程序中出現(xiàn)的錯誤;
(5)測試程序。
圖2 萬年歷的仿真程序
3.3.3 電路仿真
將編譯生成的HEX文件添加到Proteus軟件的項目文件中,點擊開始按鈕進行仿真。在仿真圖中,可以看到日期,時間,溫度等信息,通過Set鍵可以設置鬧鐘時間。仿真圖如圖3所示。由圖可以看出,利用Proteus軟件進行仿真教學,可以使教學內(nèi)容更豐富、生動、直觀,更加符合中職學生的學習特點。
圖3 Proteus仿真圖
將虛擬仿真技術(shù)引入中職單片機課堂教學和實訓操作中,彌補了傳統(tǒng)教學存在的不足,不僅提升了學生的課堂參與感,使其能積極參與到課堂教學活動中來,激發(fā)了學生的學習興趣,培養(yǎng)了其主動學習的能力,而且降低了課程難度,將抽象的理論知識變得更加形象、直接,更符合中職學生的學習特點。但同樣存在不足,利用軟件仿真對于學生電路制作和元器件的使用能力產(chǎn)生了影響。要想使單片機這門實踐性很強的課程發(fā)揮出真正的價值,就必須虛實結(jié)合,利用虛擬仿真技術(shù)學習理論課程、設計和仿真電路,最后,學生通過制作電路去理解理論知識。只有二者結(jié)合,才能達到真正的教育目標。