虚拟实验室在课程教学及压电能量收集系统设计的应用

吴 意，褚 静，张美凤，郭 杰

（常州工学院光电工程学院，江苏 常州 213032）

单片机原理与应用是测控技术与仪器专业的专业基础必修课，也可作为机械类、信息类专业和其他有关专业的必修课或选修课。它广泛地应用于人们的实际生产生活中。学好这门课程，用好这项技术，是开设这门课程的初衷。单片机原理与应用知识量庞杂，处处是重点，教授这门课程时，重点在于培养学生使用该课程的知识点分析与解决实际工程问题的能力。

1 需达成的课程目标

《单片机原理与应用》课程具体需要达成的目标为：

（1）能够对不同单片机的工作原理及性能进行分析，能利用单片机存储器对获取的检测数据进行存储及有效处理，为解决自动检测领域的复杂工程问题提供接口数据传输及数模转换等支持。

（2）能够根据不同I/O端口的技术规范和使用要求，结合自动检测系统开发的工程要求，进行单片机端口的设计；能分析单片机端口查询和系统中断方式的影响因素，提出自动检测系统开发中有关响应方式的解决方案，并证实其合理性。

（3）能运用单片机进行自动检测系统控制系统的开发，根据控制系统的需求选择合适的控制方式，建立研究线路，基于Proteus、Keil C软件进行系统仿真方案的设计。

（4）能够正确认识Proteus、KeilC等软件的特点，针对自动检测系统的设计，进行单片机外接模块（如通信模块、显示模块、数据传输模块等）的选择与设计；能正确使用Proteus、KeilC等软件进行自动检测系统仿真系统的设计及程序编写。

经过多年的教学模式的改革与教学方法的改进，发现了较好的教学方法，即提倡“虚拟实验室”的理念，将实验实践的概念贯穿在整个单片机课程的教学中，让学生随时随地可以开展实验。[1]

2 虚拟实验室的实施

在课程开始时，对学生的相关专业，选择适当的课题作为小组项目，如针对我院测控技术与仪器专业的学生，选择“基于单片机的桥式能量压电收集系统设计”等。选择好课题后，再结合课程的四大目标来教授单片机的相关知识点。

下面以本人自主完成的“基于单片机的桥式能量压电收集系统设计”项目为例来阐述该过程。

2.1 分析问题、设计方案

教师设计好的项目引导给学生时，要注意灌输工程问题的开发理念，培养学生的团队合作能力。在分析问题、设计方案时引导学生从项目需求出发去查阅相关资料与进行市场调研。这部分结合到的章节为单片机概述。

2.2 选择研究线路

学生在调查了大量文献资料与行业现状后发现，微能量检测与收集已是当前能量保护的主要研究方向之一，因此提出了利用单片机设计一个自动桥式能量压电收集系统。接着对目前压电能量收集的主要研究领域进行调研，查阅材料了解国内外技术的现状与发展差距，确定了课题主要研究内容为：在正压电原理的基础上，针对密闭且窄小的空间，进行软硬件开发，设计基于单片机的小型桥式能量收集系统，并给出了完成课题研究内容的基本路线，利用开发板进行硬件调试，模拟达到功能要求。这部分结合到的章节为单片机结构与原理。[2]

2.3 元器件选择与系统集成

确定好用单片机来实现产品项目功能后涉及单片机与主要元器件的选型。学生根据课题要求对布局做了整体设计，分模块进行了布置，对主要模块进行了选型，分别有单片机、压电元件、整流电路、能量储存电路、显示电路、按键控制电路和RS-485通讯电路等，详细设计了各个模块的器件组成，不断进行对比选型，例如单片机的选型，多层压电片的发电方式，乔式梁的尺寸选择等等。设计完各部分模块后，再整合总体思路，对方案做出修正，直至设计出适合系统的电路，完成元器件选择与系统集成。

这部分结合到的章节为单片机接口技术等。

2.4 数据采集与系统分析

在数据采集与系统分析部分，学生主要需要完成的是软件设计、软硬件联调与系统的性能分析。根据实际情况，学生选择了自顶而下的设计方法，从拟解决问题的总体下手，对问题进行层层分解。最后发现分解出的子任务与课内的知识要点基本符合，建立解决问题的信心。解决每个子任务时，需要选择合适的算法设计方法，建议学生不要一上手就写程序，将算法选择好，用以上的方法呈现后再来进行语句的编写，可以达到事半功倍的效果，要求学生针对工作模块的主程序部分绘制的流程图。

将主要任务的流程图绘制完成后“翻译”成C语言程序，可以运行程序来获取结果。学生需要在小组讨论中再次明确各自的分工、每个模块之间的数据接口，进行软硬件联调，从而完成系统。系统完成后，学生对系统的压电片的输出、采集电路的输出、人机接口与显示、指示灯状态、串口等主要功能进行了测试，提高设计的准确性。

在整个虚拟实验的过程中，学生需要的工具仅仅是一台安装了仿真软件的电脑和实验室配发的单片机实验板。不需要固定的时间和场所，随时随地可以开展实验与小组讨论。

3 实施过程中的保障

为保障教学工作的有序施行，达到最好的教学效果，将虚拟实验引入教学后，需要一系列的实施细则。

3.1 教学方法与教学手段

在教学时，需要把握主线，引导学生掌握单片机及其接口电路的基本理论，使学生掌握单片机控制系统的设计方法，了解有关控制芯片的新技术。引导实施虚拟教学时，注意采用多媒体教学手段，表达方式“具体化”“生动化”“形象化”，可让学生在掌握知识的过程中，始终保持较浓厚的学习兴趣。[3]

虚拟教学后，需要以课堂实验的形式，结合实物演示，培养学生实践动手的能力，使学生具备利用相关知识和方法解决复杂工程问题的能力。

3.2 课程实施

实施虚拟实验课程主要的教学环节中，在备课时，教师熟练掌握本课程教学大纲内容，严格按照教学大纲要求组织课程每课时的教学内容。教讲授时教师需要做到精确要点，正确推理，条理分明，突出重点，理论联系实际，熟练解答各个经典例题。教与学不拘泥于一种方式，根据实际情况采用多种教育方式（如启发式教育、案例分析教育、讨论式教育等），重视学生专业素质的培养，提高学生的发现、分析和问题解决能力。课堂上，案例的表现方式尽量方便学生的理解、接受，要求形象生动，使学生在掌握知识过程中，保持较浓厚的兴趣。[4]

3.3 教学效果保障

要保证虚拟教学的效果，过程性考核必不可少。教师要求学生按指导书要求完成实验，不缺席；实验之前上交符合要求的实验预习报告，预习不符合要求者延迟参加实验，实验后预习报告完成数据处理与思考题，形成实验报告，必须书写清晰，制图、编表按规定和规范处理；实验步骤正确，结果合理，实验原始数据经指导教师验收签字后认可，不得涂改。因为虚拟实验随时随地可以进行，为了更好地全面了解学生学习情况，更好地帮学生理解每次课时关于虚拟实验部分所学知识、并反思学习方法，培养独立思考问题的能力，教师必须在课后安排一定时间进行课外的答疑与指导。[5]

4 总结

随着课程的进行，学生对所设计的系统会越来越完善，课程结束时，其系统也基本完成了，达成四个课程目标，整个过程是水到渠成的。虚拟实验室的引进提高了学生的自信，提高了学生的学习兴趣，同时切实实现了教学计划中的学习目标。