虚实结合的单片机原理及应用虚拟仿真实验教学研究

摘 要 以新疆大学自动化专业的单片机原理及应用课程教学为例，针对教学现状，对该课程的实验教学方式进行改革，推出单片机虚拟仿真教学平台，探讨如何将虚拟仿真实验与硬件实物验证相结合，如何对单片机原理及应用实验教学进行安排与资源合理构建。通过教学分析比对，本次实验教学改革取得良好效果。

关键词 单片机原理及应用；教学改革；单片机虚拟仿真教学平台；实验教学

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2024）19-00-05

1 单片机原理及应用课程实验教学中的主

要问题

单片机原理及应用是一门综合性、实践性、应用性很强的课程，课程课时量虽少但课程内容复杂，且对实验教学要求很高。在传统模式教学中，该课程课堂教学还是以讲授基本理论和知识点为主的平面式教学，学生始终处于单方面接收状态，很难将课程具体内容与实物联系起来，理论教学和实验教学没有有效地融合，存在脱节现象。学生在学习过程中普遍感觉单片机原理概念不具体，内容复杂，关键点难理解，很难将课程上的知识与实验内容联系起来，无法在大脑中形成清晰的概念模型，导致开展实践性学习时严重受限，长此以往，有些学生慢慢就会失去对实践型课程的学习热情[1-3]。因此，传统模式下的单片机原理及应用实验教学已经不能满足教学需求，教学效果不明显，主要存在以下几方面的问题。

1.1 课时限制，验证性实验与综合性实验比例不合理

目前，单片机实验基本都是在固化好结构的实验箱上完成，实验内容基本上是以验证性或个别训练性实验为主。学生不用自己设计电路板，只需连几根线就可将实验线路搭建完成，配合简单的程序就将实验内容验证。这样导致的结果是，学生只是机械地完成实验内容，但对使用单片机设计开发系统的全过程依然不了解，与工程教育专业认证的要求相差甚远。这对于训练学生动手能力，培养学生综合应用知识的能力和创新能力是非常不利的。

1.2 实验教学资源有限，无法实现一人一箱

在传统实验教学中，一般每个实验小组由2～3人组成，实验大多是配合完成，能够真正做到独自完成完整实验的学生不多。而且实验箱存放在专用实验室中，占据大量的物理空间。由于上课班级轮次多，学生只有在规定的时间到实验室后才能完成实验教学内容，因此在开展实践性学习和训练方面受到教学资源不足的限制。

1.3 实验操作过程无法有效评价学习成效

由于传统实验模式中无法实现人手一台实验装置，因此无法有效评价每个学生在实验操作过程中的表现，只能通过实验报告来考核评价，这样可能会出现给分不太精准的情况，甚至出现只重视实验报告书写，而忽视实验操作的大问题，直接影响教师准确全面评价实验教学质量。

1.4 线上线下多模态调整能力不足

如何有效应对多类突发事件，实现全天候全周期无障碍地实施理论教学和实践教学，具有多情景工作模式，各情景下工作无障碍翻转和切换，是当前亟待解决的核心问题。

鉴于以上问题，传统实验教学资源和模式已经不能满足对学生实践技能培养的需求，要解放思想，拓展教学空间[3]。利用虚拟仿真技术构造单片机虚拟仿真教学平台，使学生在虚拟空间中学习单片机知识，应用单片机设计创造，解决单片机教学中的问题，增强教学效果。

2 借助虚拟仿真实验软件充分激发学生学

习主动性

虚拟实验室概念是1989年提出的[4]，核心为建模及仿真。虚拟仿真实验以计算机为基础，针对不同实验的对象及要求，通过安装在计算机中的仿真软件进行相应电路的设计及程序的编辑工作，以达到通过软件对实验完成模拟仿真的目的。虚拟仿真技术拥有沉浸性、交互性、虚幻性、逼真性四种特性[5]，用户可以控制环境，对环境做出一定的改变，且环境能够对用户的行为给予一定的反馈，使用户感受到所创建环境的真实性。

2.1 Keil软件和Proteus软件

Keil软件是一种广泛应用于嵌入式系统开发的集成开发环境（IDE），主要用于8051、ARM和C166微控制器等系列的软件开发。该软件提供了丰富的工具和功能，包括编译器、调试器、仿真器和宏编辑器等，能够支持多种编程语言和标准，如C、C++、汇编语言和ANSI标准库等。用户可通过Keil软件编写相应的硬件控制程序，并及时修正编程格式等语法错误，支持多任务编程和面向对象编程等高级编程技术。

Proteus软件可支持多种处理器模型，在不制作硬件实物的前提下就可以提前在计算机上模拟搭建硬件电路模型，只需载入相应程序就可以进行仿真调试，用于原理图的布图、调试软件代码、硬软件联合仿真等。

2.2 Keil和Proteus联合仿真

通过Proteus软件搭建相应电路原理图，并根据原理图结构接线，利用Keil软件编写相应的控制程序，最终通过Keil软件进行语法检查并编译生成*.hex文件。将*.hex文件导入Proteus软件所绘制的电路原理图中并进行联合仿真，便可得到所需实验数据，且能直观地观察实验现象，实现所做实验的虚拟仿真。

2.3 Proteus流水灯实例

实例要求：使用AT89C51单片机的P1口控制八只发光二极管轮流点亮熄灭，要求实现流水灯效果[6]。八只发光二极管按照D1～D8依次点亮，然后回到D1独亮状态，再次依次点亮，循环往复。在线演示和让学生进行如下实验过程。

1）设计该实验控制系统结构，并在Proteus环境下搭建仿真电路，如图1所示。电路中，D1～D8

为共阳极二极管，分别通过限流电阻R1～R8连接于P1.0～P1.7引脚，指明一些可能出现的连线错误和注意事项。

2）对所设计的Proteus仿真电路加载*.hex文件，进行仿真。

3）和学生一起观察实验现象。

4）在Keil中讲解程序编辑过程：通过分析硬

件电路，若使某一LED灯亮，剩余LED全灭，则只需

要P1口控制此LED引脚输出高电平，其余为低电平；

当需要从左向右依次点亮时，P1口依次输出01111

111、10111111、11011111、……、11111110。

3 借助实物硬件，实现虚实结合

为了更好地培养学生的创新实践能力，课程组教师加大对实验和实践环节的投入，在现有硬件实验条件下[7]，鼓励学生先采用Keil和Proteus软件仿真调试，再利用实物在面包板上搭建硬件电路，实现虚拟仿真与硬件设备相结合。学生在完成仿真调试后再导入实物，以保证设计功能的完好实现。

图2和图3分别是学生自行设计和制作完成的教室照明智能控制系统设计的虚拟仿真部分和实物硬件部分，系统运行良好。通过这种方式，学生感慨收获很大，希望能多开展这方面的训练，加强对工程应用能力的培养。

4 课程教学改革

4.1 推出单片机虚拟仿真教学平台

为了促进课堂教学，课程组以虚拟仿真技术为基础，进一步优化、改进和完善现有的课程教学内容和教学方法，设计制作如图4所示单片机虚拟仿真教学平台，该平台将虚拟仿真技术与课程内容紧密结合，使虚拟仿真技术贯穿整个教学环节。该教学平台是一款基于C++ Qt的单片机虚拟仿真教学软件，开发该平台主要目的是为单片机原理及应用课程改革提供支持。平台包括知识库、教程、仿真实验、作业和在线资源五个模块，这些模块集成了多个方面的单片机知识，其中涵盖了C语言、51单片机、STM32单片机以及数据结构等知识手册。

通过学习模块的Keil和Proteus软件使用教程，学生可以了解如何使用这两种常用的单片机开发工具。同时，平台还提供了仿真实验功能，这使得学生可以在虚拟仿真环境中进行各种单片机实验。此外，平台还提供了作业模块，学生可以通过这个模块测试自己的学习成果。虽然该平台与实际烧录单片机程序还存在不同，但总体而言，该教学平台是一个功能完善、内容丰富的单片机教学资源库，不仅方便师生对单片机知识的学习，促进学生对单片机课程重点知识点的理解和掌握，也为单片机原理及应用课程的教学提供了有效支撑。

4.2 线上资源助力学生学习

由于时间有限，有些章节教学只能是以点带面。考虑到学生学习能力的差异，鼓励学生充分利用在线开放课程、资源共享课程和开放视频课程，为学生提供一个更开放的学习环境，学生可以通过网络及电子邮件等与教师进行互动。

同时，教师也可以根据教学效果和进程，及时向学生讲述该学科最新的研究成果，激发学生对该学科的学习兴趣。

4.3 指导学生积极参加科创竞赛

通过科技创新竞赛激发学生的动手实践能力是非常好的一种培养方式。学生通过学习竞赛规则，找到自己的差距和不足，在不断地反复实践中发现问题、分析问题，最终使自己的作品能获得满意的评价。这样不仅可以帮助他们更好地理解单片机的相关原理，还能够培养他们的动手实践能力。笔者所带领的学生团队在“飞思卡尔”杯智能车大赛、全国计算机设计大赛、蓝桥杯大赛等多项竞赛中都取得优异成绩。

4.4 成绩评价机制

将OBE理念贯穿教学全过程，改变传统只看重实验报告的情况，而是依据能力培养指标进行实验课程任务分解，包括虚拟仿真部分、实物硬件搭建部分以及实验预习和实验报告等，优化并调整考核评价体系。

工科专业基础实验课要在实验开展的全过程中通过日常的点点滴滴来引导学生积累和丰富课程内容知识点、提高动手实践能力。评价体系由三部分组成：课前30%（考查预习+虚拟仿真）+课中40%（实验操作和解决问题能力）+课后30%（实验报告+体会总结）。这种评分结构旨在鼓励学生将虚拟仿真学习与实际操作相结合，以提升他们在虚实结合环境中的实践能力。

5 课程实践及效果分析

课程组安排学生在推出的单片机虚拟仿真教学平台上开展实验，该平台基本能够完成单片机课程所要求的验证性和设计性实验。通过比对2022—2023学年仿真教学平台预约实验时间，仿真教学平台实验学时数明显超过线下实验时长，特别是比较难的实验五～实验八，其开展实验学时数显著增加。而在完成线上虚拟仿真实验后，再来线下开展相关实验内容，发现学生实验效率和理解力、动手能力都得到明显提高，学生的实验评定成绩也有明显提升。

6 结束语

本文是在工程教育专业认证大背景下对单片机原理及应用课程实验采取虚实结合教学模式进行探索，利用虚实结合的单片机虚拟仿真实验教学模式，学生可通过提前开展线上学习、线上仿真验证、线下实物实验验证，从多方面巩固实验学习效果，真正实现从理论到实际工程的应用。让学生借助虚拟仿真教学平台做好实验预习，加强对理论的理解和掌握，再通过线下实验进一步巩固知识点，最终提高了学生的动手能力和学习积极性。

7 参考文献

[1] 廖斌，邓仕超，高兴宇.机械电子工程专业系统建模与仿真课程教改探索[J].新课程研究，2021（35）：11-12.

[2] 苗承恩.探索教改前沿，促进融合发展：智慧课堂与先进教学方法相融合的实践探究[J].新课程导学，2021（30）：66-67.

[3] 陈文辉.运用CDIO的应用型本科课程改革：以《单片机原理及应用》课程为例[J].福建师大福清分校学报，2020（2）：39-43.

[4] 路浩杰.虚拟仿真实验平台研究与设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2012.

[5] 王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015，34（5）：214-219.

[6] 仝敏.基于Keil软件实现8位流水灯的编程方法[J].中国设备工程，2021（17）：151-152.

[7] 程志江，闫学勤，陈星志，等.民族班“微型计算机控制技术”课程教学改革探索与实践[J].科技与创新，2020（17）：87-88，91.

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.19.0

*项目来源：2023年新疆大学专创融合课建设项目（编号：124000012）；2023年新疆大学本科教育教学改革研究项目（编号：XJU-2023JG31）；2021年新疆大学金课建设项目（编号：XJU2021JK48）。

作者简介：闫学勤，高级实验师；程志江，博士，教授，硕士生导师；陈星志，实验师；帕孜来·马合木提，教授，硕士生导师。