朱韶平

（湖南財政經(jīng)濟學(xué)院 信息管理系，湖南 長沙 410205）

1 引言

《單片機原理與應(yīng)用》課程是高等院校計算機、電子信息、自動化等工科專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，同時也是一門應(yīng)用和實踐性很強的專業(yè)主干課程.《單片機原理與應(yīng)用》課程的實踐教學(xué)是理論教學(xué)的延續(xù)、拓展和深化，是理論與實踐、知識與能力的融合，是培養(yǎng)與提高學(xué)生實踐動手能力和創(chuàng)新能力，為今后工作奠定堅實基礎(chǔ)的重要途徑[1].基于虛擬實驗室的《單片機原理與應(yīng)用》課程的實踐教學(xué)是一種新型的強有力的實踐教學(xué)手段，它能改革傳統(tǒng)的實踐教學(xué)模式，創(chuàng)新實踐教學(xué)的內(nèi)容及方法，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，對推進(jìn)素質(zhì)教育和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)具有重要的意義.

目前《單片機原理與應(yīng)用》的實驗教學(xué)中，單片機的硬件實驗室由于受時間和場地限制等問題，學(xué)生平時實踐的機會比較少.隨著電子技術(shù)及單片機技術(shù)的不斷發(fā)展，會出現(xiàn)實驗設(shè)備落后、故障甚至老化等問題，設(shè)備的更新及損壞導(dǎo)致單片機實驗室建立與維護(hù)的成本較高，導(dǎo)致實驗設(shè)備嚴(yán)重不足，學(xué)生實驗過程多是驗證性的實驗，很難開展創(chuàng)新型實驗.實踐教學(xué)環(huán)節(jié)大都是相對呆板和封閉的單一實驗?zāi)Ｊ?學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣難以得到提高，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性難以得到發(fā)揮，更不要說培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力.

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Proteus軟件和Keil軟件[2]

Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司開發(fā)的仿真軟件，支持目前主流單片機系統(tǒng)的仿真.它實現(xiàn)了單片機和SPICE電路仿真相結(jié)合，不單能仿真單片機CPU的工作情形，還能仿真外圍電路的工作情形.Proteus軟件由原理圖輸入系統(tǒng)（IsIs）、動態(tài)器件庫、混合模型仿真器、及PCB設(shè)計編輯（Ares）等模塊組成，提供了包含有模擬和數(shù)字、交流和直流、邏輯分析儀、示波器、信號發(fā)生器等幾千種虛擬儀器與元件的多個元件庫，具有數(shù)字電路和模擬電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真等功能.Proteus軟件支持Keil等第三方軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，有著強大的原理圖繪制功能，能實現(xiàn)仿真的在線調(diào)試.

Keil是目前最流行的單片機開發(fā)軟件.它是美國Keil Software公司出品的單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，提供了包括C編譯器、連接器、宏匯編、庫管理和仿真調(diào)試器等一整套完整的開發(fā)方案，提供了豐富的庫函數(shù)和強大的開發(fā)調(diào)試工具，生成的目標(biāo)代碼效率很高.

2.2 虛擬實驗室

用Protues和Keil軟件建立單片機虛擬實驗室[3,4]，基于Protues和Keil的《單片機原理與應(yīng)用》虛擬實驗室融合了計算機網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實和多媒體等技術(shù)，其實現(xiàn)原理是由一臺普通計算機組成，使用者只需接入Internet并登錄該系統(tǒng)，通過鍵盤、鼠標(biāo)便可與虛擬實驗環(huán)境進(jìn)行交互，感受虛擬實驗場景，完成虛擬實驗.《單片機原理與應(yīng)用》虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)主要由實驗教學(xué)模塊和虛擬實驗管理模塊等模塊組成，系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 單片機原理與應(yīng)用虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

其中虛擬實驗教學(xué)模塊提供較豐富的單片機原理與應(yīng)用實驗教學(xué)資源，支持學(xué)生實驗預(yù)習(xí)、虛擬實驗操作及實驗報告的填寫和修改，給學(xué)生提供了全方位的信息交互；虛擬實驗管理模塊分教師、學(xué)生和管理員三個界面，實現(xiàn)對虛擬實驗過程、實驗考核和虛擬實驗室的管理.基于虛擬實驗室的《單片機原理與應(yīng)用》虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳統(tǒng)實驗儀器結(jié)合在一起，改變了實驗系統(tǒng)的構(gòu)建模式，提升了實驗儀表和實驗儀器的整體性能，有效彌補了現(xiàn)有實驗教學(xué)條件的不足，克服實驗設(shè)備、實驗場地和實驗教學(xué)經(jīng)費等的局限性，營造良好的實驗教學(xué)環(huán)境，突破了實驗教學(xué)的時空限制.利用單片機虛擬實驗室進(jìn)行實驗教學(xué)，整個實驗過程變得生動且直觀，它既減少了傳統(tǒng)實驗中的無端損耗，又增加了實驗的趣味性，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，是傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法的變革.

3 基于虛擬實驗室的《單片機原理與應(yīng)用》實驗教學(xué)改革

針對《單片機原理與應(yīng)用》課程實驗教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的問題，利用Protues和Keil、虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建虛擬實踐教學(xué)系統(tǒng)，虛實結(jié)合實現(xiàn)開放式的實踐教學(xué)，改善實踐教學(xué)環(huán)境，改革實踐教學(xué)模式，優(yōu)化實踐教學(xué)內(nèi)容，提高實踐教學(xué)水平，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力、實踐能力和創(chuàng)新能力.

3.1 借助虛擬實驗教學(xué)平臺實施開放式虛實結(jié)合的實踐教學(xué)，創(chuàng)新了實踐教學(xué)的模式.

開放式虛實結(jié)合的實驗教學(xué)為培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力提供了一個契機，有助于推動實驗教學(xué)的深化與改革.利用Protues和Keil、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)構(gòu)建的虛擬實驗室，可創(chuàng)設(shè)真實的實驗情景，為學(xué)生營造一種“自主學(xué)習(xí)”及多樣化和個性化的逼真實踐環(huán)境，實現(xiàn)形象化的實踐教學(xué).在單片機虛擬實驗室，利用Proteus不單是能仿真單片機CPU的工作情形，而且還能仿真外圍電路的工作情形和Protues提供的大量虛擬單片機及其外圍電路的電子元器件，學(xué)生可以根據(jù)自身的實驗的需要，在滿足實驗要求和實驗?zāi)康牡那疤嵯?，設(shè)計多種實驗方案進(jìn)行實驗.在虛擬實驗室里，完全可以放手讓學(xué)生搭建自己設(shè)計的實驗電路，根據(jù)自己設(shè)計的電路完成實驗，不需要考慮實驗元器件的損耗.虛擬實驗室為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了一個人性化的、逼真的實驗環(huán)境，徹底打破時間和空間的限制.

虛擬實驗室和現(xiàn)實實驗室相結(jié)合的開放式實踐教學(xué)模式，更是創(chuàng)新了實踐教學(xué)的管理模式，是一種適合高等教育實驗室建設(shè)現(xiàn)狀的實踐教學(xué)模式[5,6].學(xué)生在實驗前通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入虛擬實驗室，利用虛擬儀器和設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的實驗仿真，更好地了解實驗原理及實驗過程，并進(jìn)一步通過虛擬設(shè)備進(jìn)行實驗創(chuàng)新，選擇自己感興趣的虛擬實驗室有目的性、有針對性地進(jìn)行實驗.在虛擬實驗結(jié)束后，學(xué)生已能準(zhǔn)確定位自己的學(xué)習(xí)興趣，然后通過開放式實驗管理系統(tǒng)，申請進(jìn)入現(xiàn)實實驗室進(jìn)行實驗.虛擬實驗室和現(xiàn)實實驗室相結(jié)合的開放式實驗管理系統(tǒng)既能克服傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式帶來的時空上的局限性，又能讓學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)興趣，自主地對實驗進(jìn)行選擇，有利于因材施教.同時，還能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主觀能動性，激勵學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究的再創(chuàng)造，提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力.

3.2 利用虛擬實驗教學(xué)平臺，優(yōu)化實驗教學(xué)資源，豐富實踐教學(xué)的內(nèi)容.

應(yīng)用Protues和Keil、虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建設(shè)備先進(jìn)和管理科學(xué)的開放式虛擬實驗室，增加內(nèi)容先進(jìn)、受益面大及真實實驗無法實驗的實踐教學(xué)項目，靈活方便地融合多門專業(yè)課程知識，導(dǎo)入研發(fā)課程等創(chuàng)新型實踐教學(xué)模塊，設(shè)置包括課程調(diào)研、專題實踐及項目開發(fā)和工程設(shè)計等實踐專題，集成和優(yōu)化相互關(guān)聯(lián)各門課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，注入學(xué)科前沿知識及發(fā)展動態(tài)創(chuàng)新實踐教學(xué)的內(nèi)容.設(shè)計難度適中、內(nèi)容豐富、可操作性和擴展性強并與實際工作接軌的模塊化的實踐教學(xué)內(nèi)容，分階段地通過虛擬實驗室在多門課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中展開，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力及實踐能力.例如在學(xué)習(xí)了電路分析和電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識后，通過實踐教學(xué)使學(xué)生掌握電子技術(shù)設(shè)計的要領(lǐng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高實踐教學(xué)內(nèi)容的深度，要求學(xué)生以EDA技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)較復(fù)雜的電子系統(tǒng)，實現(xiàn)電子設(shè)計自動化；結(jié)合實際應(yīng)用及業(yè)界動態(tài)，融合“嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計”，“單片機原理與應(yīng)用”和“C程序設(shè)計”等多門專業(yè)課程的知識，設(shè)計開發(fā)基于單片機的電子系統(tǒng)等內(nèi)容豐富且綜合性強并適合學(xué)生實驗的實踐教學(xué)內(nèi)容，將實踐教學(xué)變成一項富有挑戰(zhàn)性、趣味性和實用性的工作，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)造性，分階段培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力.

教師通過虛擬實驗室可定期發(fā)布“個性化及開放性實驗項目指南”，鼓勵和吸引學(xué)生積極參與，在開放式虛實結(jié)合實驗平臺上實現(xiàn)學(xué)生的個性化設(shè)計，有利于各相關(guān)學(xué)科知識的相互滲透和取長補短；教師將高新實驗技術(shù)和最新科研成果通過虛擬實驗室應(yīng)用到大學(xué)實踐教學(xué)當(dāng)中，吸收學(xué)生積極參與教師承擔(dān)的國家級及省部級科研項目，促進(jìn)科研與教學(xué)互動，及時把科研成果轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源；提煉一批具有“實踐性、發(fā)展性、可行性和創(chuàng)新性”特點的創(chuàng)新型實驗，使實驗內(nèi)容具有靈活性與選擇性、實驗項目目標(biāo)具有廣泛性與探索性、實驗過程具有科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性、實驗研究具有延續(xù)性與發(fā)展性，從而優(yōu)化實驗教學(xué)資源，引導(dǎo)學(xué)生不斷接觸新知識和新技術(shù)，開闊學(xué)生的視野，開發(fā)學(xué)生的智能，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)造性.如通過各專業(yè)實驗課程、實驗項目、研究項目及實驗資源的開放，鼓勵和吸引更多的學(xué)生開展大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃項目等課外科技活動，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實驗，著力培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新能力.

3.3 依托開放式虛擬實驗室，開展在同一實驗項目下的多層次比較實驗，創(chuàng)新實驗教學(xué)的方法和手段

依托基于Protues和Keil、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的開放式虛擬實驗室，創(chuàng)設(shè)針對同一實驗項目的驗證性、綜合性、設(shè)計性、研究探索性和創(chuàng)新性等多個不同層次的實驗環(huán)境和實驗方法，創(chuàng)新實踐教學(xué)的方法和手段，實現(xiàn)實驗課程的多樣化、設(shè)計化和科研化.驗證性實驗使學(xué)生學(xué)會基本的實踐技能，培養(yǎng)學(xué)生興趣和實驗操作能力；綜合性實驗采用多門相關(guān)課程的內(nèi)容相結(jié)合，實驗內(nèi)容具有復(fù)合性，實驗方法具有多元性、實驗手段具有多樣性和能力培養(yǎng)具有綜合性等特征，能培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實踐的能力；設(shè)計性實驗具有實驗手段多樣性等特征，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識和獨立分析問題及解決問題的能力；研究探索性實驗具有實驗者對學(xué)習(xí)的主動性和實驗內(nèi)容的探索性等特征，通常由教師給出題目，學(xué)生自行進(jìn)行設(shè)計，自主完成實驗，主要培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和科學(xué)探究能力；創(chuàng)新型實驗具有實驗方法多元性等特征，它由學(xué)生自主提出實驗題目，實驗方案自行設(shè)計，實驗過程自主完成，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力.

利用基于Protues和Keil、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的開放式虛擬實驗室，對同一實驗項目開展在不同層次要求的比較實驗教學(xué)中，充分發(fā)揮驗證性實驗夯實基礎(chǔ)，綜合性和設(shè)計性實驗培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力和綜合知識運用能力等，研究探索性和創(chuàng)新性實驗開拓學(xué)生創(chuàng)新思維，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性，加強學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng).以“單片機原理與應(yīng)用”課程的實驗教學(xué)為例，對同一實驗項目，基礎(chǔ)實驗主要以基于單片機試驗箱或?qū)嶒為_發(fā)板的驗證性實驗為主，以加深學(xué)生對課程理論知識的感性認(rèn)識和實踐理解.綜合性和設(shè)計性實驗主要以基于“單片機試驗箱或?qū)嶒為_發(fā)板+基于Proteus軟件和Keil軟件的虛擬實驗室”的綜合性和設(shè)計性實驗為主，達(dá)到使學(xué)生融會貫通電子技術(shù)，單片機原理與應(yīng)用、C語言程序設(shè)計等多門課程的目的，培養(yǎng)學(xué)生分析與解決問題的能力.研究探索性和創(chuàng)新性實驗主要以基于“單片機試驗箱或?qū)嶒為_發(fā)板+基于Proteus和Keil軟件的虛擬實驗室+集成邏輯門、集成編碼器與譯碼器、集成數(shù)據(jù)選擇器、集成計數(shù)器和A/D與D/A轉(zhuǎn)換器等常用中小規(guī)模數(shù)字邏輯器件和相關(guān)的實驗設(shè)備以及CPLD/FPGA可編程器件”的研究探索性和創(chuàng)新性實驗為主，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新能力.

4 結(jié)論

利用虛擬實驗室進(jìn)行《單片機原理與應(yīng)用》課程的實驗教學(xué)，便于實現(xiàn)虛實結(jié)合的全開放式實踐教學(xué)，能方便靈活地開展在同一實驗項目下的多層次比較實驗，改革了實踐教學(xué)的模式，創(chuàng)新了實踐教學(xué)的內(nèi)容，在單片機實踐教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果：

（1）虛擬實驗操作快捷、實驗效率高.基于虛擬實驗室的虛擬實驗硬件的連接與軟件程序的編制和修改都比真實實驗速度更快，不需要實際真正的連線和寫片，提高了單片機實踐教學(xué)的效率.

（2）實驗內(nèi)容豐富，實驗教學(xué)效果好.利用虛擬實驗室進(jìn)行單片機實驗教學(xué)，克服了在單片機實驗箱中由于硬件電路固定，學(xué)生不能更改，實驗內(nèi)容難以更新等方面的局限性，可方便靈活地創(chuàng)新實踐教學(xué)的內(nèi)容，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

（3）虛擬實驗與工程實踐接近，培養(yǎng)起點高.利用Proteus軟件和Keil軟件構(gòu)建單片機虛擬實驗室，并在其中進(jìn)行創(chuàng)新型實驗或創(chuàng)新性項目，使學(xué)生獲得寶貴的理論和實踐經(jīng)驗，為今后的就業(yè)和深造奠定堅實的基礎(chǔ).

（4）虛擬實驗損耗少，成本低，經(jīng)濟優(yōu)勢明顯.利用虛擬實驗系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新型實驗，即便因為實驗方案不成熟等原因造成實驗反復(fù)，也不會造成太大的實驗損耗.依托基于Protues和Keil、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的開放式虛擬實驗室，開展同一實驗項目下的多層次比較實驗，能大大減少實驗損耗，降低實驗成本，經(jīng)濟優(yōu)勢明顯.在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實踐動手能力和團隊分工協(xié)作等方面均取得了較好的效果.

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