基于虚拟仿真软件的项目驱动教学方法研究

2016-04-14周春艳潘俊涛北方民族大学电气信息工程学院宁夏银川750021

计算机教育 2016年4期

关键词：模块设计仿真软件项目驱动

张白，周春艳，潘俊涛（北方民族大学，电气信息工程学院，宁夏银川，750021）

基于虚拟仿真软件的项目驱动教学方法研究

张白，周春艳，潘俊涛
（北方民族大学，电气信息工程学院，宁夏银川，750021）

摘要：分析学生实际学习能力，结合本校应用型人才培养方案，提出基于虚拟仿真平台的项目驱动教学方法，阐述该方法在智能仪器课程中的应用。

关键词：项目驱动；仿真软件；模块设计

0　引　言

教学改革是教学活动中的一个重要环节，是培养高质量学生的重要保证[1]。对于综合性与应用性强的工程性质课程，例如嵌入式系统相关课程、智能仪器设计、DSP原理及应用、单片机原理及应用等课程，如何突破传统的教学模式，使学生在兴趣和探索中掌握理论知识，提升实践技能，是相关任课教师不断探索的课题之一。智能仪器设计课程是测控技术与仪器、电子信息工程等专业的重要专业课程，具有较强的综合性与实践性，课程内容涉及传感器技术、微机原理与接口技术、信号与系统、模拟电路与数字电路、计算机软件技术等诸多课程，是典型的工程性质课程[2-3]。当前传统的教学方法中，采用课堂理论教学结合实验室进行验证性实验教学模式，存在硬件电路分析较为抽象，缺少软件设计环节，验证性实验不能贴切地和理论相结合等问题，造成在实际教学活动中，智能仪器课程普遍成为专业课中学生最难学懂、更难达到学以致用效果的一门课程。因此如何通过教学方式的改进，促进学生掌握智能仪器设计相关理论知识，提高实际应用开发的能力，培养学生的创造性思维，成为任课教师的研究重点。

1　教学研究现状

随着德国工业4.0战略与中国制造2025战略规划的实施，智能仪器的重要性不断凸显。工业产品逐渐从自动化向智能化方向发展，对智能仪器设计开发人才的需求不断增加，为适应社会需求，各大高校加大了对智能仪器课程的建设，力求打造精品课程，建立优秀教师团队，培养适应社会需求的优秀毕业生。由于各种因素影响，教师讲授的知识偏旧，社会需求的智能仪器更新换代快，学生学习愿望强烈但基础薄弱，教与学仍以传统教学模式为主。

2　项目驱动教学法

项目驱动化教学就是以项目为载体,将课程讲授的主要内容穿插其中，注重课程理论体系的完整性,达到理论实践一体化、传授知识与培养能力一体化、“教、学、做”一体化的培养工程人才的教学方法，这种教学模式比较适合那些实践性较强的课程[4-7]。为提高智能仪器课程的教学效果，提升学生的学习兴趣与能力，我们提出了综合性项目驱动教学方法，撰写层次分明、结构合理的项目开发任务书，采用模块化设计，将完整项目分解为若干独立的子项目，在教学过程中，逐一完成子项目的讲授，最终实现完整项目的全过程。

（1）项目的选择与任务书的设计。大型实际工程项目的开发首先从项目开发任务书的撰写开始，工科专业的大学生在系统理论学习的过程中需要不断培养工程实践开发能力，首先要具备的一个能力就是项目开发任务书的撰写与阅读。当前教师在采用项目驱动教学时很少涉及项目开发任务书的撰写与阅读[9]。由于综合性项目涉及内容覆盖智能仪器重要内容，没有详细的项目开发任务书，很难将各章节涉及内容连贯起来。因此，根据智能仪器的课程内容以及学生的学习兴趣设计项目，编制项目开发任务书，指导学生进行学习。

（2）综合性项目设计与模块化开发。常规的项目驱动式教学是以教学任务或实验内容为目标，设计相应的若干有应用价值的项目，以理论结合实践，实践验证理论的教学方式[8]。当前项目驱动教学方法的应用过程中，通常以教学项目的方式对教学内容进行整合，设计的项目针对性强而综合性差，项目之间的关联性差，未涉及模块化设计的原则。笔者针对目前项目驱动教学法存在的问题，提出了综合性教学项目设计、模块化开发的思路。从项目任务书的编写与分析开始，分阶段采用模块化开发的原则，构建具有复用性的功能模块，以完整工程项目开发的过程锻炼学生的实践动手能力，实现学生学以致用的目标。

（3）项目驱动实验教学。实验教学是巩固理论教学的手段，是培养应用型人才的关键。在实验教学过程中，可以首先演示项目实现后的效果,吸引学生的注意力；再以实验结果反向阐述实现原理及过程。在讲授过程中，教师强调模块化设计的重要性与实现方法，预留出可以恰当体现创新的接口，实现有交互、有创新的实验过程，仅提供最小粒度的模块，以便学生进行模块整合与整体程序规划，进而改变现有验证性实验教学现状，将学生的能动性与创造性充分展现出来[7]。

3　硬件仿真软件Proteus在智能仪器课程中的应用

仿真教学是利用实物或电脑创设各种虚拟环境来模拟真实环境，并根据真实环境中实际操作情况，在虚拟的环境中进行操作、验证、设计、运行等的教学方式[8]。随着计算机技术的快速发展，虚拟仿真软件逐渐发展壮大，以Proteus、Multisim等为代表的计算机仿真技术被广泛应用于科学研究、工业、军事、教育、航空航天等众多领域之中。山西大学工程学院院长李忱教授将“仿真”教学的特点与好处概括为3个方面：一是沉浸感，学生沉浸在虚拟的现实生产实践中；二是多媒体的感知性，学生通过感知视、听、触等多种信息，思维在虚拟的设备仪器间展开；三是交互性，学生通过计算机直接控制、操作、运行虚拟设备，使技能在对话、交流中得以提高[10]。

智能仪器内容繁杂，涉及大量软硬件综合设计，脱离软硬件平台进行单纯的理论教学，已经很难将智能仪器设计原理及开发过程讲授清楚，同时现阶段该课程没有很好的实验配套仪器。当前我校使用单片机实验箱进行实验教学，这在客观上需要开发与智能仪器相配套的实验仪器，而采用虚拟仿真软件Proteus开发开放性强、实验灵活、模块化构建以及便于学生进行二次开发的实验平台就成为首选。

3.1硬件电路设计

硬件电路是实现仪器智能化的基础，脱离硬件讲智能仪器开发是纸上谈兵。为此，首先针对项目驱动教学设计综合性项目，规划相应的硬件电路。硬件电路采用模块化的设计，对于典型电路设计若干套模块电路，学生可以对各模块电路进行独立仿真测试与分析，提高学生的分析能力与综合能力。为实现教学目的，将每一个综合性项目的硬件电路分为晶振模块、电源模块、存储模块、键盘模块、传感器模块、A/D模块、D/ A模块、滤波模块、LED显示模块、LCD显示模块、通信模块以及特殊功能模块。为达到锻炼学生的目的，每一个独立模块设计若干方案，以硬件电路中最基础的电源电路为例，分别设计以7805芯片为基础的电源模块，以LM317为基础的电源模块，以1117系列芯片为基础的电源模块。让学生了解常用的基础电源模块。模块之间的接口统一定义，最终构建搭积木式电路设计。学生在学习过程中，可以根据定义的统一接口自己构建电路模块，师生互动，不断丰富电路模块数据库，提高学生的学习兴趣与参与程度。

3.2软件系统设计

软件系统设计是智能仪器的灵魂，是实现仪器智能化的关键。针对项目驱动教学设计的综合性项目规划的硬件电路设计软件系统，特别是不同的嵌入式芯片具有不同的开发方法。嵌入式智能仪器的软件开发是以硬件电路为依托，不同的芯片具有不同的体系结构与指令模式，不同的硬件连接具有不同的硬件地址。软件系统同样采用模块化的设计，对于典型功能设计若干套独立软件模块。学生可以对各软件模块进行独立仿真调试与分析，提高学生的分析能力与综合能力。为实现教学目的，将每一个综合性项目的软件系统分为CPU初始化模块、时钟配置模块、键盘访问模块、A/D转换模块、数据处理模块、D/A转换模块、LED显示模块、LCD显示模块、通信模块以及特殊功能模块。为达到锻炼学生的目的，每一个独立模块同样设计若干方案，以软件系统中最基础的LCD显示为例，分别设计以ST7902驱动芯片为基础的液晶显示模块，以1602驱动芯片为基础的液晶显示模块，各液晶显示模块可再分别实现串行显示与并行显示两种方式。软件调用的参数统一定义，最终构建搭积木式软件系统开发。学生在学习过程中可以根据软件调用的统一参数独立构建软件模块，师生互动，不断丰富软件模块数据库，提高学生的学习兴趣与参与程度。

3.3教学应用

当前利用仿真软件进行教学还处于探索阶段，针对不同的课程，任课教师提出了不同的应用方法。我们针对智能仪器课程的特点以及项目驱动教学方法的要求，设计基于Proteus的智能仪器教学方法。

3.3.1基于仿真技术的理论教学

智能仪器理论教学的目的是让学生系统性掌握智能仪器硬件电路原理与软件设计思路，奠定智能仪器设计的理论基础。由于智能仪器课程特点，传统教学方式很难使学生系统性掌握该门课程。学习知识最好的途径是“亲身经历”，让学生到“真实环境”中去感受、体验其过程与结果，通过理论分析与实践经验获取的知识是最牢固的。因此，在综合性项目驱动教学的大背景下，采用理论教学结合仿真实验的授课方式，在课堂教学中通过Proteus仿真软件引入“真实仪器”，把设计的“仪器”带入课堂，学生通过看到实际的硬件电路与软件代码，在教师的引导和启发下，分析仪器运行结果，从而完成书本理论到实践应用[8]。教师以Proteus仿真软件进行讲解时，针对关键理论设置问题，以问题引导学生思维，教师不是直接回答学生的问题，而是向学生提供解决思路，对于共性问题可以结合Proteus仿真软件，以师生动态交互的方式进行课堂讲授。通过仿真教学培养学生的学习兴趣，提高学生学习的内在动力，提升了学生的分析和解决问题的能力。

3.3.2基于仿真技术的实验教学

智能仪器实验教学的目的是让学生加深对智能仪器硬件电路原理与软件设计思路的理解，培养学生的实践动手能力。实验教学强调学生在解决实际问题的过程中完成学习，通过自主探索、合作学习，进行自我知识体系与实践经验的重构。基于综合性项目驱动教学的仿真实验采用模块化设计，学生根据本次实验的要求选择合适的功能模块，根据自己的需要进行合适的剪裁；对于开放式模块，可以根据模块接口定义实现具有自主风格的模块。在教学方式上可以结合翻转课堂的教学方式，实验前，教师将相关实验模块拷贝给学生，学生在个人电脑或学校网络机房，使用仿真软件将各功能模块进行测试，并根据实验要求独立进行设计。实验课堂师生共同对存在问题的模块进行讲解与调试，教师辅助学生完成具有与众不同功能的仪器设计。通过仿真实验教学，实验课将不再依赖于硬件试验箱，不再依赖实验指导书，充分发挥学生的创作热情，提高学生的实践动手能力。

3.3.3基于仿真技术的开放教学

教学的目的是学以致用。对于当前很多课程，学生在课程考试结束后就逐渐遗忘了。对于工科学生而言，设计硬件电路或小型嵌入式系统是经常遇到的情况。互联网时代下，各种有用资源充斥网络，学生如果具备模块化构建系统的能力，无疑将达到事半功倍的效果。基于综合性项目驱动教学的仿真实验系统，采用的是模块化设计，系统性地将小型智能仪器涉及的软硬件系统进行模块化组合，学生可以根据自己的实际需求选择合适的功能模块，并对基本功能模块进行合适的二次开发；对于部分特殊功能模块，可参照网络资源进行设计，最终快速搭建自己的仪器与系统。