单片机实验教学范文
时间：2023-12-07 09:34:52
单片机实验教学篇1
关键词 单片机；现场教学；实践教学
中图分类号：G642.423 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2012)06-0131-02
Teaching Reform and Practice of Scene Teaching Mode for Microcontroller Course//Fan Jian, Li Jun, Xia Ruting
Abstract The paper discusses the reform and practice of the scene teaching mode in microcontroller course. Three of the main problem in the current microcontroller course teaching was presented at first, some efforts was put forward such as teaching experimental installation, teaching process planning and teaching conception reforming etc. It can be spread and exploitation in teaching other technical curriculum.
Key words microcontroller; scene teaching; practical teaching
Author’s address School of Mechanical Engineering, Taizhou University, Taizhou, Zhejiang, China 310018
单片机课程是实践性很强的专业技术课，对于台州学院机械专业的学生而言，他们相关知识学得浅，且先修电控类基础课程的实践也相对较少，单从课堂教学来看，其理论概念抽象，教学内容枯燥乏味，学生学习该课程的主动性和积极性不够，该课程的教学效果不甚理想。通过对单片机课程教学改革，把单片机课程理论教学及时有机地融入实验教学中，将理论和实践教学“捆绑”在一起，让学生边学边练，围绕单片机课程的现场实验教学模式进行有益的探索和实践。
1 单片机课程教学中存在的几个问题
分析台州学院机械专业单片机课程的理论和实践教学过程，以下2个问题比较突出。
1.1 单片机课程理论和实验教学在时空上脱节，实验教学效果不理想
单片机课程教学安排一般是将某个单元的理论知识系统讲完之后再安排实验教学，这种安排表现为理论和实践的教学在时间和空间上是分开进行的。由于课程的理论知识内容比较抽象，学生学完理论知识后不容易及时理解和掌握，在规定时间内学生能够完成实验的比例不到一半，实验效果很不理想，甚至出现随着课程往后推进，学生对课程学习兴趣的程度逐渐下降的不良现象。
1.2 单片机应用技术更新速度快，学校不可能同步更新昂贵的教学实验设备
目前比较主流的实验设备结构复杂，且厂家一般不提供完整电路设计原理图，学生难以完整地理解和掌握实验原理；另一方面，当今时代电子科技发展迅猛，芯片和功能模块器件更新速度很快，虽然厂家每年都会适时推出新产品，但对于高校而言，不可能每年花费巨资去更新价格昂贵的单片机实验设备。
2 单片机课程现场实验教学改革的实践
针对上述单片机课程教学过程出现的问题，对该课程进行现场实验教学改革的实践，把单片机课程理论教学及时、有机地融入实验教学过程当中，以学生实践为主体，将单片机课程理论和实践教学“捆绑”在一起，进行一系列有益的探索和实践。
2.1 购置单片机学习开发板，用于现场实验教学，将课程实验向课外延伸
为有效开展现场实验教学，课程组在学科的支持下为课程教学改革试点班级的每位学生购置单片机实验开发板套件。单片机课程的现场教学实践都是基于该开发板进行的。此外，学生还可以在宿舍利用课余时间自行学习和调试。学生在课程学习期间，每人拥有一套单片机开发板，有利于学生将单片机的学习和实践从课堂向课外延伸，便于他们进行自主的学习和实践。
2.2 应用现场实验教学，更新教学内容，重构教学过程，强化平时训练
在单片机课程教学计划的安排上，打破以往理论教学的章节结构，对教学内容更新和整合，根据现场教学的特点，重构教学过程，形成“单片机简介及其设计开发流程”“单片机内部硬件结构及编程初步调试”“C51初级编程技术及接口技术初步应用”“C51高级编程技术”“单片机中断控制技术及其应用”等12个专题。以现场理论讲解、现场理论实验验证、基本应用和综合设计应用的形式进行现场实验教学，边学边练。应用现场实验教学进行一系列有目标的实例引导和实践练习，强化平时训练，使学生在每堂现场实验课都有新的收获和提高。
2.3 改革教学理念，强化学生动手实践的主体
在以往“灌输式”教学模式下，学生普遍感觉课堂上学习的理论知识抽象晦涩，他们在实验时也只能依葫芦画瓢，学习的积极性和主动性不高。现场实验教学彻底打破传统学习模式，将学生推向教学的前台，学生实践成为课堂教学的主体，进一步激发学生学习热情，提高学生举一反三、自主创新的能力，使教学过程更加融洽、和谐。
2.4 关注行业最新动态，及时引进和应用最新技术
通过现场实验教学，及时引入最新的功能模块，让学生及时把握行业发展动态，提高自身的竞争力。而且，在当今产业激烈竞争、企业转型升级的关键时期，越来越多的用人单位更加注重于学生掌握并运用最新技术的能力。
3 取得的教学效果
通过台州学院单片机课程组教师的共同努力，学生对单片机课程的学习取得明显的成效。
3.1 学生对课程的学习兴趣浓厚，教学效率、实验效果明显提升
随着课程教学的推进，学生从开始学习时表现得很依赖教师指导，逐步过渡到基本能够独立完成实验，到课程学习的后期，大部分学生已经能够根据教师分配的课题独立进行设计和实验。学生逐渐养成主动思考分析的习惯，学习能力有很大提高，课堂学习常常出现“你追我赶”的好现象，减轻了指导教师的压力，培养了学生的合作精神和创新意识。
3.2 学生参与科研实践的积极性和动手能力显著提高
单片机课程教学为学生进行机电一体化设计打下良好的基础，学生参与科研实践的积极性和动手能力显著提高。自2009年以来，该教改试点班级有近90%的学生申请并完成实验室开出的电控类开放性实验，有近80%的学生参与了学校举办的浙江省大学生机械设计竞赛选拔赛，学生申请并获批浙江省新苗计划项目有3项，由学生申请并已受理的实用新型专利有5项。
4 结语
单片机课程应用性很强，针对这个特点，通过对单片机课程进行现场实验教学改革的实践，教学质量显著提高，进一步提升了学生学习专业课程的兴趣，为后续专业课程的学习与实践提供了很好的学习基础和学习方法。现场实验教学模式经过近2年的教学实践检验，显示出良好的实践效果，对其他专业课程的教学也有较大推广价值。
参考文献
[1]陈亮.单片机课程的教学改革[J].实验室研究与探索,2008,27(9):121-123.
[2]徐敏,卢周平.“单片机原理及应用”课程教学改革与实践[J].实验室研究与探索,2006,25(1):82-84.
[3]陈振光.基于工作过程系统化的《单片机原理及接口技术》课程开发方案[J].机电信息,2010(18):158-160.
单片机实验教学篇2
【摘要】本文分析了目前高校单片机实验教学中存在的不足，并从教学内容和教学方法两方面提出了单片机实验课程改革的一些思路。教师只有不断丰富教学内容，改进教学方法，才能培养学生的动手能力和创新能力，实现教与学的最佳统一。
【关键词】单片机；实验；教学改革
单片机又称微控制器，是微型计算机的一个重要分支。由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好、价格便宜、应用灵活等特点，因此广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，可以说单片机已经渗透到我们生活的方方面面。目前高校的计算机类、电子类、控制类等专业都开设了单片机课程。该课程是一门理论性和实践性都很强的课程，因此实验教学应该占很重要的地位。然后，目前很多高校中单片机实验教学存在问题，如何通过改革单片机实验教学的内容和方法，充分调动学生学习的积极性，进一步发挥他们的主观能动性和创新能力，成为了本学科实验教学的重中之重。
1.单片机实验教学的现状
大多数高校在单片机课程的理论教学中，先介绍单片机内部结构和引脚、再讲汇编指令系统和汇编语言程序设计、然后讲存储器扩展、最后讲单片机系统的扩展和各种芯片的应用。实验课一般在汇编语言程序设计讲完之后才开始进行。实验课设置存在以下问题。
1.1实验设备不能锻炼学生的动手能力；实验教学一般使用教学用实验箱，实验箱在出厂时，已经把单片机和芯片的大部分接线连接好了。实验时，学生按照实验指导书给出的接线图、实验方法和步骤操作，通过安装在pc机上的仿真软件，把汇编程序输到pc机上，然后通过串口通信，把编译好的机器码传送到单片机实验箱。实验结果通过pc机、示波器、万用表以及其它一些辅助设备观察。
这种实验箱性能稳定，避免了学生自己搭建实验设备带来的不确定性，从—定程度上可以让学生尽快熟悉和进入实验环境。但是，它缺少培养学生的动手能力、创新能力和综合运用知识的能力，也不利于进一步激发学生的学习兴趣和主观能动性。本来单片机的内部结构就看不见摸不到，学生们学起来感觉很抽象，再加上实验箱中单片机和芯片的连接也早已经固定好，所以很不利于学生们掌握单片机和其它芯片的连接。甚至有的同学做完了实验，竟然不知道单片机在本实验中起到什么作用。
1.2实验课时少；由于课时限制等因素，单片机原理与应用实验学时很少，一般在8-12个课时左右。其中入门实验、软件实验和验证性实验至少要占4个课时，所以设计型和综合型实验开出率不高，其结果是学生对所学的知识缺少一个整体的了解与认识。
1.3学生在思想上不重视；我国目前的文化教育，重视理论轻视实践，这造成了学生们从小就重视理论知识的学习而轻视动手实践。另外，在考核方式上，实验课一般作为理论课考试分值的一部分，即使实验课单独考核，往往也只占很少的学分，并且只要写过实验报告就基本可以通过。久而久之，大部分学生也滋生了重视理论课程轻视实验的思想。
通过以上分析可以看出，目前单片机的实验教学显然不利于培养学生的动手能力、创新能力和综合运用知识的能力，也不能进一步激发学生的学习兴趣和主观能动性，学生普遍反映单片机这门课太难学或者没有收获。为了适应当今社会对单片机行业人才的需求，必须对单片机实验教学进行改革。
2.单片机实验教学的改革
针对单片机实验教学存在的问题，可以从以下几个方面进行改革。
2.1教学内容的改革。
2.1.1增加c5l的编程训练；目前教学中，单片机的开发采用汇编语言。汇编语言是一种面向机器的语言，其汇编指令与机器指令一一对应，要想完成某种操作，就必须考虑计算机的硬件如何工作。由于汇编语言程序要安排运算的每一个细节，这就使得编写汇编语言程序比较繁琐、复杂。一个简单的计算公式或计算方法，也要用一系列汇编指令一步一步来实现。另外，调试汇编语言程序要比调试高级语言程序困难得多。
现在市场上单片机开发己经普遍采用了c51高级语言。和汇编语言相比，c51高级语言具有程序结构清晰、可读性好、易于维护等优点，一条c语言相当于几条汇编指令，完成同样功能程序的行数也大大缩小，更便于复杂算法的实现和调试。c51与c语言十分类似，通过先修课程c语言的学习，学生已经有一定的基础，学起c51会很快入门。所以为了提高学生的学习兴趣和开发能力，我们可以在实验中给学生增加c51的编程训练。
2.1.2 protues软件的学习；proteus isis是英国labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件，运行于windows操作系统上。它支持主流单片机系统的仿真，如68000系列、8051系列、avr系列、pi c12系列、pic16系列、pic18系列、z80系列、hc11系列以及各种芯片。还可以仿真模拟电路、数字电路、rs232、i2c调试器、spi调试器、键盘和lcd系统、各种虚拟仪器等。同时由于在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也具有这些功能。
在单片机的实验教学中，可以让学生自学proteus。
学生学习了proteus之后，可以在课余时间利用这些虚拟工具完成一些实验题目，整个过程如同操作硬件仿真器一样。过去需要到实验室操作电子仪器设备、电子元件才能完成单片机等实验，现在只要一台电脑，就可在该软件环境下快速轻松地实现。对于学习单片机的学生来说，拥有一台计算机和一套proteus软件，就可以随时随地开展单片机的学习了。
2.1.3 实验内容的调整；目前市场上单片机实验设备种类繁多，但总的来说，都能够完成相关的软件实验和硬件实验。在教学中，我们可以把实验分成入门实验、软件实验、验证实验、设计性实验及综合性实验五部分。入门实验主要是完成对单片机仿真实验箱的硬件结构及相应的集成开发环境的熟悉。软件实验可以帮助学生尽快掌握汇编指令，提高编程水平，这类实验可以选择外部ram数据传送、数据区清零、数据排序等让学生们练习。验证性实验所用的例子应该与实际生活相结合，实验指导书给出实验要求、实验步骤、相应连线以及软件程序，让学生按实验指导书实现相应功能。比如我们可以给出8155控制交通灯的实验让学生们验证。通过验证性实验，学生们可以进一步了解单片机及芯片的作用，提高学生的学习兴趣。设计性实验，可以培养学生实践动手能力及创新能力。这类实验可以选择利用p1口进行输入输出、利用定时器进行定时、利用中断系统进行工业现场控制、利用a/d，d/a芯片进行转换、利用串口进行两机通信。实验指导书只列出各个实验项目的目的、要求和原理性的说明，学生在实验过程自行设计完成任务。综合性实验要求学生要有广阔的知识面，要对所学知识有较全面的掌握。开设综合性实验的目的，是为了提高学生的实验技能和和培养学生的创新能力。实验的项目包括：电子音响、led点阵显示、数字温度传感器、逻辑加密ic存储卡读写等实验。在进行这部分实验的过程当中，学生可任意挑选感兴趣的实验项目，自行在课余时间完成。在实现此类实验过程中，学生们可以利用所学的c51编程和proteus软件来帮助完成任务。
2.2教学方法改革。
2.2.1 提高学生学习单片机的兴趣；为了提高学生对单片机课程的学习兴趣，可以在刚开课时给学生布置课下作业，让他们在网上搜索单片机的用处以及列举他自己身边单片机的影子。或者邀请有单片机开发经验的技术人员来学校作有关单片机的讲座，使学生了解单片机在工业控制、智能化仪器仪表、计算机外部设备、计算机网络与通讯技术和家用电器等领域的应用。当学生们明白了单片机的作用，尤其是看到广阔的就业前景之后，学习兴趣自然就会提高。
2.2.2 用目标教学法促进学生学习；目标教学法是指提出教学目标，通过努力实现目标，达到教学目的的一种教学方法。在教学过程中，教师以教学目标为导向，整个教学过程围绕教学目标展开。在教学目标的刺激下，学生为实现目标而努力学习。这种方法的突出特点是教学活动过程中确立以理论为实践服务的指导思想，注重知识的实用性，有的放矢地培养学生，倡导教学过程中师生间的互动性，并以此来确保教学目标的实现。教学过程一般分为制定目标—展示目标—实施目标—检测目标—矫正深化达成目标等几个阶段。
将这种方法应用到单片机实验教学中，可以引起学生的兴趣，提高学生独立思考能力和解决问题的能力。实施时，教师先制定本次实验要实现的目标，并在实验室演示目标问题的实际运行过程。然后，让学生从硬件设计部分入手，再到软件编程，使软、硬件相结合，最后，由老师进行检查，指出软硬件设计过程中不合理的地方，由学生进行修改，从而完成单片机实验课的整个过程。在实施的过程中，老师可以引导学生将实际应用与所学的知识点、指令、原理紧紧地联系在一起，使学生清楚地了解理论知识在实际应用中的作用。在解决问题的过程中，学生置于实际问题之中，使学生可以清楚地认识到单片机的原理、概念在实际生活中的意义。这对于激发学生的学习兴趣，培养创造能力及分析、解决问题的能力极有益处。
2.3 增加实验学时数。单片机是实践性很强的一门课程。单片机实验是掌握单片机应用技术不可缺少的重要环节，对理工科大学生实践能力和创新能力的培养起到至关重要的作用。笔者认为应该增加实验课学时，让学生有尽量多的时间在实践中进行学习，如果再配合目标教学法，很多理论知识点完全可以从课堂上的理论教学转移到实验教学中。当然这也利于综合性设计实验的开展。
2.4 实验考核模式的改革。目前，很多高等院校对单片机这门课程只有理论考试没有实验考核，有的院校即便有实验考核，也只是仅看本学期实验课所做实验的实验报告而已，不进行任何考试。要改变单片机实验教学的现状，就必须把理论与实验分开，分别考试。考试虽然不是检查和促进学生学习的唯—手殴，但是不考试会给学生造成—个误区，认为实验课不重要，因此也就不会认真学习。因而笔者在参考了其他一些高校的做法后认为。在做完所有实验之后，我们进行一次考试。教师事先拟定好几个题目，题目的内容与本学期所做实验的内容相近，由考生抽签来决定自己做的题目并当场于规定的时间内完成。考试时，学生可以带课本、以前写好的实验报告等资料。考试成绩由教师检查实验结果后给出。期末实验课成绩由实验课考试成绩（占80%）和平时出勤情况、实验报告提交情况（共占20%）进行综合评定给出。
3.结束语
由于单片机本身软、硬兼备的特点，在单片机课程的教学中，实验环节直接关系到教学效果的好坏。本文分析了目前高校单片机实验教学中存在的不足，并从教学内容和教学方法两方面提出了单片机实验课程改革的—些思路。随着单片机技术的迅速发展，教师应不断调整教学理念，丰富教学内容，改进教学模式，调动学生学习的积极性，培养学生的动手能力和创新能力，实现教与学的最佳统一，以适应科技时代不断发展的需要。
参考文献
[1] 胡汉才。单片机原理及其接口技术[m]．清华大学出版社．2004．
[2] 林志琦．郎建军等．基于proteus的单片机可视化软硬件仿真[m]．北京：北京航空航天大学出版社．2006．
[3] 李莉．单片机实验教学改革与创新能力的培养[j]．电脑与电．2008，4：71—72
[4] 高健．目标教学法在单片机实验教学中的应用[j]．中国电力教育，2009，2：89—90．
单片机实验教学篇3
关键词:单片机;实验教学平台;实验改革
“单片机原理与应用”是计算机、通信、自动化等专业的主干课程,具有很强的技术性和实践性。实践教学平台在单片机实验教学中占有十分重要的位置[1],是“单片机”实验教学的基础,它直接影响单片机实验教学的效果。因此,许多高校及教师都在探索提高该课程实验教学效果的方法[2-5]。
本文对传统的实验教学平台进行总结分类,阐述其优缺点,提出新型的实验教学平台,即前期采用英国Labcenter electronics公司研发的EDA工具软件Proteus作为单片机实验教学的入门学习环境,后期则以对一些典型的实验有选择地进行硬件搭建实验平台的方式,对过去的实验教学平台进行改革,以适应我国目前对现代化、创新性人才的需求。
1现状分析
“单片机原理与应用”课程传统的实验教学平台大致分为两大类,一是直接采用现成的单片机实验箱;二是完全进行硬件搭建实验平台。
1.1直接采用现成的单片机实验箱
在这种方式中,实验教学的硬件平台是采用已成品的单片机实验箱,在实验箱上集成单片机课程中要验证的绝大部分基础实验与接口功能,实验的硬件设计过程简单,可靠性高,学生在实验中能够将注意力集中在系统的架构和软件开发上,而不会造成硬件线路搭建不当的问题,从而加深学生对实验目的的掌握。
目前,我国大多数院校采用这种方式,它在我国的单片机系统的研发与教学中发挥了重要的作用。这种教学实验平台是以验证性实验为主,其优点是采用可靠的成品硬件,减少实验中硬件的错误及硬件损耗,有助于学生对系统整体的把握。但是其缺点也是明显的。实验装置有限的功能,实验装置上各器件固定的搭配限制了学生的思维,使其无法发挥主观能动性及创造思维,也不能满足千变万化的系统设计需要,因此,与这类开发系统配套的实验装置在综合性、创新性设计实验中几乎无用武之地。
1.2完全进行硬件搭建实验平台
图1显示的是进行硬件搭建实验平台时所需的仪器设备及相应的实验步骤。很显然,完全进行硬件搭建是一个相当麻烦的事情,它要求学生有相当丰富的软硬件知识,这对大多数初学学生来说是不现实的;同时,实验还要有相对多的配套设备仪器及元器件,这对大多数学校的实验室来说也是不现实的。然而,它提供了相当大的自由度,方便学生根据设计的需要进行相关的硬件设计和软件开发,直至最后的软硬件测试,能够有效地提高学生的动手能力,开拓学生的创新性思维。
基金项目:“单片机原理与应用”实验教学模式改革(20090427)。
作者简介:冯刚,男,副教授,博士,研究方向为单片机与嵌入式。
图1硬件搭建实验平台的步骤与设备需求
完全硬件搭建进行实验需要很多仪器设备,这种方式在早期的单片机实验中采用得很多,它的优点是能够让学生对整个单片机系统的设计过程有一个认识,帮助学生从硬件设计到软件设计,以及软硬件集成测试的开发过程有一个清晰的认识,提高学生的软硬件开发能力。但在实际的实验教学中,由于大多数学生在前期并未接触过软硬件集成开发的方式,结果事与愿违,还不仅不能培养学生自己动手的能力,还因购置的设备比较多,增加学生学习和研究的投入,造成实验过程中仪器设备的巨大损耗。另外,在这个方式下,单片机实验室的教学资源比较紧张,即使是全方位开放,也很难满足所有学生的需求。很多学生为了做某一实验,在初期花费了大量的时间与精力,但是,因受元器件、实验仪器与设备的限制却半途而废,这挫伤了学生对实验和科研的积极性。
由此可见,传统的实验教学平台虽然能够满足一定的实验教学要求,但存在着很大的缺陷,它不能满足单片机技术日新月异的发展要求,无法达到培养学生自主创新实验的要求,我们必须结合传统教学实验中两种不同实验平台的优点,如采用虚拟实验平台Proteus为主并有选择地进行硬件搭建实验平台相结合的方式,从而满足学生对实验教学平台不断提高的要求。
2实验教学平台的改革
由于传统的实验教学平台存在着各自无法克服的问题,因此,选择一个合适的开发平台,结合前面所提到的两种实验平台的优点,克服各自的缺点就具有十分重要的意义。在此我们提出前期采用Proteus虚拟实验平台作为入口学习环境,后期则对一些典型实验有选择地进行完全硬件搭建的方法来对传统实验教学平台进行改革。
2.1采用虚拟实验平台Proteus的意义
Proteus软件具有以下优点[6-7]:
Proteus软件提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。
Proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。如示波器、逻辑笔、逻辑分析仪、SPI调试器等。
支持单片机汇编源码级、C源码级仿真与调试。
无需硬件电路就可对单片机电路进行软硬件的开发、测试与调试。
一套系统就可实现数字电路设计、模拟电路设计和单片机仿真设计的全部实验。
支持的单片机类型非常多:8051、ACR、PIC10/12、PIC16、PIC18、HC11、ARM7。
鉴于Proteus软件的优点,以Proteus软件为核心构建虚拟实验平台就具有以下意义:
构建实验室的硬件投入少,只需提供计算机即可。
Proteus虚拟实验平台无需提供大量的实验用仪器仪表,只需使用Proteus软件中提供的多种虚拟仪器仪表就能完成对硬件电路的探测。
实验室运行成本降低,整个使用过程中损耗很小,基本没有元器件的损耗问题。
实验平台更新速度提高,只需更新仿真软件即可。
支持学生自行实验。Proteus软件支持单片机及其设备仿真,克服了传统实验教学时,学生自行实验时需购置较多外设备的缺点。同时采用仿真软件后,也可以先在软件环境中模拟通过,再进行硬件的投入,这样出来,不仅省时省力,也可以节省因方案不正确所造成的硬件投入的浪费。
支持学生的创新性培养。Proteus虚拟实验平台可充分发挥学生的创新性,克服了单片机实验箱由于是成品,学生很难参与到其中的细节设计中去的缺点,提供了训练与提高学生动手能力的平台。
通过对实验平台的改革,用较少的实验费用就能达到过去采用完全硬件搭建平台才能做到的提供给学生自主的、创新的实验环境,学生在实验过程中不用担心仪器件及仪表仪器设备的损坏,这极大地调动了学生实践动手的兴趣,提高了学生学习的主动性和积极性。
2.2部分采用完全硬件搭建平台的必要性
采用Proteus仿真软件进行虚拟单片机实验,具有十分明显的优点,但是也存在一定的缺点,如Proteus提供的实验环境与实际环境相比存在一定的误差及实时性不太好等问题。虽然学生前期学习单片机课程的实验教学足够,但在后期进行创新性和综合性实验以及实际工程开发时显得不足。
单片机实验教学篇4
关键词： Proteus仿真软件 《单片机技术》 实验教学 应用实例
目前国内各大高校在《单片机技术》实验教学方面，大多采用单片机实验箱或目标实验板加硬件仿真器的方式，而学生在做课程设计、毕业设计时，往往因仪器设备与元器件等条件的限制而放弃一些有创新的实验和设计，挫伤了学生实验及设计的积极性。若引入Proteus仿真软件，即可在同一项目中进行不同实现方式的尝试，弥补传统模式变化少、电路结构固定、限制学生发散思维的缺点。
1.Proteus仿真软件简介
Proteus嵌入式系统仿真与开发平台由英国Labcenter公司开发，是目前世界上最先进最完整的嵌入式系统设计与仿真平台。Proteus可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和PCB设计等全部功能，真正实现了在没有目标原形时就可对系统进行调试、测试与验证。
2.Proteus应用实例分析
Proteus不仅仅可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU单片机，只要给出电路图，它还可以对单片机的周边设备进行仿真。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接观察程序运行和电路工作的过程和结果。
2.1Proteus仿真51单片机
这里以驱动发光二极管闪烁为例来讲解Proteus的仿真过程。
（1）编写软件程序
#include
unsignedinti；
sbit led=P1^0；//声明单片机P1口的第一位
void main（）
{
while（1）
{
led=0；//点亮发光管
for（i=10000；i>0；i--）；
led=1；//关闭发光管
for（i=10000；i>0；i--）；
}}
利用KEIL C编写单片机程序，编译成功后，生成*.Hex的编程文件。
（2）绘制电路图
运行ISIS，进入仿真软件的主界面，将所设计的电图绘制好。如下图1所示。
（3）下载程序到MCU上
步骤如下：
第一：在原理图上双击单片机，将*.Hex的编程文件加载进来。
第二：在“clock frequency”栏中填写单片机的工作频率：l2Mhz。
第三：回到Proteus原理图界面，点击开始按钮，就可以看见仿真的结果：LED闪动。
2.2Proteus与Keil联调
上文介绍了如何把keil里写的东西让proteus动起来了，现在来讲讲如何进行联调。Proteus能与Keil等常用的编译器协同调试，实现系统的在线调试。
调试步骤如下：
1.把Proteus安装目录下VDM51.dll（X：＼...＼Labcenter Electronics＼Proteus 7/Professional＼MODELS）文件复制到Keil安装目录的X：＼...＼Keil＼C51＼BIN目录中。
2.编辑C51里tools.ini文件，加入：TDRV9=BIN＼VDM51.DLL（“PROTEUS VSM MONITOR 51 DRIVER”）。其中“TDRV9”中的“9”要根据实际情况写，不要和原来的重复。
3.在keil软件里的“options for target”target1“Debug”选项里选中右边的use，在下拉菜单中选择proteus vsm simulator。
4.在proteus里选择DEBUGuse remote debug monitor，再进入KEIL的project菜单option for target‘工程名’。在DEBUG选项中右栏上部的下拉菜选中ProteusVSM Monitor-51 Driver。
5.打开KEIL,按F5开始仿真。设置两个断点，可以看到联调的效果。如下图所示。
由上述例子可以看出，proteus可以很方便地与Keil C51集成开发环境连接，程序编译好之后，立即可以进行软、硬件结合的系统仿真。
3.结语
实践证明，在实验教学中采用Proteus仿真软件，学生不需硬件支持也能完成实验内容，能降低实验成本，缩短实验周期，延伸实验内涵；可以对实现同一功能采用不同处理方式的验证，对于开阔学生的视野，提高学生的实际应用能力，提高学生的科研能力及创新能力有很好的帮助。
参考文献：
［1］赵巧妮.proteus在单片机仿真中的应用［J］.自动化技术与应用.2009，（28）：113-115.
［2］伍冯洁.proteus在虚拟单片机实验教学中的应用［J］.实验室科学.2009，（3）：102-103.
［3］王靖.Proteus仿真在模拟电子技术课程中的应用［J］.电脑知识与技术.2009，（5-19）.
单片机实验教学篇5
Abstract: Summary of experiments on the specific measures. Create a new type of experimental teaching system. Proposed program of experimental teaching and assessment methods. Application of modern methods for teaching process, improve teaching, teaching methods and teaching methods, optimization of the teaching process, improve the quality of teaching.
关键词: 单片机及应用;实验教学;实践能力;实验技能
Key words: Application of Single Chip microcomputer;experimental teaching;Practical ability;Experiment skill
中图分类号:G42 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)29-0192-02
0引言
随着科学技术的发展,计算机技术已广泛应用于工业控制、仪器仪表、日常工作及生活中,因此掌握计算机技术有着实际的重要性,主要在于实践和应用。要学好《单片机及应用》这一门课,必须经过实践性环节,才能使学生深入了解和掌握单片机理论知识和应用水平,提高学生的动手能力,拓宽学生的思路和创造力。因此,提高实验教学水平,是《单片机及应用》教学过程中的重要环节。
本实验教学面向非计算机专业的大三学生,是自动化、电气工程及其自动化、电子信息、测控等本科专业的必修课程。他们初步掌握了模电、数字电路基本知识和微机原理与接口技术的基本应用[1],已经具备了基本的实验方法和一定的调试技能,需要掌握的是单片机原理及应用设计的知识。针对这一情况,我们从以下几个方面来保证实验教学的质量。
1制定实验教学大纲,教学标准化
根据各专业要求制定《单片机及应用》实验教学大纲,在大纲中明确了实验教学在培养学生实验技能方面应达到的基本要求,使实验教学标准化、规范化,为提高实验教学质量奠定了基础。借助于实验评估,完善实验教学文件,提高实验管理水平。
2结合教学计划,优化实验教学内容
2.1 加大软件设计,以提高编程、调试能力以实验教学大纲为依据,结合教学实际情况,重新编写实验指导书。在组织实验教学内容时,加大了软件设计的内容及数量,以提高学生的编程能力。《单片机及应用》教学计划中实验教学要求9个实验共24学时。为了提高学生的编程能力,在不增加学时数的情况下,采取适当延长实验时间和实验室开放等手段,增加了2个实验内容,即利用四次时间完成6个实验内容。为了加深学生对汇编指令的了解,并做到熟练掌握,实验内容采取多样化:每个实验包含了多个相同类型,但不同内容的部分,从易到难,从简到繁。如算术运算实验包含了加法、16位减法、32位无符号数乘法和除法运算等内容。
2.2 增加综合设计性实验,提高学生分析问题、解决问题的能力[2]增加综合设计性实验比例,以达到提高学生的综合编程能力、实际解决问题能力的目的。9个实验中,除了1个是验证性实验,其它8个都是设计性实验。其中《数据传送》是验证性的实验,要求学生按照实验指导书的步骤认真完成。通过这个实验使学生对单片机结构有一个感性认识,并掌握单片机仿真系统的基本使用;综合设计性实验,要求学生运用已掌握的理论知识、工作原理,进行设计、编程、调试。以提高实际编程、调试能力。
2.3 选择具有典型特征的实验,增加实验的趣味性,提高学生对实验的兴趣通过前4个实验,学生对汇编知识有了深层的了解,并逐步掌握了运用汇编语言编程及调试程序的方法。而定时/计数、中断系统是《单片机及应用》课程的两大重点特性,因此实验内容特安排定时中断实验,要求设计能实现电子钟功能,具有时、分、秒走时功能,并在七段码上显示出时、分、秒,还可以做到预置时间及零点等功能。因电子钟在日常生活中随处可见,学生们很感兴趣,从而激发了学生做实验的兴趣,达到了提高实验质量的目的。
3利用现有的资源,改进工作方法及手段
3.1 坚持实验预做工作,精心编写实验教案坚持每个实验前的预做工作,在预做的基础上,编写实验教案,对实验的重点、难点作重点阐述,并根据以往的教学经验,对实验中经常遇到的问题、注意事项、解决问题的方法在教案中作出特别标示,并在实验讲解时,对这些问题、及解决问题方法和手段加以强调说明,引起学生的重视,提高学生观察问题和分析问题的能力。
3.2 增加实验批次,提高学生独立操作及独立解决问题的能力在以往的实验教学中发现,几个人一组做实验时,往往是有的做,有的看,学生的动手能力没有得到充分培养。为了提高实验教学质量,首先对分组情况进行改进,增加实验批次,减少每组实验人数,由几人一组改为1人1组。用“逼”的方式培养学生的独立动手能力,特别是对少数平时依赖别人的学生起到督促作用。其次,在实验中,对学生按照高年级的标准严格要求,不只是注重实验结果,而是追求学生是否掌握了该知识点,是否真正掌握编程方法、调试方法及解决问题的方法。因此在实验过程中,主要是帮助启发学生分析、处理问题,而不是代替学生做实验,重点帮助动手能力差的学生,引导他们,使一般的学生有信心完成实验任务,从而激发了学生做实验的积极性。
4充分利用现代化的教学手段,采用立体化教学模式,提高教学质量
4.1 改善教学环境,丰富教学内容学生们普遍感到单片机及应用课程难学、概念抽象、感性认识差。特别是学习到接口部分时,很多学生对于接口芯片的工作原理及其在计算机中的实际应用模糊不清,设计和应用时无从下手。为此我们开发研制了多媒体教学软件并将其运用于实践教学中,该课件获得2009年 “第九届全国多媒体课件大赛”高教理科组三等奖。采用真实与虚拟化实验相结合,有效地解决了原理概念抽象难懂,实验时数减少等问题。提高了实验效率及质量。
用图文音像等形式将实验室搬上电脑,展示实验教学内容,弥补传统课堂教学的不足,增强教学过程的直观性、可视性和互动性,丰富了教学内容,解决了理论教学和实验教学各自独立、相互分离的问题。虚拟实验室打破了实验教学局限于实验室课堂教学的传统方法。
虚拟实验室课件有利于的实验的讲解,将有些看不见的理论,用演示的方法,增强学生的理解,用直观的实践手段,解剖原理,使实验达到教学的要求。
4.2 建立网络教学平台,更新教学观念,提高实验效果[3]虚拟实验室根据单片机及应用实验大纲中规定的实验内容分别对每个实验设置了虚拟环境。可以打包在网上,学生们可以随时进入学习,不仅可以查看实验要求,明确实验任务,仿真连线,演示实验的流程和结果等,还可以在线进行交流。学生可以不受地点和时间的限制,方便地安装虚拟实验软件,随时进入虚拟实验室学习和操作。
通过仿真实验,学生可以学习程序的调试方法和调试技巧并观察实验的客观效果。学生通过虚拟实验室的预习和指导,深入了解实验的原理、过程、结果。可以提高实验过程中实际操作的正确率。
虚拟实验室具有可扩散性,学生可以根据理论课程的教学进度和自身的实际情况,自主选择实验内容,还可以尝试做实验课程之外的自己感兴趣的其它内容的各种实验,或者从不同角度出发重复某个实验以扩大视野,深化学习。通过虚拟实验室,使学生处于实验教学的主导地位,使学生的能动性和创造力得到充分的发挥,激发了学习的兴趣,掌握了学习的主动权。
5加强实验教学考核,精心设计多类型的阶段考核
5.1 增加实验预习的评定,提高实验的效果[4]为了让学生在3学时的实验课内,充分掌握实验内容和调试方法,要求学生实验之前必须写好实验预习报告。预习报告的内容包括:实验内容、原理、设计实验线路、编写实验程序、分析可能出现的调试方法以及实验数据等。学生进入实验室后,教师根据他们的预习报告情况,按考核标准,给出学生的实验预习成绩。这样,学生每次都能在预习的基础上去做实验,可以使每个实验都达到预期的效果。由于预习报告是实验总结报告的一部分,因而学生还是积极地去完成。
5.2 重视实验过程,对学生独立动手能力及分析、解决问题能力的评定实验时,学生分批进入实验室,为了调动学生对实验的兴趣,更好地理解和运用理论知识,我们针对每个实验的特点,给每批学生的实验内容、要求均作不同的要求。如:在最后一次定时中断实验中,我们对每批学生提出了不同的实验要求。有的要求用定时器0方式2来完成定时;有的要求用定时器1方式2来完成定时;有的要求将定时时间及七段码显示值存储在内部RAM中;有的要求将定时时间及七段码显示值存储在外部RAM中。由于要求不同,初始化编程及相应的其它编程都有区别,有利于在实验中跟踪学生实验过程,从对理论知识的理解、独立动手能力、分析问题、解决问题能力等方面对学生作出评定。
5.3 实验报告的评定,巩固所学知识[5]完成每次实验后,要求学生做出完整的实验报告,对其格式、内容提出要求,在书写格式、数据处理、编程分析(如程序框图、程序注释)、工作原理分析、调试方法及思考题完成情况作出评定。
最后根据学生预习、实验过程、实验报告的各项成绩给出每个实验的小评成绩,再将几个实验的小评成绩综合,给出学生实验总评成绩。
通过对撰写实验预习报告、实验过程中考核、完成实验总结报告的跟踪考评,使学生重视每一次实验,变被动为主动,深化和巩固课堂上所学的理论知识,培养了学生独立动手能力,提高了他们分析问题和解决问题的能力,起到了实验教学的效果。
6结束语
经过多年的在教学内容、教学手段、实践教学、考试方法、实验室建设的探索和实践,使实验教学质量和学生的综合素质都得到了提高,在学生的学习小结中可以看出实验教学得到学生的认可,从学生的表现从害怕到喜爱,不仅是实验课时到实验室,课后主动找时间到实验室来,不仅将实验内容细化,深化,且进行进一步的扩展,为今后的考研、竞赛、学习和工作积累了经验,提高了学生的就业能力。
参考文献:
[1]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京:清华大学出版社.2004.
[2]朱卫华.提高“单片机原理及应用”课程实践教学效果的方法和途径[J].自动化与仪器仪表,2007,(6).
[3]田军营,韩建海,单片机实验的虚拟化改革[J].实验室技术,2008(6): 121-123.
[4]王建萍.优化单片机课程实验教学的新思路与实践[J].实验技术与管理,2006(11):101-102.
单片机实验教学篇6
【关键词】单片机 理论与实验 课程设计 协同教学
【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）31-0243-01
引言
单片机理论、实验和课程设计相关课程体系是各高等院校电子电气信息类工科专业基础专业课程设置的重要组成部分，为大学生深入学习掌握单片机的基本原理，设计方法，实践应用等打下基础。大多数理工科高校开设这些课程，对学生进行综合培养。对于单片机的理论与实践教学，既可以选择汇编语言，也可以选择C语言进行。在高校的实际教学工作中，大多数老师是选择汇编语言进行教学的，因为从汇编语言入手能更好的掌握单片机的硬件资源使用原理等，也有部分老师是直接使用C语言进行教学，认为汇编语言编程过于繁琐，而C语言编程能够在将来的实践工作中得到更好的应用。本文通过总结作者多年来在单片机相关课程教学积累的经验和教学研究心得，以51单片机理论、实验和课程设计教学为例，对如何在使用不同编程语言进行繁琐和复杂的教学中使学生更好地掌握单片机知识体系进行了探讨。
1.单片机理论教学
1.1 汇编语言理论教学
单片机是一个把中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、并行IO接口、串行IO接口、定时器计数器、时钟振荡电路等集成在一起的控制芯片，硬件资源简单且丰富，也易于扩展电路，所以单片机的学习侧重点首先在于掌握硬件资源使用方法。因为汇编语言实际上是CPU能够识别的机器码的助记符，从汇编语言入手开始教学，能够使学生更好地掌握单片机的硬件资源使用原理。使用汇编语言编程可以很方便地对单片机存储器地址直接进行存取操作，也能很方便地对存储器地址进行整体安排分配，前提是对单片机硬件资源非常熟悉，能够灵活调用。比如指令MOV、MOVC和MOVX可以分别访问单片机内部的数据存储器、程序存储器和外部扩展的数据存储器。汇编编程的缺点在于进行算术运算和逻辑判断跳转等比较繁琐。
1.2 C语言理论教学
国内的单片机C语言程序设计教程多数的编排都会在前面开始的章节介绍单片机硬件资源以及汇编语言指令系统，然后以更大篇幅讲述C语言程序设计语法和针对硬件资源的编程。针对单片机的C语言程序设计语法与计算机C语言高级程序设计编程语法基本一致，而针对硬件资源的指令又类似于汇编语言指令系统，所以应该可以说单片机C语言程序设计是计算机C语言高级程序设计和汇编语言指令结合体。要掌握好C语言编程依然要对于单片机的硬件资源理解透彻并能灵活调用。但是C语言针对硬件资源的指令与汇编语言指令比较起来却不如汇编那么直观，也不如汇编指令那样更加有助于单片机硬件体系结构的理解。
为了使初学者能够更好地理解单片机硬件体系结构，掌握硬件资源的调用，选择汇编语言进行教学显然是更加合适的。
2.单片机实验教学
单片机作为电子电气信息类专业的一门专业基础核心课程，比某些专业基础课程如电路原理、数字电子技术、模拟电子技术等更加注重编程实践的练习。单片机实验课程一般都是配套安排在单片机理论课程的下半学期，这样能够更加有助于理论的理解和掌握。作为理论课程的配套课程，单片机实验课程在教学上必须与理论课程保持一致性，选择汇编语言进行实验教学就是必然和最好的选择。
在实验设备的选择上，学院实验室早期购置过星研单片机Star ES51实验箱，后来又购置了大批光佑STC开发板，可以两者选其一。
早期的单片机实验都是集中在实验室进行，两人共用一台实验箱，通过连线和读写配套程序仿真运行来进行实验。这样的实验有一些明显的不足，比如配套程序调用了很多键盘显示的子程序，而这些子程序没有直接给出来，实验箱的很多硬件电路连接也没有给出详细原理图，所以造成了实验结束后多数学生也是对实验原理和编程似懂非懂的结果。
有了STC开发板后，每个学生可以分配一块开发板，各自进行单片机的编程仿真实验，还可以将开发板带回宿舍课后继续练习，实验可以更方便地进行。实验开发板的原理图清晰，例子程序丰富，通过读写配套例程可以较好的掌握单片机的基本原理。
显然使用汇编语言选择STC开发板进行单片机实验是实验教学的最好安排。实验课程的要求注重于单片机基础知识的掌握和硬件资源的调用。
3.单片机课程设计教学
单片机课程设计的安排是为了进一步提高学生的实践能力，所以课程设计的教学就不再局限于基本原理的掌握，而是必须达到更高程度的实践效果。汇编语言编程有利于对基础知识的理解和单片机硬件资源的掌握，却不利于复杂逻辑的处理。所以在学生已经基本掌握了基础理论的情况下，课程设计选择C语言编程，可以让学生更加方便的进行复杂程序的编写。
单片机课程设计实践项目内容的安排上，必须注重单片机内部和外部硬件资源的综合调用，以便完成具有实际意义的综合程序的编写。课程设计实践项目安排了可以综合调用单片机I/O口资源进行键盘扫描数码管显示以及中断处理的实现计算器功能的程序编写，和能够使用I2C总线进行通讯的AD/DA处理的程序编写。这两种程序的综合度和复杂度都远远大于单片机实验题目的要求。从实践结果来看，通过这种综合性复杂程序的编写练习，能够大大提高学生的开发设计实际项目的动手实践能力。
结束语
在我国大力实行人才战略强调人才培养的大环境下，本文作者所在高校也响应国家号召加强本科生培养，实施卓越工程教育，取得了积极可喜的成绩。本文积极探索和提高单片机理论实验课程设计协同教学的方法，取得了长足的进步和发展，也得到了学生的高度认同。以此方法培养出来的本科生在参加全国大学生电子设计竞赛的过程中也取得了骄人的成绩。本文作者经验和方法也可以为兄弟院校相关专业的教学提供参考和借鉴。
参考文献：
[1]李朝青.单片机原理及接口技术（第4版），北京航空航天大学出版社，2013.7
[2]郭天祥.新概念51单片机C语言教程――入门、提高、开发、拓展， 电子工业出版社，2009.1
[3]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例――基于8051+Proteus仿真（第2版）， 电子工业出版社，2012.10
[4]张毅刚.单片机原理及接口技术（C51编程），人民邮电出版社，2016.4
单片机实验教学篇7
关键词： Proteus仿真 设计能力 实践能力 电子竞赛培训
1.引言
随着社会信息化程度的不断提高，嵌入式技术越来越广泛地应用于我们的生活，成为当今最热门的行业技术。作为典型代表的单片机技术在各高校也成了一门热门的、重要的就业方向性课程，然而，单片机技术课程是一门与工程实践结合紧密的课程，要想让学生掌握好这门技术，需要加强实验实践环节的教学，提高学生的动手能力，培养学生对工程对象的设计能力和应用性编程能力。
2传统实验教学存在的问题
笔者从事于单片机实验教学工作多年，2007年开始就积极地进行单片机实验教学研究，从专业的角度来看：目前，大部分的高校都是采用实验箱进行教学，而实验箱是仪器开发公司的成品，设计时具有整体规划性，例如实验模块整体地址的设计，学生很难了解到其中的细节设计内涵。对于初学者，局部实验难以吃透，很难有良好的实验效果。这样，一般的单片机实验箱也只能起到验证实验的作用，学生只是看看实验现象而已，达不到实验教学的目的。
3.解决的办法
英国Labcenter Electronics公司开发Proteus软件是一种混合电路仿真工具，Proteus不仅能仿真单片机CPU的工作情况，而且能仿真单片机电路或没有单片机参与的其他电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，解决了实验和工程应用脱节的矛盾，有利于学生实践能力的培养。
2009年笔者立足我院实际教学需要，主持成立了《基于Proteus仿真单片机实验实践课程教学改革》课题研究小组，研究课题获得了学院的大力支持与省级教改立项。我们主要从以下几个方面的内容展开了研究：
（1）以Proteus虚拟仿真软件为核心构建单片机虚拟仿真实验室。
（2）结合仿真软件构建新的实验教学体制和方法。
（3）在传统硬件实验箱教学中引入电子仿真教学实现跨越性、自由性、创新性实验实践教学。
2010年该课题成果在电子信息工程专业和应用电子技术专业三个班的学生中进行了改革试点，取得了良好的效果，院级教研顺利结题。
4.单片机实验教学改革上的几点应用
4.1单片机实验教学
通过上述教学研究，我们形成了单片机实验实践教材，教材分为三章：第一章为实验部分，主要是针对理论授课内容的重难点设计开发的基于Proteus仿真平台的单片机基础实验，共为10个实验，主要是对单片机内部资源编程应用的简单实验，例如P1口的使用—流水灯实验、定时器实验、外部中断实验和串口通信等基础实验，学生可以自由使用Proteus元件库提供元器件按实验内容自己画原理图，尝试改写或编写简单的应用程序，通过Proteus提供的虚拟仪表进行检测，让学生观察实验现象，了解实验内涵。这样既可以让学生掌握单片机的内部硬件资源结构，又可以锻炼学生的编程能力，还可以对常见的仪器仪表进行学习；第二章为开放性实验部分，这部分主要是设计性实验，对课内实验起着补充作用，可以由老师在课堂上提出问题与拓展思路，学生自主基于Proteus仿真平成课外实验。第三章为综合性实验部分，由老师给出10个由易到难的设计性课题，让学生自主完成设计，可以给出参考设计思路、原理图、模块程序。由学生自己根据设计要求完成整个电路的设计，并在Proteus虚拟仿真系统上进行验证，目的是培养学生的主动思维能力与单片机系统综合设计能力。
在单片机实验课堂硬件实验的基础上引入Proteus虚拟仿真教学的优点就在于：相互辅助、相互补充配合。Proteus虚拟仿真实验的优点在于可以不需要实验硬件设备投入就可以完成大量的实验，对于学生而言，计算机平台容易普及利用，而不可能每个人都拥有一台实验箱。这样，不受实验室条件的限制，学生可以很容易开展自主实验，在老师的指导下完成课外拓展性实验。
4.2实验考核方式改革
当然，新的实验教学方法还必须配套新的考核方式。传统的考核方式一般采用实验箱操作抽签实验完成，但是学生往往对线路虚焊、导线接触不良、仿真器烧坏了等问题苦恼，就算是平时都做出来的实验，因为选定的设备问题导致焦虑情绪影响了实验过程，这个情况在教学过程中经常遇到。新的考核方式主要是基于Proteus虚拟仿真平成，不存在设备器材问题，学生具有最大的自主发挥的自由度，老师给出课堂实验相近的设计性实验课题，学生设计电路图、编写或改写程序完成，以最终运行的实验效果评定实验成绩。实验报告必须有详细的电路设计过程、源程序设计和实际运行效果图片（Proteus截图）。
成绩算法为：实验报告占20分，仿真实验考核占60分，平时出勤10分，课外拓展实验10分。
4.3开放性实验
由于Proteus虚拟仿真平台没有局限性，实验内容无限，可以开设的实验课题与设计课题无限，可以扩展学生的思路和提高学生的学习兴趣。软件平台的易搭建性，也可以有效地促进学生课外学习活动的开展。在我院，以Proteus软件为核心建立的虚拟仿真实验室N501作为长期对学生开放的重点实验室，是我院电子、电气等专业学生的课外创新实验室，是具有电子兴趣爱好的学生自主学习进行课外实验的场所，主要是为了培养学生的创新能力，提供给学生一个自由开发的良好学习平台。
4.4课外电子竞赛培训活动
同时，我们也将Proteus软件平台引入到电子竞赛培训活动当中，为各年度大学生电子设计竞赛等科技活动提供一个良好的培训学习平台。
Proteus虚拟仿真实验室的建立有利于创建兴趣团队，组织竞赛培训工作。工程设计项目一般由一个开发小组协作完成，可以培养和锻炼学生的团队协作精神。而我们采用培训过程实际上就是单片机技术工程应用设计的实践实训过程：以项目为载体，以小组团队为单位，借助电子仿真平台，完成教学任务的同时培养了学生综合素质、工程意识与职业素养。既促进了学生的系统开发能力培养，又促使学生形成基本的职业规范与职业技能，使学生能更快地与市场需求接轨。
5.结语
单片机实验教学篇8
（湖南财政经济学院 信息管理系，湖南 长沙 410205）
摘 要：针对传统的《单片机原理与应用》实验教学中存在的问题，结合Protues和Keil、虚拟现实等技术，提出了基于虚拟实验室的实践教学新方法.该方法采用虚实结合的开放式实验教学，创新了实践教学模式，优化了实践教学资源.形式多样的实践教学环节，丰富了实践教学的内容，增强了《单片机原理及应用》的实验教学效果，充分发挥了学生学习的自主性，培养了学生的实践能力和创新能力.
关键词 ：Protues和Keil；单片机原理与应用；虚拟实验室；实践教学改革
中图分类号：TP393.08 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2015）01-0034-03
1 引言
《单片机原理与应用》课程是高等院校计算机、电子信息、自动化等工科专业的一门重要专业课程，同时也是一门应用和实践性很强的专业主干课程.《单片机原理与应用》课程的实践教学是理论教学的延续、拓展和深化，是理论与实践、知识与能力的融合，是培养与提高学生实践动手能力和创新能力，为今后工作奠定坚实基础的重要途径[1].基于虚拟实验室的《单片机原理与应用》课程的实践教学是一种新型的强有力的实践教学手段，它能改革传统的实践教学模式，创新实践教学的内容及方法，激发学生的创新意识，培养学生的自主创新能力，对推进素质教育和创新型人才培养具有重要的意义.
目前《单片机原理与应用》的实验教学中，单片机的硬件实验室由于受时间和场地限制等问题，学生平时实践的机会比较少.随着电子技术及单片机技术的不断发展，会出现实验设备落后、故障甚至老化等问题，设备的更新及损坏导致单片机实验室建立与维护的成本较高，导致实验设备严重不足，学生实验过程多是验证性的实验，很难开展创新型实验.实践教学环节大都是相对呆板和封闭的单一实验模式.学生的学习兴趣难以得到提高，学生自主学习的主动性和创造性难以得到发挥，更不要说培养学生的实践能力和创新能力.
2 关键技术
2.1 Proteus软件和Keil软件[2]
Proteus软件是英国Labcenter electronics公司开发的仿真软件，支持目前主流单片机系统的仿真.它实现了单片机和SPICE电路仿真相结合，不单能仿真单片机CPU的工作情形，还能仿真电路的工作情形.Proteus软件由原理图输入系统（IsIs）、动态器件库、混合模型仿真器、及PCB设计编辑（Ares）等模块组成，提供了包含有模拟和数字、交流和直流、逻辑分析仪、示波器、信号发生器等几千种虚拟仪器与元件的多个元件库，具有数字电路和模拟电路仿真、单片机及其电路组成的系统的仿真等功能.Proteus软件支持Keil等第三方软件编译和调试环境，有着强大的原理图绘制功能，能实现仿真的在线调试.
Keil是目前最流行的单片机开发软件.它是美国Keil Software公司出品的单片机C语言软件开发系统，提供了包括C编译器、连接器、宏汇编、库管理和仿真调试器等一整套完整的开发方案，提供了丰富的库函数和强大的开发调试工具，生成的目标代码效率很高.
2.2 虚拟实验室
用Protues和Keil软件建立单片机虚拟实验室[3,4]，基于Protues和Keil的《单片机原理与应用》虚拟实验室融合了计算机网络、虚拟现实和多媒体等技术，其实现原理是由一台普通计算机组成，使用者只需接入Internet并登录该系统，通过键盘、鼠标便可与虚拟实验环境进行交互，感受虚拟实验场景，完成虚拟实验.《单片机原理与应用》虚拟实验教学系统主要由实验教学模块和虚拟实验管理模块等模块组成，系统功能模块结构如图1所示.
其中虚拟实验教学模块提供较丰富的单片机原理与应用实验教学资源，支持学生实验预习、虚拟实验操作及实验报告的填写和修改，给学生提供了全方位的信息交互；虚拟实验管理模块分教师、学生和管理员三个界面，实现对虚拟实验过程、实验考核和虚拟实验室的管理.基于虚拟实验室的《单片机原理与应用》虚拟实验教学系统将虚拟现实技术、计算机网络技术和传统实验仪器结合在一起，改变了实验系统的构建模式，提升了实验仪表和实验仪器的整体性能，有效弥补了现有实验教学条件的不足，克服实验设备、实验场地和实验教学经费等的局限性，营造良好的实验教学环境，突破了实验教学的时空限制.利用单片机虚拟实验室进行实验教学，整个实验过程变得生动且直观，它既减少了传统实验中的无端损耗，又增加了实验的趣味性，提高了学生学习的兴趣，是传统实验教学方法的变革.
3 基于虚拟实验室的《单片机原理与应用》实验教学改革
针对《单片机原理与应用》课程实验教学的现状和存在的问题，利用Protues和Keil、虚拟现实技术构建虚拟实践教学系统，虚实结合实现开放式的实践教学，改善实践教学环境，改革实践教学模式，优化实践教学内容，提高实践教学水平，培养学生综合应用知识的能力、实践能力和创新能力.
3.1 借助虚拟实验教学平台实施开放式虚实结合的实践教学，创新了实践教学的模式.
开放式虚实结合的实验教学为培养学生实践能力和创新能力提供了一个契机，有助于推动实验教学的深化与改革.利用Protues和Keil、虚拟现实等技术构建的虚拟实验室，可创设真实的实验情景，为学生营造一种“自主学习”及多样化和个性化的逼真实践环境，实现形象化的实践教学.在单片机虚拟实验室，利用Proteus不单是能仿真单片机CPU的工作情形，而且还能仿真电路的工作情形和Protues提供的大量虚拟单片机及其电路的电子元器件，学生可以根据自身的实验的需要，在满足实验要求和实验目的的前提下，设计多种实验方案进行实验.在虚拟实验室里，完全可以放手让学生搭建自己设计的实验电路，根据自己设计的电路完成实验，不需要考虑实验元器件的损耗.虚拟实验室为学生创设了一个人性化的、逼真的实验环境，彻底打破时间和空间的限制.
虚拟实验室和现实实验室相结合的开放式实践教学模式，更是创新了实践教学的管理模式，是一种适合高等教育实验室建设现状的实践教学模式[5,6].学生在实验前通过网络进入虚拟实验室，利用虚拟仪器和设备进行相应的实验仿真，更好地了解实验原理及实验过程，并进一步通过虚拟设备进行实验创新，选择自己感兴趣的虚拟实验室有目的性、有针对性地进行实验.在虚拟实验结束后，学生已能准确定位自己的学习兴趣，然后通过开放式实验管理系统，申请进入现实实验室进行实验.虚拟实验室和现实实验室相结合的开放式实验管理系统既能克服传统实验教学模式带来的时空上的局限性，又能让学生根据自己的学习兴趣，自主地对实验进行选择，有利于因材施教.同时，还能充分调动学生学习的积极性和主观能动性，激励学生进行科学研究的再创造，提高学生的实践能力和创新能力.
3.2 利用虚拟实验教学平台，优化实验教学资源，丰富实践教学的内容.
应用Protues和Keil、虚拟现实技术创建设备先进和管理科学的开放式虚拟实验室，增加内容先进、受益面大及真实实验无法实验的实践教学项目，灵活方便地融合多门专业课程知识，导入研发课程等创新型实践教学模块，设置包括课程调研、专题实践及项目开发和工程设计等实践专题，集成和优化相互关联各门课程的实践教学环节，注入学科前沿知识及发展动态创新实践教学的内容.设计难度适中、内容丰富、可操作性和扩展性强并与实际工作接轨的模块化的实践教学内容，分阶段地通过虚拟实验室在多门课程的实践教学环节中展开，激发学生学习的自主性和创造性，提高学生综合应用知识的能力及实践能力.例如在学习了电路分析和电子技术的基础知识后，通过实践教学使学生掌握电子技术设计的要领，在此基础上进一步提高实践教学内容的深度，要求学生以EDA技术设计并实现较复杂的电子系统，实现电子设计自动化；结合实际应用及业界动态，融合“嵌入式系统原理与设计”，“单片机原理与应用”和“C程序设计”等多门专业课程的知识，设计开发基于单片机的电子系统等内容丰富且综合性强并适合学生实验的实践教学内容，将实践教学变成一项富有挑战性、趣味性和实用性的工作，以激发学生学习的自主性和创造性，分阶段培养学生的实践能力和创新能力.
教师通过虚拟实验室可定期“个性化及开放性实验项目指南”，鼓励和吸引学生积极参与，在开放式虚实结合实验平台上实现学生的个性化设计，有利于各相关学科知识的相互渗透和取长补短；教师将高新实验技术和最新科研成果通过虚拟实验室应用到大学实践教学当中，吸收学生积极参与教师承担的部级及省部级科研项目，促进科研与教学互动，及时把科研成果转化为优质的教学资源；提炼一批具有“实践性、发展性、可行性和创新性”特点的创新型实验，使实验内容具有灵活性与选择性、实验项目目标具有广泛性与探索性、实验过程具有科学性与严谨性、实验研究具有延续性与发展性，从而优化实验教学资源，引导学生不断接触新知识和新技术，开阔学生的视野，开发学生的智能，激发学生学习的自主性和创造性.如通过各专业实验课程、实验项目、研究项目及实验资源的开放，鼓励和吸引更多的学生开展大学生研究性学习和创新性实验计划项目等课外科技活动，引导学生进行研究性学习与创新性实验，着力培养学生的科学探究能力和创新能力.
3.3 依托开放式虚拟实验室，开展在同一实验项目下的多 层次比较实验，创新实验教学的方法和手段
依托基于Protues和Keil、虚拟现实技术的开放式虚拟实验室，创设针对同一实验项目的验证性、综合性、设计性、研究探索性和创新性等多个不同层次的实验环境和实验方法，创新实践教学的方法和手段，实现实验课程的多样化、设计化和科研化.验证性实验使学生学会基本的实践技能，培养学生兴趣和实验操作能力；综合性实验采用多门相关课程的内容相结合，实验内容具有复合性，实验方法具有多元性、实验手段具有多样性和能力培养具有综合性等特征，能培养学生理论联系实践的能力；设计性实验具有实验手段多样性等特征，是培养学生综合运用知识和独立分析问题及解决问题的能力；研究探索性实验具有实验者对学习的主动性和实验内容的探索性等特征，通常由教师给出题目，学生自行进行设计，自主完成实验，主要培养学生的科研兴趣和科学探究能力；创新型实验具有实验方法多元性等特征，它由学生自主提出实验题目，实验方案自行设计，实验过程自主完成，培养学生的创新精神和创新能力.
利用基于Protues和Keil、虚拟现实技术的开放式虚拟实验室，对同一实验项目开展在不同层次要求的比较实验教学中，充分发挥验证性实验夯实基础，综合性和设计性实验培养学生实践动手能力和综合知识运用能力等，研究探索性和创新性实验开拓学生创新思维，充分调动学生学习的主动性和创造性，加强学生实践能力和创新能力的培养.以“单片机原理与应用”课程的实验教学为例，对同一实验项目，基础实验主要以基于单片机试验箱或实验开发板的验证性实验为主，以加深学生对课程理论知识的感性认识和实践理解.综合性和设计性实验主要以基于“单片机试验箱或实验开发板+基于Proteus软件和Keil软件的虚拟实验室”的综合性和设计性实验为主，达到使学生融会贯通电子技术，单片机原理与应用、C语言程序设计等多门课程的目的，培养学生分析与解决问题的能力.研究探索性和创新性实验主要以基于“单片机试验箱或实验开发板+基于Proteus和Keil软件的虚拟实验室+集成逻辑门、集成编码器与译码器、集成数据选择器、集成计数器和A/D与D/A转换器等常用中小规模数字逻辑器件和相关的实验设备以及CPLD/FPGA可编程器件”的研究探索性和创新性实验为主，培养学生的科学探究能力和创新能力.
4 结论
利用虚拟实验室进行《单片机原理与应用》课程的实验教学，便于实现虚实结合的全开放式实践教学，能方便灵活地开展在同一实验项目下的多层次比较实验，改革了实践教学的模式，创新了实践教学的内容，在单片机实践教学中取得了良好的教学效果：
（1）虚拟实验操作快捷、实验效率高.基于虚拟实验室的虚拟实验硬件的连接与软件程序的编制和修改都比真实实验速度更快，不需要实际真正的连线和写片，提高了单片机实践教学的效率.
（2）实验内容丰富，实验教学效果好.利用虚拟实验室进行单片机实验教学，克服了在单片机实验箱中由于硬件电路固定，学生不能更改，实验内容难以更新等方面的局限性，可方便灵活地创新实践教学的内容，从而提高学生的学习兴趣.
（3）虚拟实验与工程实践接近，培养起点高.利用Proteus软件和Keil软件构建单片机虚拟实验室，并在其中进行创新型实验或创新性项目，使学生获得宝贵的理论和实践经验，为今后的就业和深造奠定坚实的基础.
（4）虚拟实验损耗少，成本低，经济优势明显.利用虚拟实验系统进行创新型实验，即便因为实验方案不成熟等原因造成实验反复，也不会造成太大的实验损耗.依托基于Protues和Keil、虚拟现实技术的开放式虚拟实验室，开展同一实验项目下的多层次比较实验，能大大减少实验损耗，降低实验成本，经济优势明显.在培养学生的创新精神、实践动手能力和团队分工协作等方面均取得了较好的效果.
——————————
参考文献：
〔1〕赵玲，唐岚.单片机原理及应用的课堂教学与实践环节教学研究[J].高等教育研究,2008，25(4):45-46.
〔2〕孙凌燕,黄允千.Proteus与Keil软件的整合在单片机实验开发中的应用[J].实验室研究与探索,2008,27(4):59-6168.
〔3〕陈炳杰,余里超.基于Proteus与Keil的虚拟实验室构建[J].茂名学院学报,2009,19(03):65-68.
〔4〕马梅娟.基CORBA与JAVA技术的虚拟实验系统的设计与开发[J].实验技术与管理,2012,31(2):65-69.
〔5〕丁美荣.虚拟实验与真实实验整合的计算机网络研究性实验教学探究[J].实验技术与管理,2011,28(5):163-166.