Protues仿真在高职单片机课程教学中的应用

李斌

（沈阳职业技术学院，辽宁沈阳 110045）

Protues仿真在高职单片机课程教学中的应用

李斌

（沈阳职业技术学院，辽宁沈阳 110045）

在传统高职单片机课程教学中，理论教学环节、硬件设备、教学模式等存在着诸多问题。通过将Protues软件引入到单片机的教学过程中，可以同时提高单片机理论教学和实践教学的质量。通过教学实践表明，该方法极大地提高了教学效果。

高职教育；Protues软件；单片机课程

单片机课程是高职自动化、机电一体化、电子信息等相关工科专业的专业必修课，实践性较强，因此，在教学环节要高度重视实践过程的操作训练，这对培养学生的实践能力显得尤为重要。在传统教学中，单片机的教学往往在理论和实践相结合方面由于种种条件限制存在诸多缺陷，这就导致学生在学习过程中，由于没有对所学理论知识产生感性认识，从而失去学习兴趣，并且所学知识不知有何用处，最终学习误区不断累积，使得单片机课程的整体学习效果大打折扣。教学内容要随着技术水平的发展而不断改变，但实践环节的硬件投入往往无法及时跟上教学改革的步伐。将Protues仿真软件引入单片机教学实践，可以弥补传统教学方法不足，是提高教学质量、增强学生动手能力的一个有效方法[1-2]。

一、传统单片机教学中存在的问题

1．理论教学环节存在的问题

单片机课程涉及的专业知识面较广、内容难度较大、知识点抽象复杂，学生在刚开始接触具体该课程时，由于缺乏对单片机内容感性认识，只能靠自己对书面意思的想象去理解问题，感觉非常困惑。比如在“堆栈”的“入栈”和“出栈”处理过程中，学生只能根据“入栈前指针先加1、出栈后指针要减1”的字面意思来计算数据的存储地址，而无法直接看到数据在存取瞬间的地址变化过程。类似这种情况，都会导致学生对单片机课程产生死记硬背的学习习惯，一旦遇到问题，学生往往会首先认为是自己在计算方面出错了，而不会考虑如何通过调试等方法来查找问题所在。

通常，教师会把硬件或者焊制好的实验板在课堂上给学生做演示实验，但效果往往不尽如人意。首先，由于空间限制，导致小小的实验板在课堂上很难让学生看得清；其次，所有的过程都是教师个人完成，学生只是被动地看，而没有参与其中：导致教师费时费力，而绝大多数学生对此都是走马观花，并没有通过这种简单的实验板演示提高学习效果。但如果连这种实验板演示都没有的话，只靠传统的理论语言描述，缺乏对描述对象的直观认识，会让学生更不好理解。

单片机课的理论教学主要介绍程序设计、片内资源及接口电路，学生在接触这些问题时，对程序如何控制片内资源从而反映到接口电路上的过程与逆过程总是不明就里，甚至在学习完课程之后，都无法区分子程序和中断程序的区别。导致这种现象的原因之一，就是缺乏一种有效的理论教学过程演示方法，仅靠对纯文字的讲解与幻灯片的演示，无法从根本上提高学生对知识点认知能力[3]。

2．硬件设备在实践教学中的缺陷

单片机课程在实验课和课程设计等实践环节需要用到硬件设备，传统的实践教学环节通常采用实验箱或实验台完成。实验的内容大多是以教师为中心在规定的时间内，参照指导书内容做一些验证性的实验。首先是教师讲解实验目标及主要功能程序，然后学生将几条导线根据指导书的原理图连线，最后加载程序查看效果。在此过程中，由于硬件设备在实践教学环节存在的诸多问题，导致了传统实践教学的不足：

第一，实验箱或实验台的线路连接已经在内部搭建完成，留给学生动手操作的无外乎几个固定搭配的导线连接，因此学生无法对实验的设计目标进行主观性的设计。

第二，在实验结果和实验目标出现偏差时，由于硬件设备的不透明，导致学生无法找出故障的原因，达不到培养学生分析与解决问题的能力的目的。而与此相反，即便是理论知识掌握的并不好的学生，根据指导书的连线和例子生搬硬套，也能够照猫画虎地得到实验结果。在这种情况下，学生自己不但没有掌握所学内容，教师也不能及时了解学生掌握情况，最终达不到实验课的真正目的。

第三，实验箱的硬件资源是固定的，可完成的实验项目有限，而单片机在智能控制领域的应用项目种类繁多，绝不仅仅是靠实验箱上几个类似流水灯似的简单实验就能够让学生熟练掌握单片机应用的。

第四，实验箱或实验台成本较高，如果硬件损坏，不仅维护量较大，硬件设备的更新成本也是一个不容忽视的问题。

第五，学生除了每学期固定学时的实验课之外，没有任何其他实践操作的机会，这与单片机实践性较强的特性相矛盾。

因此，传统的实验课无法从根本上满足学生的实践学习要求。

在不使用实验箱的单片机实践环节中，学生只能用面板搭建或焊接电路，通过多年教学实践表明，采取此种方式的实验课往往会损坏大量的实验耗材和部分实验设备，增加了实验课的成本支出。此外，学生在做单片机相关方向的毕业设计时，即便是在教师的帮助下，通常也无法验证所设计的原理图在电气性能方面是否完全达标，导致其所绘制的线路板出现故障的几率非常大，给后续的工作带来很大不便。最后不仅线路板成了废品，毕业设计的完成也会受到影响。而学生为了不影响毕业，在毕业设计和毕业论文上通过弄虚作假的方式掩盖事实的现象也时有发生，这种现象的出现，就是学生自身在单片机实践能力方面的欠缺所导致的。

3．教学模式存在的问题

智能化控制技术的发展使得企业对单片机开发人才的需求不断增长，企业真正需要的是具有单片机开发能力的人才，而开发能力就取决于学生在校期间的实践环节是否能得到充分利用。当前的教学模式存在以下几个问题：

首先，学生在单片机课程上的大部分时间都用在了理论课上，使得实验课的时间相对减少，无法让学生有充足的时间积累课程设计与项目开发经验。

其次，理论课大多采用板书或者多媒体形式，单片机理论知识本就抽象、晦涩，如果理论和实践无法在学生脑中及时建立关联，学生就不能从实际应用的角度去理解书面内容。

最后，教学中对单片机的编程大多采用Keil软件，实验课要先让学生熟练掌握Keil软件及其环境下的熟练编程，然后才是硬件的设计，实验课大多是在期末临近开展，时间本就不多，等到这些基础的实践环节都学完之后，留给学生自己设计的时间就已经非常少了[4]。

传统的教学模式是经过长时间检验的，其教学理念比较合理，但不免有一些瑕疵，比如上述单片机在教学模式中存在的问题。因此，问题的解决不在于采取改头换面的教学模式，而是要在原有教学模式的基础上引入一种新的教学方法。

二、引入Protues仿真的教学实践

1．Protues功能简介

Protues是实物仿真工具软件，它不仅能够对单片机仿真，还能够仿真单片机外围器件。Protues可以实现原理图设计、PCB自动与手工布线、代码调试、硬件仿真，并能够和单片机编程软件，如Keil软件，进行联机调试，通过仿真效果实时反映出程序的运行状态。通过Protues搭建的电路可以完全模拟硬件实物的真实效果，对于初学者来说较容易掌握，通过一个简单的流水灯实验演示，即可让学生掌握Protues的基本操作，极大地提高了学生的学习积极性和学习乐趣[5]。

2．引入Protues的理论教学

通过多媒体，将Protues的操作过程在投影上演示出来，演示效果不仅可以让每一位学生都能够看得清晰，教师还可以通过直观的演示来弥补语言无法形象描述的抽象概念。如果每一次的理论教学都结合Protues仿真，学生会从中不断地熟悉Protues的操作。传统理论教学中教师需要浪费大量时间讲解的重点难点，都可以通过引入Protues仿真让学生快速掌握。下面通过两个简单的教学应用，来阐述Protues引入到理论教学中的优势。

以MCS-51单片机为例，P0断口的内部特殊结构，使得其外围电路必须外接上拉电阻才能具备输出驱动能力。对于这一知识点，可以通过在P0.0外接上拉电阻后再外接一个驱动电路，而P0.1在没有外接上拉电阻的情况下加载一个驱动电路，当程序运行时，可以明显看到有外接上拉电阻的P0.0管脚驱动电路正常运行，而没有外接上拉电阻的P0.1管脚却不具备驱动能力。强烈的对比效果不仅让学生掌握了上拉电阻的知识点，还对P0这个特殊的管脚产生了深刻的印象。

还有很多细节性的问题，学生在学习理论知识的时候并不在意，导致在实践环节出现差错也无法找出。比如，89C51单片机的EA管脚接高电平才会从内部程序存储器读取程序，在教学中可以将同一段程序加载到Protues仿真软件中，只改变EA管脚的高低电平状态，学生可以直观的看到不同电平状态下单片机的运行效果，这更容易让学生结合书面意思理解管脚的定义。

将Protues仿真引入到单片机的理论教学环节中，不仅可以让学生更形象地掌握理论知识，还能让学生知道所学理论知识可以应用在哪些领域。

3．引入Protues的实践教学

通过实物器件设计电路，不仅错误率高，还浪费有限的实践课时间，相比之下，在Protues仿真中设计电路更能体现出诸多优势。Protues具有丰富的虚拟资源，在单片机教学中需要使用的设备器件，Protues都能够通过仿真实验达到与实物电路完全相同的实验效果。但与实物电路相比，实现同样的课程设计，Protues更加简单易学、容易操作，从而更能节省时间。而且，在实践课中，如果能熟练掌握Protues的使用，对学生今后的毕业设计也有很大帮助。学生可以在设计好电路原理图之后，通过Protues仿真检验其电气特性，设计错误可以通过Protues软件检测出来，从而避免了由于原理图设计错误而造成的PCB板无法使用的情况发生。此外，Protues资源还可以节省大量硬件设备开支，如仅一个虚拟示波器就可以为实验室节省上千甚至上万的采购成本。更为重要的是，只要在有电脑的地方都可以使用Protues，这就打破了传统实践操作在空间上的限制，学生在寝室、在校外任意地点都可以通过Protues仿真巩固和提高自己的实践操作能力。

单片机在智能控制中的应用非常灵活，同样一个实验结果可以通过不同的程序和不同的硬件电路搭配出多种实现方法。学生在掌握基本的实践设计原理后，以此为基础，通过Protues仿真能够自主地设计出电路图和程序，提高了学生自主创新能力。并且，在Protues中即便电路设计存在严重错误，也不会造成任何危害，更不会导致硬件电路损坏，这是传统实践教学根本无法比拟的。

总之，经实际教学效果检验，将Protues仿真引入到单片机教学中，极大地提高了学生对理论知识的理解，加快了理论课的学习进程，从而节省出了大量的时间供学生动手实践。但是，Protues只是在理论和实践教学中起到辅助的作用，其功能无法完全代替实物。比如在Protues中不需要连接电源，单片机就能正常运行，这在实物电路中是不可能实现的。诸如此类的许多问题，在教学过程中都要重点提示学生，避免学生在学习时盲目相信仿真软件的作用，从而陷入学习误区[6]。

[1]董献芬.基于Protues仿真的《微机原理与接口技术》实验教学改革必要性研究[J].电脑知识与技术,2016(7):104-106.

[2]李生明,杨红.PROTUES软件在学习单片机中的应用[J].清远职业技术学院学报,2010(6):40-42.

[3]乔建华,李临生,田启川.Proteus在单片机教学中的应用分析[J].电气电子教学学报,2008(3):70-73.

[4]曾燕,贾振国.Protues仿真技术在单片机教学中的应用[J].长春工程学院学报,2011(1):132-134.

[5]周贵舟.Protues和Keil在单片机教学中的仿真应用[J].创新教育,2013(5):116.

[6]周灵彬,张靖武.PROTEUS的单片机教学与应用仿真[J].单片机与嵌入式系统应用,2008(1):76-79.

[责任编辑，沈阳职院：刘瑞军]

The Application of Protues Simulation in Higher Vocational Single-Chip Teaching

LI Bin
(Shenyang Polytechnic College,Shenyang 110045,China)

In traditional single-chip teaching there are many problems in the theory teaching link,hardware facilities and teaching mode.By introducing Protues to the teaching process of single-chip,it can improve the quality of the theory and practice teaching.The teaching practice proves the method can greatly improve the teaching effect.

higher vocational education;Protues software;single-chip course

G712

A

1009—7600（2017）01—0055—03

2016-10-21

李斌（1985—），男，辽宁沈阳人，助教，硕士。