基于虚拟实验技术的单片机课程实践教学改革研究

叶彦斐　李志华　刘久付　任祖华

【摘 要】针对单片机课程传统实践教学诸如灵活性差、不直观、成本高等缺点，结合卓越工程师培养要求，本文提出一种基于虚拟实验技术的单片机课程实践教学方法，Proteus和Keil构建虚拟环境，进行以与工程实际接轨为目标的创新实践训练。

【关键词】单片机课程；教学改革；虚拟实验；创新能力

0 引言

单片机课程是一门实践性很强的课程，全国工科大专院校已普遍开设了单片机相关的专业课程。“卓越工程师教育培养计划”旨在培养创新能力强、适应经济社会发展需要的各种类型的优秀工程师后备军。[1]这就要求高校调整人才培养目标定位、改革人才培养模式，强化培养学生的自主学习能力、创新意识和探索未知领域的兴趣，提高学生解决工程实际问题的能力。

但在单片机课程教学及实践中存在诸多现实问题：单片机课堂教学多以理论教学为主，教学中需要很多硬件设备，一般理论课堂难以辅助硬件进行教学，即便演示，效果也不好；学生除了课题实验外，平时难得有机会实践，而且采用的实验设备大多是成品，学生很难参与细节设计，学生动手能力难以得到提高；实验设备多采用实验箱或硬件仿真器配目标实验板，可做的实验项目有限、实验时间过长、设备维护工作量大；实验设备不足、落后，单片机实验室建设成本高。[2]

针对上述问题，本文基于虚拟实验技术，提出以与工程实际接轨为目标的单片机应用系统开放性实践训练，重点促进学生自主动手、提升创新能力，培养创新型应用人才。

1 教改思路

Proteus嵌入式系统仿真软件，实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合；可以提供支持主流单片机的仿真环境，具有全速、单步、设置断点等调试功能；可以观察各个变量、寄存器的当前状态，同时支持第三方软件编译和调试环境；可以提供丰富的外围接口器件及丰富的虚拟仪器；具有方便易用的单片机系统设计工具。Keil软件支持汇编、C语言以及混合编程，同时具备强大的软件仿真、调试功能。[3]

可以将Proteus与Keil整合起来构建单片机的虚拟实验开发环境，其强大仿真功能，使得设计调试程序固化、软硬件结合的单片机应用系统变得十分有效。Proteus提供硬件电路的设计、调试及仿真， Keil完成应用程序的编写、调试，并可将调试好的程序下载到仿真电路MCU中，最后由Proteus与Keil的整合调试实现系统的总调，不但能够直接地观看仿真效果，同时还可以对仿真结果进行分析。

在虚拟实验环境下，单片机课程实践工作过程变得直观形象，可以直接在基于原理图的虚拟模型上进行编程，并实现源码级的程序仿真调试，配合各种虚拟仪表来展现整个单片机系统的运行过程。可以对单片机应用系统设计进行评估，验证所设计电路是否达到所要求的技术指标，通过改变元器件参数使整个电路性能达到最优化。在虚拟实验设计阶段，方案、元器件调整方便，避免元器件损坏，节省设计时间与经费，提高设计效率与质量。

具体实施可参照实际单片机应用系统工程研发过程分为4个阶段：选题及方案设计、虚拟开发验证、实际系统实现、项目总结交流。在进行充分的虚拟创新实验及自由探索基础上，进行实际单片机应用系统电路板制作、硬件连接、软件调试及系统联调实现。

基于Proteus和Keil构建的虚拟实验环境，开展单片机应用系统开发与实现创新实验项目，自主选择实验内容，制订设计任务书（给出软硬件资源、实验要达到的效果等），取代原有的实验指导书。将科技方法训练、机电综合设计、创新设计等实践教学内容融合到一个实际应用系统设计与实现创新实践中，培养学生的创新设计能力和强化现代工程意识。

2 实施过程

2.1 具体步骤

单片机课程实践教学改革覆盖自动化、电子信息等多个专业。具体步骤如下：

第1阶段：给出实践要求、实验资源；讲解Proteus和Keil虚拟实验技术在单片机应用系统设计中的应用；学生根据兴趣选择具体应用系统，制订设计与开发方案。备选单片机应用系统选取举例如下：

①温度测量显示系统设计与实现（自主选择热电阻、热电偶或数字温度传感器测温机理；自主选择温度液晶屏或数码管显示方式；自主元器件选型；自主定义键盘操控流程）；

②直流电机调速控制系统设计与实现（自主选择调压变速或调PWM波变速机理；自主选择手工或自动调速控制模式；自主选择速度液晶屏或数码管显示方式；自主元器件选型；自主定义键盘操控流程）；

第2阶段：学生基于Proteus和Keil的虚拟开发环境，针对所选具体应用系统，进行虚拟实验、设计、开发及验证。

第3阶段：在虚拟设计开发验证完成后，进行实际单片机应用系统搭建、软硬件调试及系统实现。

第4阶段：总结交流，提交作品、完成项目报告。

2.2 实施要求

学生根据兴趣分组选择不同单片机应用系统，每组至少提出两种设计与实现方案；

学生在个人电脑上构建虚拟实验环境，充分利用课余时间进行创新实验；

基于虚拟实验环境所取得的系统设计开发成果，完成实际应用系统的构建、调试及实现；

自主设计实验方案、自由探索研究，形成有独立见解的、创新性实验报告；

完成创新实践过程不同时间节点的过程设计文档及进展报告。

3 教改特色

基于教师提出的实验目标及要求，学生自主设计实验方案、开展自由探索研究，分组合作，经历单片机应用系统工程开发及实现的完整过程，既强调学生自主创新和自由探索，又强调工程设计开发规范。

Proteus与Keil的整合为单片机应用系统开发提供了一种低投资、高仿真且功能齐全的开放、实战虚拟实验环境。

单片机应用系统虚拟实验开发阶段，利用现有计算机就可以完成，无需实际CPU芯片或其他相关元器件，学生随时随地进行单片机应用系统设计、开发，实验时间、实验空间及实验资源开放。

单片机应用系统虚拟实验开发阶段，器件根据需要进行组合、器件参数可以及时仿真优化，充分发挥单片机仿真设计实现的灵活性、充分调动学生的积极性创造性。

在虚拟实验室环境下，学生无需担心损害实验设备，可以自由、大胆地进行各种设计，无需承担反复设计、调整的各种费用，节约实验经费。

实际系统实现与虚拟实验开发相结合，符合工程实践规律。在仿真环境下设计的应用系统达到要求指标后，根据目标要求加以制作、实现。

把培养创新型应用人才作为首要目标，注重学生发现问题的过程、解决问题的方法与能力、探究的精神和个性品质，强调启发式教学、发现式学习和互动合作式学习，充分利用现代教育技术，强调学生的创新能动性和个性化发展。[4]

4 结语

单片机课程实践教学改革针对单片机课程传统的实验箱内部模块固化、仅能进行验证性实验教学，存在诸如学生实验后对系统和芯片的工作原理与程序认识不清、不能灵活创新设计开发、学习开发积极性不高等缺点，让学生基于Proteus和Keil构建的虚拟实验技术，分工合作，经历单片机应用系统实际工程开发实现的完整过程，既强调学生自主创新和自由探索，又强调工程设计开发规范。重点促进学生自主动手、提升创新能力，培养创新型应用人才。

【参考文献】

[1]教育部关于实施“卓越工程师教育培养计划”的若干意见（征求意见稿）[Z].2010，6.

[2]胡文金，钟秉翔，杨健.单片机应用技术实训教程[M].重庆：重庆大学出版社，2005：2-3.

[3]林立，单片机原理及应用[M].3版.北京：电子工业出版社，2014，8.

[4]张敏，鞠春花.大学生创新能力的培养的研究[J].教育探索，2013（9）：105-106.

[责任编辑：杨玉洁]