基于protues软件和KEIL软件的虚拟实验平台教学做一体化的教学改革

2019-02-11陈小亮

时代农机 2019年2期

刘晨，陈小亮

（河南工学院，河南新乡 453000）

单片机诞生于1971年，是计算机的一个分支，它不是某一个单纯的逻辑芯片，而是将一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机应用技术是电子信息工程与通信工程专业一门必修课程，单片机因其体积小，功能多，广泛应用于仪表仪器，汽车，智能设备，工业控制，通信等领域。可靠性强及性价比高等特点是学生最早接触的芯片，对于初学的学生来说相对会难学习一些。内容繁多，知识点琐碎。以前理论与实践想分离的教学方法不易提高学生的兴趣，单片机应用技术课程的改革一直在进行中。

1 单片机课程现在的弊端

1.1 理论教学与实验教学相分离

大多数单片机课程采用的是“先原理后设计，先理论后实验”的原则，在教室里面进行理论学习，然后在实验室里面进行实验，这样理论教学与实践教学是分离的。在不同时空和不同地点教授课程，这样分离教学，在讲理论课程的时候会不容易引起学生的兴趣，在讲实验课的时候学生大多是机械的做实验内容，缺少深入思考。理论和实践的分离会导致学生上课的理论知识无法及时消化吸收，所学的内容很快就忘记了，再去做实验的时候效果不好。理论实践有些脱节。

1.2 理论课时抽象且多于实验课时

在传统单片机教学中，理论课时一般较多，并且单纯的讲授理论，多数理论课过于抽象，对学生来说难度较大，并且不易理解，很容易打击学生的积极性，一旦听不懂就不想学了，这就导致一部分学生越来越不想学习。实验课时相对少一些，学生不容易接受，而且学生在做实验时只是机械的进行实验内容，对很多内容没有做到理解，所以很难做到学以致用。

1.3 单片机的实验内容相对固定，学生发挥较少

很多学校已经将单片机的实验开发板买好，学生做的实验都是已经做好的模块，然后连好到导线就可以了。这样学生没有实际焊接各种硬件电路，仅仅连几根导线，理解不深入，很多实验器件并非真的理解。学生写程序，编译，下载，观察结果这个流程比较熟悉，但是对于整个硬件的理解上会有一些欠缺，无法深入理解单片机与器件的工作原理与使用方法。对硬件的动手实操也会相对欠缺。

2 虚拟实验平台的搭建—Protues和Keil软件简介

Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司在1989年出版的EDA工具软件。Protues软件是一款从原理布图，代码调试到单片机及外围电路仿真，一键切换到PCB板的软件。Protues软件是目前最好的仿真外围电路的软件。可以仿真AVR，PIC，51单片机等常用的微型处理器和外围电路。Protues软件可以仿真有单片机以及外围电路的情况。由于该软件的仿真是基于厂家提供的技术数据来建立仿真的，所以仿真超越了“虚拟”极其接近现实。在教学中使用具有很大的现实意义。

Keil软件是一款常用的开发MCS-51单片机的软件，包括了C编译器，宏汇编，连接器，库管理和一个功能强大的仿真调式器。Keil软件支持汇编语言，C语言，可以通过单片机进行仿真调式。Keil对于初学者是一款易学，容易上手的软件。

Keil软件和Protues软件可以进行联调，从而构建虚拟实验平台，从硬件电路的设计，电路的仿真到软件调式，实时仿真，测试和验证整个开发过程。学生通过实验平台可以真正理解单片机的整个设计过程，以及单片机的设计系统方法。

3 教改思路

3.1 搭建虚拟实验平台

将Protues和Keil进行联调，先设计好硬件电路，然后用Protues进行仿真，搭建硬件电路。然后使用Keil软件编写程序进行编译，生产.hex执行文件，然后将执行文件下载到Protues软件进行仿真实验，观察实验结果。在虚拟实验环境下，单片机的原理变得非常的直观和简单，可以在Protues软件上直接基于硬件原理图来进行仿真编程，非常直观，易懂，可以进行代码的调试观察各个硬件器件的运行情况，配合虚拟的器件可以观察单片机的运行状态。可以改变器件的型号来达到最好的状态。通过虚拟实验平台，可以更改实验器件的型号，方便仿真，调试，已达到所要求的实验目的，节省硬件直接进行搭建的金钱和时间，提高设计的质量和效率。

3.2 教学做一体化

将知识进行细分化，并进行任务导向，在课堂上讲一部分理论知识，然后布置任务让学生自己课堂下去找资料解决问题，实验时给学生进行演示，给学生进行分组，让学生动手实验，在实验过程中出现问题，教师要引导学生去思考自己解决。在虚拟实验平台的辅助教学的同时，引入单片机实训，让学生自己动手布局电路，焊接电路板，然后编程调试，实现相应的功能。

3.3 小组化互动

在教学过程中，给班级分成小组，在实验与实训过程中，出现问题小组内讨论，教师作为辅导引导学生去分析思考，让学生自己解决问题，学会解决问题的能力。

4 教改实施过程

以LED流水灯实验为例来进行说明。

4.1 课前准备

教师提前将索要做的实验内容告知学生，让学生们上网站查阅相关资料（锻炼学生自己动手解决问题的能力，搜索的能力），同时也可以结合课本和发给学生的一些资料来准备实验内容。

4.2 创造一个愉悦的情景激发学生的兴趣

可以在课堂上播放视频或者给学生演示已经做好的成品，一个心型的LED显示装置。可以结合学生的生活情景（比如可以在情人节给自己的朋友表白，做一个单片机的心型版给自己的朋友）来激发学生们的兴趣。

4.3 任务明确的目标与思路

通过给学生演示流水灯的实例，让学生明白要达到什么样的目的与要求，同时明白要掌握什么知识。结合Protues软件，如何去搭建硬件。简化硬件电路的时间和成本。

4.4 相关知识点讲解

在课堂给学生讲解LED的用法，如何点亮一盏LED灯。首先，如何区分LED的正负极，即阴极与阳极。然后如何驱动一个LED灯，通过对阳极加入高电平，对阴极加低电平进行驱动。怎么样用单片机来点亮LED灯。

4.5 任务实施

①给学生演示用Protues软件设计硬件电路，然后让学生自己设计。在中间出现的问题可进行集中讲解。②学生用Keil软件编程，编译生成执行文件。出现问题可以由学生自行解决，对解决不了的问题老师进行统一讲解。③演示Protues软件和Keil软件的联调，让学生自行动手做。观察实验结果，看LED灯以及单片机相关引脚的运行状态。④在实训课上，自己动手实验板来焊接电路并调试。

4.6 问题解答

给学生分成3人一组，实验过程中出现的问题让学生自己讨论，教师在一旁引导学生去思考分析问题出现的原因，最终自己找到解决问题的方法，自己完成任务。

4.7 任务总结

老师指导学生以提问、讨论、演示的形式来分析所学的知识点，总结学生在实验过程中出现的各种问题，避免下次任务还出现类似的情况。

4.8 考核

学生的考试成绩主要通过过程化考核来实现。其中包括理论考核，实践考核，职业道德。主要以学生动手实践考核为主，占60%。

5 教学改革创新与特点

该课程的改革由以前单一的讲解之后再实验的模式改变为由教学做合为一体。创新点一是将教学内容进行拆分、整合。不是单纯的在课堂上灌输知识，而是选择性的在课堂上和实验中分散将知识点教授给学生，实现学与做的合一。二是将Protues软件和Keil软件进行联调，创建虚拟实验室，有利于学生对单片机和器件的理解。三是将学习内容项目化，每个项目都由相应的任务去完成，使学生带着问题来进行学习。四是小组化讨论，学生分成小组，布置任务后小组内共同来进行任务的实施，遇到问题教师引导小组内进行讨论，分析，思考，解决问题。五是考核的多元化，考核采取实践考核，理论考核和职业道德三个部分，以学生实际操作能力为主要考核的依据，通过考核时学生真正掌握知识。