虚实结合的单片机教学案例创新研究与实践

陈 玮 罗庆跃 王晓芳 顾思思 邓小娟 宁康琪 蔡玉梅

（邵阳学院，湖南 邵阳 422004）

虚实结合的单片机教学案例创新研究与实践

陈 玮 罗庆跃 王晓芳 顾思思 邓小娟 宁康琪 蔡玉梅

（邵阳学院，湖南 邵阳 422004）

传统单片机教学案例往往基于实验箱、开发板等特定装置，存在一定的局限性。通过对虚拟仿真技术的研究，并结合单片机课程的特点，对教学案例进行创新和优化，可以帮助学生更好地掌握单片机应用技术。实践证明，案例创新教学效果好，实现了预定的研究目标。

单片机教学；案例创新；虚拟仿真

1 引言

当今最热、最火的云计算、物联网、应用生态系统、可穿戴电子设备、移动互联网、消费电子产品…都离不开单片机（嵌入式）系统。统计数据显示，INTEL和AMD生产的所有x86类型的处理器（即桌面计算机、笔记本电脑、服务器…等通用计算机的CPU），加在一起还不到微处理器总消耗量的0.1%。单片机（嵌入式）系统的工业年产值已超过1万亿美元，单片机（嵌入式）技术应用前景一片光明。通过研究虚实结合的单片机教学案例，可以帮助学生多、快、好、省地掌握单片机及其相关应用技术，实实在在地为学生就业、深造、创业服务[1]。

2 虚拟仿真技术

虚拟仿真的概念最早由美国Virginia大学的William Wulf教授提出。随之，许多世界著名大学都进行了虚拟仿真技术的研究。目前，国外对于虚拟仿真技术的研究已经逐渐成熟。美国Michigan大学化工系创建的VRiCHEL(Virtual Reality in Chemical Engineering Laboratory)将虚拟仿真技术应用在化学工程教育领域，设计了多个虚拟实验，一些原型虚拟实验室已通过国际互联网对用户开放，允许通过国际互联网在虚拟实验室进行交互式实验。近年来，国内一些高校(如清华大学、上海交通大学、大连理工等)的教室和实验室也装备了仿真软件或虚拟仪器平台，如：中国科学技术大学的大学物理虚拟实验室将虚拟实验应用于教学演示与物理实验方面，是全国第一套真正意义上的虚拟实验教学软件-采用虚拟智能仪器代替价格昂贵、操作复杂、容易损坏、维修困难的实验仪器，具有操作简便、效果真实、物理图像清晰、着重突出物理实验设计思想的特点。南京大学建立的分析化学大型仪器虚拟实验室，可以在虚拟实验室中对实验仪器虚拟操作。浙江大学的“大学工程化学实验系统VLABS”基于网上虚拟技术提供了一系列工科化学实验的网上仿真。此外，西安交通大学、西北工业大学等许多大学也建立了虚拟实验室，方便学生学习或者科研。以上虚拟仿真技术的应用都致力于让人们在虚拟实验室中进行模拟实验或是在Internet上演示实验的仿真结果。

互联时代、后PC时代，新的智能微控制器层出不穷。随着微控制器应用的日益广泛，虚拟仿真技术越来越多地被应用于单片机（嵌入式）领域。英国Labcenter Electronics公司推出的Proteus[2]软件不仅可以Caputre schematic、Layout PCB，而且可以进行单片机及其外围电路仿真，非常适合单片机教学和开发。

3 教学案例创新研究

3.1 教学案例研究现状

(1)以“单片机 教学 案例”为关键词，百度共搜索出5,980,000个相关结果。通过中国知网（CNKI）等国内常用检索系统和百度搜索引擎，大致了解到目前国内实施单片机案例教学的部分高校的案例设置基本情况-国内主要以51内核的单片机为学习对象，案例既包括流水灯等经典实验案例，也包括DS1302、AT24C02等新案例。

(2)以“MCU teaching case”为关键词，Google共搜索出About 23,400,000 results个相关结果。通过Google搜索和委托国内学术科研第一站-小木虫论坛的网友进行国外常用检索系统的检索，初步了解到目前国外单片机案例设置的基本情况-主要以AVR、PIC系列单片机教学[3]，其中不乏小而精的案例，更不乏机器人等复杂案例。

3.2 教学案例创新研究实践

课题组为案例教学选用的仿真软件均为标准化程度高、实用性强、功能完善、技术支持广泛的商用软件Demo版（见图1）。综合运用KEIL μVision和Proteus的案例教学，相比传统开发板、实验箱的教学案例，不受具体实验室场地、设备和条件的限制，可以为学生课后自主学习创造更佳的条件，不仅方便灵活，而且降低了学习成本，可谓省时省力省钱。

图1 虚实结合的案例教学软件

(1)案例创新

在入门教学阶段，创新性地将通用计算机上ANSI C编写的Hello world程序移植至（嵌入式）单片机，并进行针对性的代码演进。

在国内，C语言程序设计课程的开设往往早于单片机课程，而理工科学生学习C语言编程，接触的第一份代码往往是Hello world。通过Hello world移植演示的案例，学生可以类比ANSI C与Keil C51在语法、头文件、IDE等方面的异同，达到触类旁通，快速上手实践的目的。再通过将Hello world代码基本型修改为函数型的案例，可以规范学生代码编写风格，培养其良好的编程习惯，增强其对C语言面向过程（函数）编程思想的理解。

创新性的设计代码移植案例，一方面巩固了学生的程序设计基础，一方面令学生对单片机有了一个初步的认识，一方面使学生通过亲身感受，了解到先修C语言程序设计课程与再修单片机课程的关联。教学实践证明，基于新的教学案例，学生在2-4学时后，即可完成传统教学模式下需讲授10多个课时才能完成的实验项目。快速入门的指导思想，遵循学生的认知规律，对于学生树立信心、建立成就感、提高学习兴趣大有裨益。

(2)案例优化

在深入教授单片机应用技术的阶段，对传统教学案例进行优化和微创新，科学组织案例链：①由易至难的安排教学案例，如研讨完软件延时案例后，即按定时/计数器、中断系统的内容顺序讲解和实验单片机功能部件。学生通过对延时功能一而再、再而三的应用，可以深刻体会软件延时、硬件延时、中断延时各自的关键所在；②结合生活和工程实际，仔细推敲知识点，从小到大的设计最具代表性、实用性，同时最能说明问题的典型案例和实验。帮助学生先部分再整体、循序渐进地完善一个或多个单片机（嵌入式）系统设计，为学生下一阶段的学习奠定基础。

课题组通过教学实践后，初步确定了教学改革后的案例链（见图2）。

图2 改革后的教学案例及实践环节安排

创新案例结合工程实际项目的教法，注重学生自主学习能力的培养，将虚实结合的案例教学理念落到了实处，完全符合工程教学在做中学(Learning by Doing)的先进教法。通过设计科学、缜密的创新案例，以项目驱动[4]的方式稳扎稳打地夯实基础，不但可以帮助学生掌握单片机应用技术，而且可以进一步强化C语言编程能力，不断增强学生的实践动手能力，为后续嵌入式系统开发奠定基础。

(3)应用现代信息技术辅助案例教学

通过为学生设计典型、有趣的任务案例，应用虚拟仿真技术，构建课堂、课外、实验室统一的立体化课程学习平台；应用计算机网络和通信技术，建立方便计算机、手机访问的学习资源库；应用计算机辅助教学软件，寓教于乐，进而寓乐于教，使学生在轻松愉快的氛围中，掌握单片机及其相关应用技术。此外，还依托班级QQ群、飞信、微信群，开展实时讨论、即时问答；利用课程网站、教师世界大学城空间和博客、QQ群论坛，加强师生互动。现代信息技术的应用和互动反馈机制的实施，不但有利于学生互帮互助，而且可以培养学生的责任感和团队协作能力。

4 结束语

通过直观易懂、虚实结合的单片机教学案例，有效降低了单片机学习曲线(The learning curve)的陡峭度，很好地激发并保持了学生的学习兴趣，令学生在入门和后续学习阶段均受益匪浅。对比采用传统案例教学的系部和班级，创新的教学案例营造了更加良好的环境和学习氛围，大大缩短了学生上手实践的时间，增强了学生的单片机应用系统设计能力，提高了单片机课程的教学质量，达到了引导学生多、快、好、省地掌握单片机及其相关应用技术的教学改革目标。与此同时，增进了课题组教师之间的交流和学习，为项目成果在课程直接或间接相关专业推广做好了各方面的准备。

[1]何立民．物联网概述第5篇:物联网时代的人才需求与人才培养[J]．单片机与嵌入式系统应用,2012,(2):79-81．

[2]Labcenter Electronics Ltd．[EB/OL]．http://www．labcenter．com

[3]Cornell University．Designing with Microcontrollers[EB/OL]．http:// people．ece．cornell．edu/land/courses/ece4760/．

[4]顾思思．项目驱动式教学法在我校文科类专业Access课程教学中的应用研究[J]．中国科教创新导刊,2012,20:154-156．

The Research and Practice of Virtuality and Reality Combined MCU Teaching Case

Chen WeiLuo Qingyue Wang Xiaofang Gu SisiDeng Xiaojuan Ning KangqiCai Yumei
(Shaoyang University,Shaoyang 422004,Hunan)

act】Traditional MCU teaching case is usually based on experiment box,development board,etc.Specific devices have certain limitations.With the virtual simulation technology research and combination of the characteristics of MCU course, teaching cases are innovated and optimized,helping students to grasp the MCU applied technology in a better way.Practices show that teaching case innovation have good effect,achieving predetermined research goal.

MCU teaching;case innovate;virtual simulation

G42文献表示码：A

1008-6609(2015)03-0029-02

陈玮，男，湖南邵阳人，硕士，讲师，研究方向：嵌入式系统及应用。

湖南省教育厅普通高校教学改革研究项目，项目编号：湘教通[2013]223号文399项；邵阳学院教学改革研究资助项目，项目编号：2013JG23；本文得到邵阳学院电力系统及其自动化重点学科资助。