虚拟化实验室在单片机教学中的应用

莫晓瑾

(武汉船舶职业技术学院，湖北武汉　430050)



虚拟化实验室在单片机教学中的应用

莫晓瑾

(武汉船舶职业技术学院，湖北武汉430050)

摘要基于单片机课程对教学的实践性要求程度较高，通过在教学中利用proteus仿真软件，在课堂上实时建立起一个虚拟的实验室，并和传统的单片机教学进行对比，分析了这种教学方式在降低教学成本、提高教学时效和效果方面的优势。

关键词虚拟实验室；单片机；教学

在近几年的全国职业技能大赛中，单片机技术、机器人技术都被列为了单独的比赛项目，其根本目的在于通过考查过程来注重培养学生对技能知识应用的能力。在国家提倡加快发展和重视职业教育的今天，以及对高等职业教育提出的“高端技能型专门人才”培养目标。对学生的技能素养教育更加成为了我们人才培养目标的重中之重。在很多高校都开设有单片机这门课程，它是电子电气类专业最重要的核心课程之一，是在现代科学技术的发展需求下，这门课程成为电类专业高素质技能型人才需要具备自动控制类知识结构的载体，地位不可或缺。

1传统单片机教学中的困境

单片机课程的实践性比较强，根据这门课程的自身特性，决定了在教学过程中的难点比较多。传统的单片机课堂教学环节一般为理论描述和汇编代码展示。在课堂中常见的教学手段通常是将讲授的教学内容制作成形式多样的幻灯片，如通过插入静态图片、动画、音频及视频来列举大量的实例，通过多媒体设备来进行实例演示的教学方法。其目的就是对于初学的学生们来说，让难度较大的单片机教学内容可以成为形象直观，易于理解和接收。让枯燥乏味的内容变得生动有趣，使学生愿意对该课程产生兴趣，提高他们的学习积极性，但这种普遍性的教学方式对于课程的效果却非常有限。

尤其对于存在“轻理论重动手”观念的单招班学生来说，我们以往普遍使用的传统的教学方法注重的是课程本身的知识体系结构和前后衔接的逻辑联系，是以学科体系为出发点，但往往忽略了“可学性”，所以尽管运用了现代化的多媒体教学手段，但是大部分的时候呈现给学生的还是一个纯理论的语言描述，缺乏有效的演示方法，使初学者不好理解。致使学生学得吃力，老师教得辛苦，教学效果却没有显现出来。为了改善课程对学生造成的枯燥感，提高学习兴趣和教学效率，需要在课程的教授过程中提高学生的动手实践的频率。但是对于提高实践利用率，我们只利用实验室的话，就存在场地和时间的限制。而且学生在实验课后，对于每个学生来说，利用其他机会来接触到实践所需要的设备是有困难的，如仿真器、实验板等。个人配备又所需成本太高，各种原因局限了学生课后的动手实践条件。

近几年来，多数高校在单片机的实验教学方面，普遍采用的是专门用于实验的单片机集成实验箱。这种传统的普及型教学方式不仅使学校在教学设备的投入上花费很大,而且通过这种与实验课程相结合的教学效果也并不太理想。再加上我们的实践教学环节中主要采用的是验证性实验教学，等于是让学生照着实验指导书的详细步骤依葫芦画瓢。在几届学生的实践教学中我们发现，每次实验用到的只是实验箱的固定模块。特别是在实验箱平台上，MUC的辅助、扩展等电路基本已经分配好,学生在实验动手的过程中往往只需连接几根导线，然后输入相关程序，最后等待观看实验结果。通常整个实验过程大概最多只需在20分钟之内，所以在剩余的教学时间内，大部分同学只是按部就班地完成实验步骤，只有少数喜爱单片机技术的学生会去尝试通过改变辅助电路等来观察实验结果的变化,实验课程对辅助他们去理解和掌握知识点并没有起到多大成效。那么利用这样实验教学方式并没有对学生实验设计能力的培养，扩展思路、提高学习兴趣起到有效的帮助。反而让学生过分的依赖教师, 学习依旧被动，实验效果并不好。

那么怎样才能以最经济、便捷、安全的方式解决这些问题呢？而且可以让学生不需要多大的花费，就可以随时在课堂中动手实践。于是通过利用日益流行和使用方便的软件虚拟技术，在课程中引入了Proteus 仿真软件。相当于仅仅只需利用一个应用软件，就可以让每个学生拥有一个属于自己的单片机实验室来改善我们教学方面的局限性，针对传统教学方法的不足来进行辅助性的弥补，使理论和实验教学在一个现代化的平台上更加相辅相成，也让我们的项目驱动教学法容易更加便捷化的实现。

2虚拟实验室在教学中的应用

和真实的实验台类似，虚拟实验室也可供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备。 有别于我们常用的实验教学课件，它的最大优势就是教师只需要通过使用虚拟器材库中的器材，就可以自由搭建任意合理的实验案例。在这个虚拟实验室里，学生既可以在虚拟的实验台上动手操作，又可自主地去设计实验，既有利于培养他们的操作能力、分析诊断能力、设计能力，还能开发和提高他们的创新意识。在虚拟实验室中，学生更易接受相关的知识信息，能够获得更加实时的指导，教师也可以更加实效地获取教学信息的反馈。

Proteus是英国Labcenter electronics公司开发的电路分析与实物仿真软件,也是目前应用非常广泛和成熟，模拟单片机外围器件的最好工具之一。与其他仿真软件相比，Proteus的主要优势是,它不仅能仿真CPU的工作情况,还可以对外围电路或没有单片机参与的其他电路的工作情况进行仿真。为此,在仿真和调试程序时,我们关注的重点不再是某些语句执行时寄存器和存储器内部的改变,而是通过仿真实施过程从工程应用角度上直接观察程序运行和电路工作的过程和结果。在该软件的元件库内有数千种元器件可供使用,所以尽管是通过虚拟实验室做实验，不仅可以进行软件的汇编、调试,还可以提供大部分的硬件接口电路，兼容和支持如Keil等具有强大的原理图绘制功能的第三方的软件编辑和调试。通过把两者结合起来构建成虚拟的实验室平台，在仿真过程中发挥它们各自的优势，让软件调试和硬件设计更加便捷、高效。

2.1虚拟实验室的引入

通过使用虚拟实验室软件，在课堂教学过程中，我们只需利用Proteus 仿真软件，在制作原理图的基础上就可以进行实时地交互式仿真，在课堂教学中可以实时有效地进行各种项目实例演示。在传统的教学当中，即便是应用多媒体教学，我们通常采用的是在幻灯片中插入原理图，授课教师必须课前绘制好原理图，对于复杂一点的项目实例来说，制作课件时非常费时费力，从演示效果上来说基本上也都是静态的图片为主。如果在课堂教学中利用Proteus 仿真软件来配合和完善教学演示，讲授的教师只需要通过该软件预先设计大量的单片机应用实例，在课堂教学中可以直接用Proteus 软件演示单片机软硬件设计、开发、调试的全过程，并且可以让学生很直观地观察硬件的工作和程序执行效果。学生通过课堂演示的实例，就可以实时有效地理解和观察。让学生可以更深刻地理解单片机的工作原理，直观地掌握单片机软件和硬件系统的设计、调试及其仿真过程及最后的运行结果，降低因为课程本身的难度而导致地对学习的抵触，提高学生的学习积极性。

其次，利用Proteus 搭建虚拟实验室进教学，能更有效地辅助对难点的理解。例如在教学中P口作为准双向口的这个概念以及如何应用、中断如何产生、LED灯的位选和线选如何区别等。对于这些课程教学当中的重点和难点，我们不需要在实验室里去花费更多的时间做演示来辅助教学，只需通过Proteus仿真软件构建的虚拟实验来演示就能让学生直观清楚地去理解该难点。

例如,中断是教学中难以掌握的问题，采用传统的教学方法，不仅使学生在课堂上常常出现听不懂的情况，即便学生在课后花费大量时间练习，仍然对此知识难点理解不透彻。现在不必去实验室，在课堂上利用多媒体教学设备，使用Proteus 构建虚拟的单片机实验室就可以进行仿真，让每个学生都可以充分利用免费的软件资源，就可以实时参与操作，且显示直观清晰。图1显示的是一个用proteus仿真演示外部中断的界面，利用外部中断INT0，单键控制花样流水灯。用AT89C51单片机设计一个彩灯循环控制系统，P0口8引脚各接一个发光二极管，P3.2引脚接一个按钮开关，用此按钮控制外中断INT0。在没有任何按钮动作的时候，8个发光管同时不停闪烁。当单击按钮时，发生外中断0，相当于切换了一种流水方式，单灯移动循环三次，循环结束后再返回执行主程序，发光二极管的状态又进行了复原，回到没有按下按钮时的状态。在Protues软件中选择相关的器件: AT89C51、BUTTON、CAP、RES、CRYSTAL、LED YELLOW等,按照图1所示的原理图，在Protues中完成该项目的设计图。然后使用编程语言，采用自上而下的设计方法对以上编写完的程序进行调试,并通过如keil第三方软件进行编译,产生HEX文件。最后加载由keil软件创建的xxx. hex文件烧录到Proteus中, 通过软硬件结合调试仿真，就可以对彩灯循环系统进行控制，运行后得到的仿真效果跟实验箱的实验效果一样。由此实验演示来看到外部向量中断0控制起到的作用，学生通过直观地观察和操作，不仅清楚地明白了什么是中断，更加轻松的学懂了怎样指定用外中断INT0，更加消除了他们因困难而产生对课程的抵触和厌学情绪。

图1　外部中断0 proteus仿真演示

2.2利用proteus对传统实验教学的改进和完善

传统单片机实验中中，为了学生提高设计和操作能力，以及对各部分电路的理解，我们不可能去改变单片机实验箱中的电路。所以即便是让学生自主连线，电路连线的方法也是固定不变的。在传统的实验教学方式中，仅仅利用实验室的实验箱，学生只能没有选择性地按实验电路预先设定好的方法，在对理论知识理解基础上，以一种几乎不变的方式来进行验证性的实验操作。我们利用仿真软件Proteus 构建的虚拟实验室来进行实践操作以后，可以进行仿真的内容几乎涵盖了单片机课程的所有知识点，使实践性教学内容变得更加丰富，灵活性更大。通过这样的实验操作方式，让每个学生都可以通过虚拟实验室所提供的元器件模型和外设模型独立地去进行硬件电路图设计，软件编程，联合调试，并能及时观察实验结果。通过增补这样的实验教学方式，不仅能让学生以一种轻松有趣的方式了解应用系统硬件电路的结构，锻炼编程能力，还激发了他们的探索和创新意识。

此外，利用Proteus 仿真软件还弥补了在学习过程中因操作条件的要求对时间的限制，给学生在课内课外提供了更加灵活自由的学习空间，对实践操作的要求变得更加便捷。学生只需有一台电脑，就可以在PC上通过使用Proteus仿真软件随时进行各种典型项目的实验了。既省去了在实验器材上的大量花费，又能避免在真实实验环境下，因操作不当而造成的仪器损毁及各种不安全因素。涵盖所有知识点的实验都可以通过使用该软件预先在虚拟环境上实现，再移植到物理实验环境上来完成。我们可以在教学中将虚拟实验和物理实验的实验过程和实验结果进行对比，让学生通过对虚拟实验的认识从而加深对物理实验的理解。实践证明，这种行之有效的虚拟化实验让学生对课程实践产生了极大的兴趣且受到学生的喜欢，易学易用。

3虚拟实验室在教学中的应用效果

从教学效果的反馈信息中，以往常听到学生反映单片机课程难学难懂，枯燥乏味。特别是对于基础薄弱的单招班学生来说，这门专业课程显得难度更加大，在课程学习的初期就产生了因难学而抵触学习的现象。自从尝试将虚拟实验室教学引入课堂后，学生普遍反映比以往的教学方式更加吸引他们，虚拟实验室的使用让单片机课程的学习由抽象变形象，使重点易懂、难点化简。这种极为接近真实实验的动态演示的教学手段的引入，使每个学生都可以随时拥有一个完整的虚拟实验室，学生可在Proteus 仿真环境中大胆地进行设计、调试和修改，不用担心因知识欠缺和操作不当而损坏元器件和仪器。由于在安装实物作品前就可以看到结果，所以学生的胆子大了，独立操作能力、主动性和创造力都得到了发挥，教学质量明显提高。

对于做课程设计的学生，通过利用仿真软件构建的虚拟实验室，就可以根据布置的设计项目的任务和要求进行自主设计，既增加了学生的动手创新设计的信心，又减少了系统的设计与开发难度。在仿真验证有效的基础上，再去安装实际电路，成功率很高。以往不经过仿真的实际作品，不仅成功率比较低，器件损坏也多。在实际的教学过程中证明了它是学生学与用、理论与实践相结合的优秀平台，提高了单片机实践活动的成效。

4结语

引入虚拟实验室在针对单招班的单片机教学中取得了相当理想的教学效果，特别是对于刚刚接触到单片机的单招班的学生来说，利用这样的教学方法和手段，既增加了课程的趣味，又缓解了传统教学中实验场地供给的紧张,有效地解决了理论与实践脱节的矛盾，弥补了教学缺陷，有效地提高了教学效果。有助于缩短从理论知识到实际应用的过程，让学生更加有效地掌握所学知识，促进了对学生学习兴趣和创新能力的提高。促进了教学的改革，让教学者在教学方法的不断更新和尝试中找到更加符合教学对象的针对性改进，对教学具有指导意义。但必须指出，仿真不能完全代替实物，在实际应用中会遇到很多新的问题，我们也不可完全抛弃已有的教学模式和实验手段。

参考文献

1姚存治．项目教学法在《单片机原理与应用技术》课程教学改革中的应用[J]．郑州铁路技术学院学报，2010(6)

2张文梅．Proteus仿真软件在项目导向教学中的应用[J]．广东农工商职业技术学院学报，2011(3)

3张靖武，周灵彬．单片机系统的PROTEUS设计与仿真[M]．北京：电子工业出版社，2007

4张齐等．单片机原理与嵌入式系统设计：原理、应用、Protues仿真、实验设计[M]．北京：电子工业出版社，2011

(责任编辑：谭银元)

Application of Virtual-reality Laboratory in MUC Course Teaching

MO Xiao-jin

(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China)

Abstract:Practice is the important part of MCU course .The Proteus simulation software is introduced in the classroom teaching to establish a virtual-reality laboratory in class at any time. Compared with the traditional single-chip microcomputer teaching, this teaching method is effective in reducing the teaching cost and improving the teaching efficiency.

Key words:MCU; virtual-reality laboratory; teaching

作者简介：莫晓瑾，女，讲师，硕士研究生，主要从事通信技术与现场总线控制技术。

收稿日期：2014-11-19

中图分类号G712

文献标志码A

文章编号1671-8100(2015)02-0081-05