基于Proteus的创客式教学法在单片机课程中的应用

孙小春 孙小迎 刘林章

[摘  要]本文对当前单片机课程教学中存在的不足进行了分析，提出联合使用Proteus软件与Keil编程软件的教学方法，并尝试开发了以典型项目为导向、软硬件相结合、创客式模块化结构的单片机课程教学，实践证明，该教学方式可以较大程度地提高学生的学习主动性，提升教学质量。

[关键字]仿真  软件  硬件

基金项目：杨凌职业技术学院人文社科类研究基金项目“基于proteus的创客式教学法在单片机教学中的应用”（项目编号：GJ1849）;江西省教育厅2018年科学技术研究项目（项目编号：GJJ181058）。

单片机课程教学中存在的问题

单片机课程是一门实践性和应用性都很强的课程，在大部分高职院校中，它是电气自动化、工业机器人技术等专业的核心课程。目前，我院单片机课程教学中存在如下问题。

1.软硬件教学未能结合。在教学过程中，硬件和软件分开讲授，授课方式以知识为驱动，导致学生在实际工作中难以形成系统化认知，不会独立自主地搭建一个完整的单片机系统。

2.学生对硬件电路设计的参与度不高。学生进行单片机实训或参加相关制作时，多是把教师上课讲的例子直接下载到单片机上，创新改动得较少。究其根本原因，主要是学生对单片机芯片及其周边电子元器件的使用不够熟悉。如果在最后焊接及调试过程中出现问题，就必须重新进行全面排查，学生难以在有限的时间内高质量地完成相应项目，部分人甚至因此而失去学习主动性。

另外，大多数高职院校的实验实训场地不能全天开放，而实验实训设备和仪器价格又较贵，学生不可能自行购买、使用，以致学生的实践能力不够强。

Proteus软件

传统的电子线路教学都是先学理论，再动手实验，将软件教学与硬件教学分开进行。分离的教学方式导致学生对电子线路的知识理解困难，缺乏想象能力，难以有效吸收所学知识，这种教学模式注定了电子线路实验教学会存在一定程度的问题[1]。随着计算机仿真技术的发展，EDA技术改变和提升了电子线路实验教学的条件，采用Protel、Proteus等软件进行电子线路设计、运行、调试等工作，可使电子线路实验能在计算机上完成线路功能设计、性能分析、程序调试、整机测试等步骤，电子线路实验不再受设备、场地、资金等条件的限制，与实际硬件线路实验相比，电子线路实验软件的使用更有利于开发学生的创造性思维。

英国Labcenter Electronics公司开发的Proteus仿真软件在电子线路仿真软件中首屈一指，它集电子电路设计、电路仿真与分析、程序调试、PCB设计于一体，可以对“电子技术”“电工原理”“单片机应用技术”等课程所涉及的电子电路进行设计与仿真[3-6]，各类电子设备元件模型会在仿真过程中实现规定的响应，并能实时显示仿真的结果。

将Proteus软件安装到计算机后，会有ISIS和ARES两个软件，ISIS能设计绘制电路图及仿真，ARES可進行PCB设计。单片机课程使用的正是ISIS软件，利用它把电子线路设计出来，然后用VSM虚拟仿真模式进行仿真，通过调用VSM动态器件库可以非常清晰地看到被仿真电子线路各个参数的状态。在教学中用Proteus软件进行电路仿真辅助教学，可以使实验教学过程生动有趣，实验结果比较直观，学生对电路设计、元器件功能及电路原理的理解更深刻、更易懂，能实现事半功倍的教学效果。在实验中，当设计文件建好之后，先把项目所涉及的元器件放置好，再通过布线将其连接起来，这样就形成了一张完整的电路原理图。这时，就可以点击“开始仿真”按键进行仿真，形成电路原理图，如需制作PCB板，则要生成网络表文件，最后对整个原理图进行电气规则检查，并根据检查报告不断修改原理图直至检查通过。

Proteus软件在单片机课程实验中的应用

单片机课程的电子线路实验不同于“电子技术”“电工原理”等课程的实验，它不仅包含硬件电路设计，还包括单片机的程序设计，且需将软硬件相结合才能完成一个单片机实验项目。传统的单片机技术实验教学要在两节课的实验时间内完成软硬件设计任务，这样的教学方式使得学生难以顺利完成整个实验项目，久而久之便会失去学习兴趣，甚至出现了抄袭他人程序应付了事的情况[3]。而用Proteus软件构建单片机课程的电子线路实验，可以顺利进行电路仿真功能，使Proteus软件与Keil编程软件联调，实现CPU的软硬件调试，学生在计算机上就能完成实验项目的功能效果验证，不仅提高了教学效率，还降低了教学成本。

以基于单片机的数据采集、显示实验为例，简述Proteus和Keil软件联调进行单片机系统仿真实验的方法[2]。基于单片机的LED显示实验线路主要由单片机芯片、时钟、复位电路，以及LED显示数码管和一些外围线路构成，用以实现相关信息的采集和显示。只要设计的电路图搭好硬件电路，就可以通过Keil软件进行程序代码的编写;程序编译成功后，生成HEX文件，将其加载到Proteus中的单片机里，并将Keil软件的Debug状态设置为Proteus VSM Simulator，点击“全速运行”;在Proteus软件中点击“仿真运行”按钮，这样就能实现两个软件基于单片机的数据采集、显示实验线路联合调试。在调试过程中，如果发现功能有误，可以随时修改程序，将其重新编译后再次加载运行。Proteus与Keil联合使用，可以在没有制作具体电路板的情况下完成一个单片机实验项目的设计、调试和结果验证，能充分激发学生参与单片机课程实践的热情。

创客教育在单片机课程教学中的应用

创客教育秉承“开放创新、探究体验”的教育理念，以“在创造中学”为主要学习方式，与单片机课程教学的要求一致，将其引入教学能促进单片机课程教学改革。

为了改进传统教学中软硬件分离讲授、学生被动学习的弊端，我院尝试开发了以典型项目为导向、软硬件相结合、创客式模块化结构的单片机课程教学内容，实践证明，该教学内容深受学生欢迎。创客式教学内容的开发、设计具体分为以下4个步骤。

1.把单片机课程的教学内容细分成知识点。

2.为单片机课程的各知识点确定基础任务。设计基础任务时应以学生掌握知识点为教学目标，选择与实际工程接近的、难度适宜且学生感兴趣的小型应用项目;引导学生使用常用的元器件，让他们在实践过程中学习相关元器件、简单的硬件电路设计及简易的软件编程等。学生带着问题进行实践学习，能大大提高其学习主动性。

3.开展不同的创客主题任务。当学生完成单片机课程的基础任务后，就可以引导他们开展不同主题的创客任务。设计创客主题时，应以让学生能灵活应用知识点为目标，并注重对知识点的综合运用。创客主题任务的形式主要有设计型、综合应用型、探究型等，都是对基础知识的拓展。单片机课程主题的设计要从不同角度或者更深层次去加强学生对知识点的掌握和运用，促使学生内化知识。创客主题任务的完成过程和基础任务的过程基本相同。

4.结合主题开展实践。教师可在学生完成创客主题任务的基础上鼓励他们结合创客主题及生活进行创新创客小制作的实践，这一步骤的目标是为加强学生的动手能力和创新能力。该过程由学生自行选题，自行进行硬件电路设计、软件程序的编写及软硬件的联合调试，教师作为引导者，可以在适当的时机给他们提供一些建议和帮助。

结  语

在单片机课程教学中采用Proteus仿真软件，能使理论教学与实验教学相结合，大大提升了学生的学习兴趣，培养了学生的自学能力、实践操作能力和创新能力，同时，对于学生理解单片机硬件电路原理与软件设计也有很大帮助，有效解决了单片机学习过程中理论与实践脱离、学生动手能力不足的问题。与实际工程接近的单片机项目有利于培养学生的单片机系统实际开發能力，明显提高了单片机教学的效率与质量。创客教育理念的理论分析和实践应用能进一步完善教学内容;与实际工程接近的案例提升了教学内容的实用性，便于学生主动运用相关理论知识，使其能学以致用，有助于培养他们的创新意识。另外，单片机课程的创客式教学法还为推动其他课程的教学改革提供了理论依据和实践经验。

参考文献：

[1]吴乐坚、卢旭锦：《Proteus软件在高职院校电子线路实验中的应用研究》，《科教文汇》2018年第25期，第93-98页。

[2]金国华、翟朝霞、周丽娜 等：《Proteus和Keil软件在单片机理论与实践教学中的应用》，《中国现代教育装备》2017年第259卷第2期，第43-45页。

[3]范程华、蒋先伟、鲁世斌 等：《Proteus在电工电子实训中的应用》，《电子设计工程》2011年第19卷第7期，第17-18、22页。

[4]侯向锋、周兆丰：《Proteus在模拟电子技术教学中的应用》，《湖北师范学院学报》（自然科学版）2012年第32卷第4期，第114-118页。

[5]杨晶晶、刘延飞、慕晓刚 等：《仿真软件在“数字电子技术”课程教学中的应用》，《现代电子技术》2013年第36卷第20期，第45-46、50页。

[6]胡中玉、岳强、任杰 等：《基于Proteus仿真的电工电子课程教学创新》，《实验技术与管理》2016年第33卷第4期，第128-130页。

作者单位：孙小春  刘林章 杨凌职业技术学院  陕西杨凌

孙小迎  南昌工学院  江西南昌