虚实结合促进硬件类课程教学改革的实践与思考

汪成义

（湖北经济学院信息工程学院，湖北武汉430205）

虚实结合促进硬件类课程教学改革的实践与思考

汪成义

（湖北经济学院信息工程学院，湖北武汉430205）

电子信息类专业的硬件类课程实践性强，教学过程需与应用紧密联系，传统的图文显示加讲解的简单多媒体教学模式已不能满足课程教学需要。将虚拟仿真技术引入课堂教学，可使项目驱动教学法得到充分体现；通过仿真实验与实物实验的虚实结合，采用模块和项目分级结合的综合教学模式，可突破实验条件的限制，充分激发学生的创新能力，并让不同基础的学生都能得到充分的能力训练；对课程如何进一步适应专业的差异、需求的差异进行了初步分析。

虚实结合；实验；硬件类课程；教学改革

一、引言

电子信息类本科专业通常会开设一系列涉及硬件或软硬件结合的课程，如模拟电子技术、数字电子技术、单片机原理与应用、数字信号处理、嵌入式系统等，这些课程的教学环节有一个共同特征，就是都必须做一系列实验，并需要在有电脑、实验设备、测量仪器的实验室环境进行实验。作为电子信息类本科专业开设的应用性、实践性很强的课程，理论如何联系实际一直是课程教学改革的关键，也相应提出了很多教学方法，如案例教学法、项目驱动教学法［1］等，由于限于实验条件、成本等因素制约，课堂教学内容往往限于纸上谈兵，无法现场验证。［2］将仿真软件逐步引入教学的各个环节，不仅对教学方法、教学模式带来根本性的影响，对提升学生的设计能力、调试技能和创新能力有着实实在在的帮助。

由于仿真实验与实物实验仍然有一定的差别，在用人单位的实际设计过程中，往往是先利用虚拟仿真进行初步设计，需要时再进行实物验证，虚实结合，相辅相成，实现高效低成本的设计。教学环节更需要引入虚拟仿真技术，虚实结合，克服教学条件的限制与不足。

二、技术及课程背景

可用于硬件类课程教学的仿真软件众多，主要有美国国家仪器（NI）有限公司的Multisim（原名EWB），其在电路仿真方面具有独特的优势，并特地为教与学提供了技术支持和设备支持，使教学中的理论、仿真、实验室三者融会贯通，并能仿真单片机；［3］澳大利亚Altium公司的Altium Designer（原名Protel），在电路原理图绘制、印刷电路板文件制作及电路仿真方面一体化程度高，在国内行业应用也较多；英国LabCenter Electronics公司的Proteus，能实现数字电路、模拟电路及数模混合电路的设计与仿真，特别地，它还能够支持各种单片机及其外围模拟电路、数字电路的软硬件联合仿真，并能支持大量的接口电路、测量仪器的仿真。

在涉及硬件的课程中，单片机课程是电子信息类本科专业的必修课程，由于其重要性，通常又分为理论课和实验课两个不同阶段的课程，如单片机原理与应用课和单片机课程设计课，理论课本身配有基础实验课，课程设计课则是进行项目式的综合设计，它们的特点是软件与硬件紧密结合，且是在模拟电子技术、数字电子技术、C语言程序设计课程的基础上开设的综合应用型课程，也是后续的嵌入式系统或更复杂的综合性应用课程的基础，在虚实结合的教学环节中具有典型性。

基于Multisim、Proteus类软件的综合仿真能力和单片机课程的综合应用特性，下面主要以单片机课程的理论课堂教学和实验课程教学环节为对象，对教学改革实践过程中的一些做法进行总结。

三、虚拟实验与理论课堂教学

（一）课堂教学改革的演进

近十年来，单片机课堂教学随着技术的进步和用人需求的变化而不断变化，课堂教学内容由单纯的汇编语言教学，逐步改革为以汇编语言为主C51语言为辅的混合模式，到全程以C51语言进行教学的模式，大大降低了学生学习的难度，提高了教与学的效率，特别是更便于后续课程和实践环节对单片机的实际运用，但再要进行大的改革却遇到困难。另一方面，原来只需学习传统的MCS-51系列单片机即可适应社会需要，而今应用更多的是增强型的8051单片机、带有大量片内外设的16位的单片机和32位单片机。这就对教学的组织、教学效率、教学手段提出了更高要求，传统的黑板板书教学模式、图文显示加讲解的简单多媒体教学模式已不能胜任时代发展的需要。虚拟仿真软件进入教学课堂，为推进适应时代需要的教学改革提供了难得的技术手段，可以极大地加快教学改革的步伐。

（二）虚拟实验促进课堂教学方法的改革

作为实践性极强的单片机课程，让教学过程全程实验室化，应是未来课程改革方向的选择之一，但目前还不太符合国情，有实验室资源的限制，有理论教学的习惯与方法的限制等。通过将虚拟仿真软件引入课堂教学，不仅能展示实验结果图，还能将课堂所有例题以现场仿真实验的形式呈现，将电路原理图的设计、控制程序的编写、软硬件联合调试的过程根据课堂教学需要灵活演示、讲解，并在课程配套的基础实验中使用仿真与实物相结合的方式进行实验，使教学过程实验化，实验过程多样化，从而使理论教学与应用开发过程紧密联系，让模拟实际项目的各种教学方法能更贴近实际设计场景，让学生在直观、有趣、高效的教学过程中学习理论知识，观察设计与调试的过程，让现场形成的实验结果与理论相互印证。

就教学方法而言，由于虚拟仿真的引入，项目驱动法、案例教学法等可以更加行之有效，如通过2到3个较大项目方案的演示，确立不同阶段的目标，激发学生的兴趣，结合不同知识点对应的小案例的虚拟仿真，通过逐项知识点的理解和小案例功能的实现，在阶段后期进行归纳、总结并形成项目完整的实现方案。［4］通过虚拟仿真实验的方式，部分项目还可以以大作业的形式让学生课外完成。

（三）效果分析

通过近年来教学改革实践过程的摸索，以及跟每届毕业班学生的交流情况来看，将所有例题全程仿真的课堂教学方式深得学生喜爱，可有效激发学生的学习兴趣，降低学习认知的难度，提高教学效率和学生综合能力培养的效果。

四、虚实结合与实验课程教学

（一）实验课程涉及的内容

实验课程主要是指为单片机课程配套的单片机课程设计课，是单片机课程在实践方面的进一步延续与强化。该课程主要以项目的形式对学生进行实践能力、创新能力的训练，同时通过团队协作、报告撰写来提升学生的团队意识、沟通能力和文字表达能力。传统的单片机课程设计是基于集成软件开发环境进行程序设计，基于简单的画图实现电路的方案设计，并通过实物的连接与测试进行电路的准备，具体环节包括：任务选择；总体方案设计；功能实现，包括实验箱、小系统板、面包板或自制电路板的实际运用；报告的撰写；验收测试与答辩。由于实验学时有限、实验用的元器件的种类和个数有限、实验测量和调试手段有限等因素，学生能力培养仍受到局限。

（二）虚拟仿真实验促进实验课程改革

虚拟仿真的引入，改变了实验的流程和实验的约束条件，使实验可以拥有巨大的虚拟元件库、调试工具库和测量仪器库，无论是老师出题还是学生设计可以更加“随意”，即通过将仿真实验和实物实验进行分开评分，让老师出题时既考虑实验硬件条件限制，也能充分利用虚拟仿真软件的灵活性，让学生的设计功能不一定都要用硬件实现。而学生则可以利用仿真软件的优势，以创新的思维设计系统功能，以能从实验室领到的硬件实现实物功能。特别地，可通过老师精心的任务设计，让不同层次、不通能力背景的学生都能尽情发挥，做到自己能力的极致，从而可充分激发学生的创新能力、沟通能力，实现学生综合运用单片机的能力，实现有效的分层教学。［5］

（三）实践中的教学安排

基于以上思路，结合单片机课程设计中的一个综合设计题，说明如何进行仿真与实物实验的评价分开，分层安排设计功能等。综合设计题的题目是“基于单片机的多功能综合应用系统的设计”，该题由多个单项设计综合构成一个综合系统的设计，每组（或每人）可根据本组（或本人）实际情况进行内容组合选择，设计内容分成四大模块，分别是基本功能模块、扩展模块、基本应用模块和赛前训练应用模块。

1.基本功能模块：主要基于单片机小系统、4x4键盘或按键开关、液晶屏、LED灯组成的基本硬件实现一系列控制功能，如灯的花样变化控制、灯的速度变化控制、模拟真彩色屏单个像素点的色彩连续变化控制、三色联动控制、炫彩音乐显示等，考虑到基础比较差的学生的及格率，这部分分值可以比较高，如占实验部分的50%，且功能可进行组合选择，并要求先做虚拟实验实现后再做实物实验，两阶段实验各占一半分，以强调两者都重要。

2.扩展模块：主要是16x32点阵屏显示、步进电机控制、直流电机控制等模块，主要是作为在应用小项目中未必会用到，但值得训练的模块，且只需任选其中一项，考虑到难度和实验设备个数的不足，点阵屏模块可以只做仿真实验，其它模块是先仿真实验后实物实验。

3.基本应用模块：主要是相对简单但较完整的应用小项目，如数字温度计的设计、数字时钟的设计等，也可以是征得老师同意的自定小项目，每个小项目要求有多功能，要先仿真实验再实物实验，若应用项目功能覆盖部分基本功能模块中的功能，认同该功能在基本功能模块中已实现。

4.赛前训练应用模块：主要是针对像“蓝桥杯”之类的单片机设计大赛进行小项目训练，是基本应用模块的补充，也是为满足学生参加竞赛的训练需要，要求与基本应用模块相同。

（四）效果分析

通过近三年的教学效果来看，采用模块和项目分级结合的综合教学模式，并按子项难度分项给分的计分方式，能对学生的单片机应用能力和基本功进行较全面的训练，同时通过学生的自我选择与实现，形成自然分级，让不同能力的学生都能得到充分的训练。从学生课程总结、交流情况，毕业班学生反馈的找本专业岗位工作的适应情况，以及班上学生近两年连续获“蓝桥杯”单片机设计比赛省赛第一名的情况来看，教学效果改善明显。

五、问题与思考

课程的教学内容和方法没有最好，只有能与时俱进并适应时代发展的教学内容和方法才会更好。下面就课程教学中仍然令人纠结的两个问题略加分析，以期在下一步的教学改革中得到解决或验证。

（一）专业的差异

单片机作为控制开发的基础平台，在电子信息类不同专业的应用领域都有应用，但不同专业具体应用的软硬件平台和用法存在差异，学生学习的课程体系也有差异，课程训练内容如何适应这种差异？目前针对我校学生的学习能力水平和专业情况，正在尝试的做法是，单片机原理课程全部以MCS-51单片机为对象，但在原单片机课程设计环节已做了调整，主要是结合不同专业特色课程内容进行针对性的综合性设计，如物联网工程专业改成感知与控制系统综合设计，即结合AT89S5x单片机、基于8051核的增强型单片机CC2530以及各种传感器进行项目化的训练。类似地，电子信息工程专业（嵌入式系统方向）则将单片机与小型嵌入式操作系统相结合进行综合设计等。实际效果待进一步观察。

（二）课程基础与用人单位需求的差异

学校学的单片机课程是基于传统的MCS-51单片机，而用人单位用的可能是8051增强型单片机、PIC或AVR类精简指令集的8位单片机、MSP430类16位的单片机和基于ARMcortex-Mx系列的32位单片机等，带来一个新的问题是：到底要以什么单片机作为单片机课程的教学平台？其实，基于8051核的8位单片机也在应用中发展，过去已用了三十六年，未来还会继续有自己的位置，关键是学习起来原理简单、概念清晰、应用经典、知识的扩展性强，方便进一步学习更复杂的单片机。目前尝试的解决办法是，能在综合性课程设计环节涉及的，可以部分涉及，重点是在培养方案中增加相应的后续选修课程，以及在课外活动、学生项目、学生比赛前的训练中加以强化。在这些课程的实践环节中，虚拟仿真软件都能发挥应有的作用。

六、结语

电子信息类专业开设的硬件或软硬件结合类课程都有实践性强、需要大量实践训练的特点，且不同课程的仿真软件可以相同或类似，故文中方法也适用于其它硬件类课程。无论是为满足教学的需要，还是为满足学生早日适应用人单位的实际设计过程的需要，都应借助虚拟仿真软件进行项目的初步设计、调试，通过虚实结合达到高效学习、开发的目标，虚拟仿真软件也是教学改革能依托的一个重要技术手段。

［1］牛军，张宏伟.单片机技术课程项目驱动法教学的改革与实践［J］.教育教学论坛，2016，（3）：90-91.

［2］张毅刚，胡瑞强.基于Proteus的单片机课程的教学改革与实践能力培养［J］.教育教学论坛，2012，（5）：149-150.

［3］谢斌盛，谢陈跃.Multisim 10在单片机实验教学中的应用［J］.实验科学与技术，2011，（3）：53-55.

［4］蔺玉珂.基于工作过程教学的单片机课程改革研究［J］.单片机与嵌入式系统应用，2010，（4）：5-7.

［5］金国华等.单片机课程设计中应用能力的分层培养［J］.中国现代教育装备，2015，（11）：81-83.