基于虚拟实验软件的高职单片机教学改革

摘 要：文章指出高职单片机课程传统教学和实验模式存在的局限，提出对单片机课程进行信息化教学改革，利用Proteus虚拟实验软件的可视化、网络化、可重复化、“零”器材消耗的特点，整合教学内容，“动画”教学过程，并结合精品课程网站建设，运用混合式学习，转变了学生学习方式，提高了学习效果。

关键词：高职院校；单片机；教学信息化；Proteus虚拟实验软件；混合式学习

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2013）24-0034-03

《单片机原理与应用》是很多高职电子信息类专业开设的核心课程，是从事电子、自动化、计算机应用、机电一体化等工作岗位的工程技术人员必须掌握的专业技术。由于单片机是一种高度集成的数字电子芯片，涉及到数字电路、计算机理论等一系列复杂的知识要素，硬件和软件设计形态繁多，特别强调将理论和实践紧密结合，而传统的单片机教学模式受制于技术手段，形式单一、抽象，实验也程式化，因此，学习和掌握单片机是比较枯燥和困难的。近年来随着教育信息化技术的进步，出现了“虚拟实验”技术，使得单片机虚拟仿真实验已经成为可能，因此，我们借助先进的单片机虚拟实验软件，对单片机课程的教学进行了信息化改革创新。

一、传统单片机教学和实验的局限

1.教学上的局限

单片机课程的主要内容，包括单片机内部结构、存储空间、I/O接口、中断、定时/计数器、串行通信接口等很多的知识点，对于高职层次的学生，如果缺乏合适的教学方法和手段，学习单片机是很抽象、困难的过程。传统教学采用“课堂讲授+实验室验证性实验”的模式，在课堂讲授部分，只能依赖PPT课件，对单片机的概念、结构、接口等内容，利用结构框图、流程图等进行静态表述，不够直观，无法揭示单片机内部程序运行的过程和各种接口信号的动态过程及相互关系。由于缺乏合适的课堂演示设备，无法配合教学内容在课堂上及时演示，教师只能偏重理论阐述和灌输，学生往往听得云里雾里，收获甚少。

2.实验上的局限

以往的单片机实验装置主要有实验箱、开发板，其性能特点如表1所示，可以看出，这类设备都存在比较明显的缺点和局限。

二、Proteus虚拟实验软件

虚拟实验是指借助于计算机仿真、虚拟现实和多媒体等信息化技术，在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目。虚拟实验的特点是可视化、可重复性和低成本，能实现“零”器材损耗。虚拟实验技术已经在诸如物理、化学、生物、电子、机械等很多学科领域的课程教学中得到了广泛应用。

近年来在单片机课程教学上，也出现了先进的虚拟仿真系统Proteus VSM，它是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件，不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及器件，具备原理图设计、制板、微处理器实时动态仿真等强大功能，可以在无须消耗器件的情况下，搭建单片机系统和各种接口电路，达到实验的目的，将单片机系统的设计大大简化，也很大程度上改善了单片机课程的教学和实验。利用PROTEUS可视化特点，可将许多单片机实例运行的内部动态过程生动、直观的演示出来，达到实物演示实验难以企及的效果。

三、单片机教学信息化改革

利用Proteus虚拟实验软件的可视化、网络化、可重复性和“零”器材损耗等特点，我们对单片机课程的教学进行了信息化改革创新。目的是整合教学内容，增加教学过程的生动、形象，实现教学资源的开放、共享，发挥学生的自主学习和创新能力。具体的方法是：

1.根据Proteus软件特点整合教学内容

Proteus虚拟仿真软件采用图形化、模块化的方式，把单片机的底层内部结构进行封装，对最终用户屏蔽，因此对用户而言简单、直观、形象。硬件设计上，基本上是采用各类集成电路芯片，按标准总线式结构，连接对应的引脚搭建，程序设计上，也多以接口编程、库函数调用为主，不需要设计复杂的算法。因此，我们依照Proteus特点，把单片机理论性、细节性过多的内容加以简化、整合，以典型功能模块为基本知识单元，把教学重点放在掌握功能模块的外部特性和组合应用上，“重外弱内”，从而避开了单片机内部指令系统、寄存器、地址空间等比较抽象、枯燥的理论内容，降低了知识难度，不仅易于高职层次的学生接受，还便于开展项目化教学，如图1所示。

2.“动画”教学

教师使用Proteus作为即时实验工具，教学的时候配合教学内容同步、动态、实时的演示，很好的呈现单片机程序的执行步骤和各种接口信号的变化、传递过程。单片机内部运行程序速度很快，传统教学很难把单片机内部程序运行过程和外在结果的对应关系表述清楚，例如，在讲授单片机控制多个数码管同时显示的动态扫描原理时，需要再现单片机程序依次操作I/O端口，产生引脚信号的变化，驱动数码管轮流点亮显示的过程，教师就可以使用Proteus实验软件，在程序中设置断点，利用单步执行的功能，“慢动作”播放，一步一步执行，把程序执行的过程和结果以“动画”形式演示出来，并能随讲随停，让教师对教学内容和过程的掌控更为灵活、生动直观，学生也更容易理解。

3.与精品课程网站结合应用混合式学习

单片机教学信息化改革，还可以借助网络，运用混合式学习模式，即课堂教学与课外在线学习相结合。因为单片机是一门实操性很强的课程，依赖于C语言编程工具，搭建电路、编写、调试程序会占用很多时间，特别是项目化教学后，仅仅靠有限的课堂时间是不够的，学生需要进行课外的学习和实操。Proteus软件支持C/S（客户端/服务器）网络应用，因此，我们把Proteus服务器嵌入到精品课程网站中，应用架构见图2。学生可以在宿舍、教室、图书馆等场合随时随地接入网络，不仅可以获取精品课程网站的教学资源，预先学习，还可进入Proteus虚拟实验室，根据网站提供的项目案例，进行各种实验，从而突破了传统教学实验的时、空限制，发挥了学生作为学习过程主体的主动性、积极性与创造性。学生在线学习实验时遇到各种编程调试上的问题，集中到课堂教学的时候由教师辅导解决，提高了课堂教学的针对性和实效性。

四、结束语

我校利用虚拟仿真实验软件对单片机课程教学进行信息化改革以来，不仅有效解决了学校在经费、场地、器材等方面的困难，而且克服了传统教学抽象、静态的缺点，简化了教学内容，让教学过程生动直观，提高了学生学习兴趣，学习效果得到很大提高，在国家和省市的单片机应用技能大赛中取得了多个优异奖项。

参考文献：

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