基于虚拟仿真平台的单片机课程教学的思考

陈海卫 盛卫锋 化春键 宁萌 宿磊

摘要：本文阐述了目前我校单片机教学过程现状，并介绍了单片机教学改革与教学模式发展情况，进而思考总结了基于Proteus与Keil的虚拟仿真平台给传统教学过程带来的机遇，为后续单片机课程教学改革的开展奠定基础。

关键词：虚拟仿真平台；单片机；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）02-0226-02

单片机（或称微机原理与应用、微机原理与接口技术）课程是机械电子专业本科生关于“电”学知识的专业核心课程之一，其以计算机程序设计和电工电子类课程为前提，也是众多后继课程如机电一体化系统设计的基础，因而，该课程在机电类课程体系中占有重要位置，是培养本科生机电实践与创新设计能力的关键一环。本文结合目前我校单片机教学过程的现状及单片机教学模式发展的最新情况，阐述了基于虚拟仿真平台的单片机课程教学过程所具有的优势，对相关教学手段与方法的改革提供参考依据。

一、单片机教学过程现状

我校单片机课程多采用“课堂+实验”的教学方式。目前，课堂教学主要以多媒体形式为主，将教学内容制作成幻灯片，进而采用演示教学法进行知识的传授。这种方式较传统的板书教学有很大进步，在一定程度上降低了课程的抽象度，有利于学生理解与接受相关课程内容。但单片机课程应用性很强，且更加注重学生自主实践与创新设计能力的培养，而在这种“灌输式”的教学过程中，学生始终处于被动接受状态，难以对课程具体内容有切身理解，特别是在难度较大的汇编语言教学环节，学生对具体教学案例的执行过程缺乏直观感受，普遍反映寻址方式概念抽象，汇编语句种类繁杂，学习过程枯燥乏味。

在实验教学方面，目前主要基于专用的实验箱。实验过程中，学生按照实验指导书，用导线进行连接，进而将程序下载到实验箱开展实验。不可否认，多数实验箱内部资源丰富，通过相关实验，学生的实践能力可在一定程度上得到提高。但为了兼容更多模块，多数实验箱采用三总线的扩展方式，其内部电路并不公开，或即使公开，其电路结构对于初学者来说也较难掌握。因而在开展类似实验过程中，学生往往了解到的只是一个外部地址，至于这个地址的含义如何，具体过程又如何设计实现，却缺乏相应的了解。学生普遍反映该类实验概念抽象，这对于学生创新设计能力的培养极为不利。

随着工程认证与“双一流”学科建设的进行，机电类课程体系不断调整，单片机课时数不断压缩，如何在有限课时下，保证学生创新设计能力的培养质量，成为了目前摆在单片机教学过程中的一大挑战。

二、单片机教学改革与教学模式的发展情况

为解决现有教学过程中存在的问题，针对单片机课程的教学改革不断进行。唐炜等[1]探索了“项目驱动”教学模式在单片机课程中的应用。采用项目小组形式，通过团队成员通力协作，最终形成一套完整的项目成果。这种方式将实际项目导入教学主线，在一定程度上提升了学生的创新设计意识与能力。吴定会等[2]从理论教学、实验培养和考核模式等3个方面对教学方法进行了改革研究探索。理论教学过程通过实物展示以及启发式、交互式、开放式等教学法培养学生学习兴趣；实验方面，分为基础实验、研究型实验和创新型实验3部分，提高学生的基本操作技能，激发学生的自主性和创造性；考核模式方面，采用实践与笔试相结合，动手与答辩相结合的方式。

近年来，随着计算机软件技术的发展，基于虚拟仿真平台的单片机课程教学与实践模式逐渐受到关注[3，4]。平台的搭建常采用Proteus与Keil两者结合的方式，只需在电脑端安装这两款软件，并进行简单的设置即可完成。目前许多高校已把其应用于课堂实例的讲解及相关实践环节中。

三、基于虚拟仿真平台的单片机教学模式的优势

1.可实现课堂实例与课后题目的实时运行与验证。单片机传统课堂教学案例的讲解常常是“纸上谈兵”，学生看不到实例的具体运行过程与结果，难以与实际应用相关联。虚拟仿真平台的建立可让学生真实感受到案例的执行过程与结果，降低题目的抽象度，提高学生对单片机系统的认知，增强课堂教学的生动性，激发学生学习兴趣。此外，传统的教学模式下，课后作业同样是“纸上谈兵”，学生无法验证解题过程与结果的正确与否。这对培养学生创新设计与实践能力作用甚微。虚拟仿真平台引入后，学生可通过软件模拟方式调试完成课后作业任务，可真正独立完成一些实际应用课题，提高学生硬件系统的设计能力与软硬件联调能力。

2.有利于培养学生对新型单片机产品的适应能力。随着计算机技术的发展，新型单片机产品不断涌现，典型的如ARM系列单片机，其具有丰富的硬件资源，也是学生各类科创活动中首选的控制器之一。但对没有任何前期基础的初学者而言，其上手困难。因而，如何培养学生快速掌握新型单片机开发技术的能力，适应新型计算机技术发展潮流，成为了传统单片机教学过程中亟待解决的问题。此外，随着课程结构的不断调整，单片机理论学时不断压缩，如何在有限课时内，培养学生单片机创新设计能力的问题日益突出。虚拟仿真平台的引入可大大缓解上述两大问题。目前，高级单片机如ARM系列单片机等开发平台多以C语言为基础，其与Keil C软件平台有很大的相似与相通之处，因而通过虚拟开发环境的锻炼，学生学习新型单片机的基础与能力会大大加强，可更快的融入新型单片机创新项目的开发过程，增强学生机电系统开发与创新设计的信心。此外，传统的单片机教学过程主要以汇编语言为基础，不可否认，汇编语言最为贴近硬件，在特定产品的开发过程中仍被采用。但对于机电类本科生而言，其日后主要面向机电类产品，项目要求多，开发周期短，单纯的汇编语言已不能胜任。传统教学过程中，汇编语言的教学比重占到理论学时的1/3以上，学生需理解并记忆111条汇编指令，并能熟练运用到单片机系统中去，这是一个很高的“门槛”，在愈来愈短的学时安排下，许多学生难以跨越，成为了单片机课程学习的拦路虎。此外，即便少数学生掌握了汇编语言开发过程，其在日常工作中应用的机会也越来越少，从而造成理论学习与实际应用间的脱节。而通过引入虚擬仿真平台，在保证学生硬件知识掌握的情况下压缩传统汇编语言学时数，改用C51语言授课，由于学生本身已具备C语言基础，其学习门槛会显著降低，可大大提高学生学习兴趣与学习效果。

3.虛拟仿真平台的引入，可真正实现单片机课程与很多先修及后继课程的有效衔接，增强学生“电”学知识的系统性。单片机课程的先修课程包括“电工电子学”与“C语言程序设计”等，后继课程主要为“机电一体化系统设计”。在C语言课程结束后的多个学期里，学生缺乏合适的机会将所学知识应用到具体机电产品开发过程，造成所学知识慢慢被遗忘，待到后继课程开展时，由于相关知识点已生疏，学生感觉课程学习压力很大。虚拟仿真平台的引入，可将先修课程与后继课程有效衔接。基于该平台，学生可将“电工电子学”与“C语言程序设计”相关知识直接应用于单片机系统的开发，实现对先期知识的及时复习，这会大大降低学生后继课程的学习压力。此外，经过这一过程的锻炼，可实现C语言理论知识与实践的有机结合，增强学生学习理论知识的获得感，提高学生机电系统创新设计的信心与能力。

四、结论

对于单片机这类实践性很强的课程来说，传统的“课堂+实验”的教学模式对于学生创新设计能力的培养收效不大。基于Proteus与Keil的虚拟仿真平台，可降低教师与学生对于传统实验设备的依赖，实现课堂教学与课后习题的实时有效验证，避免传统教学中的“纸上谈兵”现象，并且在单片机产品日新月异的形势下，采用虚拟仿真平台的教学模式，可使学生更快融入新型单片机产品的开发过程。此外，在理论学时日益减少的情况下，虚拟仿真平台可有效降低学生学习门槛，提高学生学习兴趣。虚拟仿真平台的引入可实现单片机课程与先修及后继课程的有效衔接，增强学生“电”学知识的系统性，提高学生机电产品创新设计的能力。

参考文献：

[1]唐炜.基于“项目驱动”的单片机类课程实践教学改革[J].实验室研究与探索，2010，29（5）：130-132，154.

[2]吴定会，纪志成.《单片机原理与应用》课程教学的改革与实践创新[J].江南大学学报（教育科学版），2008，28（2）：68-70.

[3]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.

[4]莫莉，喻洪平，何欣.单片机课程教学体系改革与实践[J].教育与教学研究，2016，30（6）：105-110.

Abstract：This paper expounds the present situation of the teaching process of single-chip computer in our school，introduces the teaching reform and teaching mode of single-chip computer，and then thinks and summarizes the opportunities brought by the virtual simulation platform based on Proteus and Keil to the traditional teaching process.It lays a foundation for the development of the teaching reform of microcontroller course.

Key words：virtual simulation platform；single chip microcomputer；teaching reform