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      基于虛擬仿真軟件的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法研究

      2016-04-14 07:33:09周春艷潘俊濤北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院寧夏銀川750021
      計(jì)算機(jī)教育 2016年4期
      關(guān)鍵詞:模塊設(shè)計(jì)仿真軟件項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)

      張 白,周春艷,潘俊濤(北方民族大學(xué),電氣信息工程學(xué)院,寧夏 銀川,750021)

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      基于虛擬仿真軟件的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法研究

      張 白,周春艷,潘俊濤
      (北方民族大學(xué),電氣信息工程學(xué)院,寧夏 銀川,750021)

      摘 要:分析學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)能力,結(jié)合本校應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案,提出基于虛擬仿真平臺(tái)的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法,闡述該方法在智能儀器課程中的應(yīng)用。

      關(guān)鍵詞:項(xiàng)目驅(qū)動(dòng);仿真軟件;模塊設(shè)計(jì)

      0 引 言

      教學(xué)改革是教學(xué)活動(dòng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),是培養(yǎng)高質(zhì)量學(xué)生的重要保證[1]。對(duì)于綜合性與應(yīng)用性強(qiáng)的工程性質(zhì)課程,例如嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程、智能儀器設(shè)計(jì)、DSP原理及應(yīng)用、單片機(jī)原理及應(yīng)用等課程,如何突破傳統(tǒng)的教學(xué)模式,使學(xué)生在興趣和探索中掌握理論知識(shí),提升實(shí)踐技能,是相關(guān)任課教師不斷探索的課題之一。智能儀器設(shè)計(jì)課程是測控技術(shù)與儀器、電子信息工程等專業(yè)的重要專業(yè)課程,具有較強(qiáng)的綜合性與實(shí)踐性,課程內(nèi)容涉及傳感器技術(shù)、微機(jī)原理與接口技術(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)、模擬電路與數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)等諸多課程,是典型的工程性質(zhì)課程[2-3]。當(dāng)前傳統(tǒng)的教學(xué)方法中,采用課堂理論教學(xué)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,存在硬件電路分析較為抽象,缺少軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)不能貼切地和理論相結(jié)合等問題,造成在實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中,智能儀器課程普遍成為專業(yè)課中學(xué)生最難學(xué)懂、更難達(dá)到學(xué)以致用效果的一門課程。因此如何通過教學(xué)方式的改進(jìn),促進(jìn)學(xué)生掌握智能儀器設(shè)計(jì)相關(guān)理論知識(shí),提高實(shí)際應(yīng)用開發(fā)的能力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維,成為任課教師的研究重點(diǎn)。

      1 教學(xué)研究現(xiàn)狀

      隨著德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略與中國制造2025戰(zhàn)略規(guī)劃的實(shí)施,智能儀器的重要性不斷凸顯。工業(yè)產(chǎn)品逐漸從自動(dòng)化向智能化方向發(fā)展,對(duì)智能儀器設(shè)計(jì)開發(fā)人才的需求不斷增加,為適應(yīng)社會(huì)需求,各大高校加大了對(duì)智能儀器課程的建設(shè),力求打造精品課程,建立優(yōu)秀教師團(tuán)隊(duì),培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的優(yōu)秀畢業(yè)生。由于各種因素影響,教師講授的知識(shí)偏舊,社會(huì)需求的智能儀器更新?lián)Q代快,學(xué)生學(xué)習(xí)愿望強(qiáng)烈但基礎(chǔ)薄弱,教與學(xué)仍以傳統(tǒng)教學(xué)模式為主。

      2 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法

      項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)化教學(xué)就是以項(xiàng)目為載體,將課程講授的主要內(nèi)容穿插其中,注重課程理論體系的完整性,達(dá)到理論實(shí)踐一體化、傳授知識(shí)與培養(yǎng)能力一體化、“教、學(xué)、做”一體化的培養(yǎng)工程人才的教學(xué)方法,這種教學(xué)模式比較適合那些實(shí)踐性較強(qiáng)的課程[4-7]。為提高智能儀器課程的教學(xué)效果,提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與能力,我們提出了綜合性項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法,撰寫層次分明、結(jié)構(gòu)合理的項(xiàng)目開發(fā)任務(wù)書,采用模塊化設(shè)計(jì),將完整項(xiàng)目分解為若干獨(dú)立的子項(xiàng)目,在教學(xué)過程中,逐一完成子項(xiàng)目的講授,最終實(shí)現(xiàn)完整項(xiàng)目的全過程。

      (1)項(xiàng)目的選擇與任務(wù)書的設(shè)計(jì)。大型實(shí)際工程項(xiàng)目的開發(fā)首先從項(xiàng)目開發(fā)任務(wù)書的撰寫開始,工科專業(yè)的大學(xué)生在系統(tǒng)理論學(xué)習(xí)的過程中需要不斷培養(yǎng)工程實(shí)踐開發(fā)能力,首先要具備的一個(gè)能力就是項(xiàng)目開發(fā)任務(wù)書的撰寫與閱讀。當(dāng)前教師在采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)時(shí)很少涉及項(xiàng)目開發(fā)任務(wù)書的撰寫與閱讀[9]。由于綜合性項(xiàng)目涉及內(nèi)容覆蓋智能儀器重要內(nèi)容,沒有詳細(xì)的項(xiàng)目開發(fā)任務(wù)書,很難將各章節(jié)涉及內(nèi)容連貫起來。因此,根據(jù)智能儀器的課程內(nèi)容以及學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣設(shè)計(jì)項(xiàng)目,編制項(xiàng)目開發(fā)任務(wù)書,指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。

      (2)綜合性項(xiàng)目設(shè)計(jì)與模塊化開發(fā)。常規(guī)的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)是以教學(xué)任務(wù)或?qū)嶒?yàn)內(nèi)容為目標(biāo),設(shè)計(jì)相應(yīng)的若干有應(yīng)用價(jià)值的項(xiàng)目,以理論結(jié)合實(shí)踐,實(shí)踐驗(yàn)證理論的教學(xué)方式[8]。當(dāng)前項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法的應(yīng)用過程中,通常以教學(xué)項(xiàng)目的方式對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合,設(shè)計(jì)的項(xiàng)目針對(duì)性強(qiáng)而綜合性差,項(xiàng)目之間的關(guān)聯(lián)性差,未涉及模塊化設(shè)計(jì)的原則。筆者針對(duì)目前項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法存在的問題,提出了綜合性教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、模塊化開發(fā)的思路。從項(xiàng)目任務(wù)書的編寫與分析開始,分階段采用模塊化開發(fā)的原則,構(gòu)建具有復(fù)用性的功能模塊,以完整工程項(xiàng)目開發(fā)的過程鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力,實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)以致用的目標(biāo)。

      (3)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是鞏固理論教學(xué)的手段,是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的關(guān)鍵。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,可以首先演示項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)后的效果,吸引學(xué)生的注意力;再以實(shí)驗(yàn)結(jié)果反向闡述實(shí)現(xiàn)原理及過程。在講授過程中,教師強(qiáng)調(diào)模塊化設(shè)計(jì)的重要性與實(shí)現(xiàn)方法,預(yù)留出可以恰當(dāng)體現(xiàn)創(chuàng)新的接口,實(shí)現(xiàn)有交互、有創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)過程,僅提供最小粒度的模塊,以便學(xué)生進(jìn)行模塊整合與整體程序規(guī)劃,進(jìn)而改變現(xiàn)有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀,將學(xué)生的能動(dòng)性與創(chuàng)造性充分展現(xiàn)出來[7]。

      3 硬件仿真軟件Proteus在智能儀器課程中的應(yīng)用

      仿真教學(xué)是利用實(shí)物或電腦創(chuàng)設(shè)各種虛擬環(huán)境來模擬真實(shí)環(huán)境,并根據(jù)真實(shí)環(huán)境中實(shí)際操作情況,在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行操作、驗(yàn)證、設(shè)計(jì)、運(yùn)行等的教學(xué)方式[8]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,虛擬仿真軟件逐漸發(fā)展壯大,以Proteus、Multisim等為代表的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工業(yè)、軍事、教育、航空航天等眾多領(lǐng)域之中。山西大學(xué)工程學(xué)院院長李忱教授將“仿真”教學(xué)的特點(diǎn)與好處概括為3個(gè)方面:一是沉浸感,學(xué)生沉浸在虛擬的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)踐中;二是多媒體的感知性,學(xué)生通過感知視、聽、觸等多種信息,思維在虛擬的設(shè)備儀器間展開;三是交互性,學(xué)生通過計(jì)算機(jī)直接控制、操作、運(yùn)行虛擬設(shè)備,使技能在對(duì)話、交流中得以提高[10]。

      智能儀器內(nèi)容繁雜,涉及大量軟硬件綜合設(shè)計(jì),脫離軟硬件平臺(tái)進(jìn)行單純的理論教學(xué),已經(jīng)很難將智能儀器設(shè)計(jì)原理及開發(fā)過程講授清楚,同時(shí)現(xiàn)階段該課程沒有很好的實(shí)驗(yàn)配套儀器。當(dāng)前我校使用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué),這在客觀上需要開發(fā)與智能儀器相配套的實(shí)驗(yàn)儀器,而采用虛擬仿真軟件Proteus開發(fā)開放性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)靈活、模塊化構(gòu)建以及便于學(xué)生進(jìn)行二次開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)就成為首選。

      3.1硬件電路設(shè)計(jì)

      硬件電路是實(shí)現(xiàn)儀器智能化的基礎(chǔ),脫離硬件講智能儀器開發(fā)是紙上談兵。為此,首先針對(duì)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì)綜合性項(xiàng)目,規(guī)劃相應(yīng)的硬件電路。硬件電路采用模塊化的設(shè)計(jì),對(duì)于典型電路設(shè)計(jì)若干套模塊電路,學(xué)生可以對(duì)各模塊電路進(jìn)行獨(dú)立仿真測試與分析,提高學(xué)生的分析能力與綜合能力。為實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的,將每一個(gè)綜合性項(xiàng)目的硬件電路分為晶振模塊、電源模塊、存儲(chǔ)模塊、鍵盤模塊、傳感器模塊、A/D模塊、D/ A模塊、濾波模塊、LED顯示模塊、LCD顯示模塊、通信模塊以及特殊功能模塊。為達(dá)到鍛煉學(xué)生的目的,每一個(gè)獨(dú)立模塊設(shè)計(jì)若干方案,以硬件電路中最基礎(chǔ)的電源電路為例,分別設(shè)計(jì)以7805芯片為基礎(chǔ)的電源模塊,以LM317為基礎(chǔ)的電源模塊,以1117系列芯片為基礎(chǔ)的電源模塊。讓學(xué)生了解常用的基礎(chǔ)電源模塊。模塊之間的接口統(tǒng)一定義,最終構(gòu)建搭積木式電路設(shè)計(jì)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中,可以根據(jù)定義的統(tǒng)一接口自己構(gòu)建電路模塊,師生互動(dòng),不斷豐富電路模塊數(shù)據(jù)庫,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與參與程度。

      3.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是智能儀器的靈魂,是實(shí)現(xiàn)儀器智能化的關(guān)鍵。針對(duì)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì)的綜合性項(xiàng)目規(guī)劃的硬件電路設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng),特別是不同的嵌入式芯片具有不同的開發(fā)方法。嵌入式智能儀器的軟件開發(fā)是以硬件電路為依托,不同的芯片具有不同的體系結(jié)構(gòu)與指令模式,不同的硬件連接具有不同的硬件地址。軟件系統(tǒng)同樣采用模塊化的設(shè)計(jì),對(duì)于典型功能設(shè)計(jì)若干套獨(dú)立軟件模塊。學(xué)生可以對(duì)各軟件模塊進(jìn)行獨(dú)立仿真調(diào)試與分析,提高學(xué)生的分析能力與綜合能力。為實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的,將每一個(gè)綜合性項(xiàng)目的軟件系統(tǒng)分為CPU初始化模塊、時(shí)鐘配置模塊、鍵盤訪問模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、LED顯示模塊、LCD顯示模塊、通信模塊以及特殊功能模塊。為達(dá)到鍛煉學(xué)生的目的,每一個(gè)獨(dú)立模塊同樣設(shè)計(jì)若干方案,以軟件系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的LCD顯示為例,分別設(shè)計(jì)以ST7902驅(qū)動(dòng)芯片為基礎(chǔ)的液晶顯示模塊,以1602驅(qū)動(dòng)芯片為基礎(chǔ)的液晶顯示模塊,各液晶顯示模塊可再分別實(shí)現(xiàn)串行顯示與并行顯示兩種方式。軟件調(diào)用的參數(shù)統(tǒng)一定義,最終構(gòu)建搭積木式軟件系統(tǒng)開發(fā)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可以根據(jù)軟件調(diào)用的統(tǒng)一參數(shù)獨(dú)立構(gòu)建軟件模塊,師生互動(dòng),不斷豐富軟件模塊數(shù)據(jù)庫,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與參與程度。

      3.3教學(xué)應(yīng)用

      當(dāng)前利用仿真軟件進(jìn)行教學(xué)還處于探索階段,針對(duì)不同的課程,任課教師提出了不同的應(yīng)用方法。我們針對(duì)智能儀器課程的特點(diǎn)以及項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法的要求,設(shè)計(jì)基于Proteus的智能儀器教學(xué)方法。

      3.3.1基于仿真技術(shù)的理論教學(xué)

      智能儀器理論教學(xué)的目的是讓學(xué)生系統(tǒng)性掌握智能儀器硬件電路原理與軟件設(shè)計(jì)思路,奠定智能儀器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。由于智能儀器課程特點(diǎn),傳統(tǒng)教學(xué)方式很難使學(xué)生系統(tǒng)性掌握該門課程。學(xué)習(xí)知識(shí)最好的途徑是“親身經(jīng)歷”,讓學(xué)生到“真實(shí)環(huán)境”中去感受、體驗(yàn)其過程與結(jié)果,通過理論分析與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)獲取的知識(shí)是最牢固的。因此,在綜合性項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)的大背景下,采用理論教學(xué)結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)的授課方式,在課堂教學(xué)中通過Proteus仿真軟件引入“真實(shí)儀器”,把設(shè)計(jì)的“儀器”帶入課堂,學(xué)生通過看到實(shí)際的硬件電路與軟件代碼,在教師的引導(dǎo)和啟發(fā)下,分析儀器運(yùn)行結(jié)果,從而完成書本理論到實(shí)踐應(yīng)用[8]。教師以Proteus仿真軟件進(jìn)行講解時(shí),針對(duì)關(guān)鍵理論設(shè)置問題,以問題引導(dǎo)學(xué)生思維,教師不是直接回答學(xué)生的問題,而是向?qū)W生提供解決思路,對(duì)于共性問題可以結(jié)合Proteus仿真軟件,以師生動(dòng)態(tài)交互的方式進(jìn)行課堂講授。通過仿真教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)力,提升了學(xué)生的分析和解決問題的能力。

      3.3.2基于仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

      智能儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是讓學(xué)生加深對(duì)智能儀器硬件電路原理與軟件設(shè)計(jì)思路的理解,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中完成學(xué)習(xí),通過自主探索、合作學(xué)習(xí),進(jìn)行自我知識(shí)體系與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的重構(gòu)?;诰C合性項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)的仿真實(shí)驗(yàn)采用模塊化設(shè)計(jì),學(xué)生根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)的要求選擇合適的功能模塊,根據(jù)自己的需要進(jìn)行合適的剪裁;對(duì)于開放式模塊,可以根據(jù)模塊接口定義實(shí)現(xiàn)具有自主風(fēng)格的模塊。在教學(xué)方式上可以結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方式,實(shí)驗(yàn)前,教師將相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K拷貝給學(xué)生,學(xué)生在個(gè)人電腦或?qū)W校網(wǎng)絡(luò)機(jī)房,使用仿真軟件將各功能模塊進(jìn)行測試,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)課堂師生共同對(duì)存在問題的模塊進(jìn)行講解與調(diào)試,教師輔助學(xué)生完成具有與眾不同功能的儀器設(shè)計(jì)。通過仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),實(shí)驗(yàn)課將不再依賴于硬件試驗(yàn)箱,不再依賴實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書,充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)作熱情,提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

      3.3.3基于仿真技術(shù)的開放教學(xué)

      教學(xué)的目的是學(xué)以致用。對(duì)于當(dāng)前很多課程,學(xué)生在課程考試結(jié)束后就逐漸遺忘了。對(duì)于工科學(xué)生而言,設(shè)計(jì)硬件電路或小型嵌入式系統(tǒng)是經(jīng)常遇到的情況。互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下,各種有用資源充斥網(wǎng)絡(luò),學(xué)生如果具備模塊化構(gòu)建系統(tǒng)的能力,無疑將達(dá)到事半功倍的效果。基于綜合性項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),采用的是模塊化設(shè)計(jì),系統(tǒng)性地將小型智能儀器涉及的軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行模塊化組合,學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)際需求選擇合適的功能模塊,并對(duì)基本功能模塊進(jìn)行合適的二次開發(fā);對(duì)于部分特殊功能模塊,可參照網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行設(shè)計(jì),最終快速搭建自己的儀器與系統(tǒng)。

      4 結(jié) 語

      對(duì)于綜合性與應(yīng)用性強(qiáng)的工程性質(zhì)課程,如何突破傳統(tǒng)的教學(xué)模式,使得學(xué)生在有興趣地探索中掌握理論知識(shí),提升實(shí)踐技能,是相關(guān)任課教師不斷探索的課題之一。希望我們提出的教學(xué)方法,能夠?qū)τ趹?yīng)用性強(qiáng)的工程性質(zhì)課程的教學(xué)改革提供參考。

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      (編輯:郭田珍)

      第一作者簡介:張白,男,講師,研究方向?yàn)楝F(xiàn)代精密測控技術(shù)與儀器,zhangbai6402@163.com。

      中圖分類號(hào):G642

      文章編號(hào):1672-5913(2016)04-0129-04

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