基于硬件原型的C語言課程教學(xué)案例設(shè)計(jì)

張婧婧

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

0 引 言

C 語言是一門通用、面向過程的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言。Proteus軟件是一款蘊(yùn)含巨大的教學(xué)資源，用于模擬各類電路、微控系統(tǒng)、單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的EDA仿真平臺。在Proteus軟件中演繹C語言教學(xué)專題無疑是程序設(shè)計(jì)類課程的一種全新嘗試。架構(gòu)于硬件仿真平臺之上的語言類課程教學(xué)，旨在為學(xué)習(xí)者還原課程的真實(shí)應(yīng)用情景，為教學(xué)者瞄準(zhǔn)學(xué)以致用的教學(xué)目標(biāo)[1]。

1 Proteus軟件適于C語言案例教學(xué)

首先，作為教學(xué)助手，Proteus軟件的教學(xué)應(yīng)用前景廣闊，支持C語言和匯編語言的編程[2]。就微程序控制技術(shù)而言，基于C語言的程序設(shè)計(jì)更受青睞，因此用于情景式教學(xué)的原型案例資源豐富，易于為C語言教學(xué)設(shè)計(jì)者提供各類專題及教學(xué)素材。

其次，應(yīng)用Proteus仿真平臺開展C語言程序設(shè)計(jì)致力于豐富初學(xué)者的編程體驗(yàn)。例如，電路的仿真過程通常融入功能模塊設(shè)計(jì)，嚴(yán)密的邏輯推理能夠強(qiáng)化初學(xué)者對C語言各類程序結(jié)構(gòu)（分支、循環(huán)、遞歸等）的理解和運(yùn)用；定義仿真電路的輸入、輸出部分，如按鍵、指示燈的設(shè)置，數(shù)碼管、傳感器的應(yīng)用等能夠大幅提升初學(xué)者對各類變量、數(shù)組、指針、作用域規(guī)則等概念的認(rèn)識和把握；仿真電路追求硬件功能的完整性，往往包含輸入、存儲、控制、顯示等模塊，在此基礎(chǔ)上的編程能夠加深初學(xué)者對C程序完整性設(shè)計(jì)的理解；在仿真電路的運(yùn)行過程中，豐富的虛擬資源和形象的仿真效果能夠讓編程、調(diào)試過程更加直觀、生動，且Proteus仿真軟件簡單易學(xué)、容易上手，適于初學(xué)者的實(shí)踐和體驗(yàn)。

最后，仿真模型能夠?yàn)榻虒W(xué)設(shè)計(jì)者提供生動的教學(xué)場景，優(yōu)化教學(xué)資源。以簡易交通燈的C語言設(shè)計(jì)為例，在授課過程中，教學(xué)者可以借助仿真電路展現(xiàn)動態(tài)的程序設(shè)計(jì)過程（即紅、黃、綠燈的閃爍），如圖1所示。其中，憑借程序的隱蔽性和仿真的靈活性，教學(xué)互動過程將更具吸引力和趣味性，另外仿真平臺還支持C程序運(yùn)行過程的反復(fù)推理和演繹，使學(xué)習(xí)者自覺融入其情景設(shè)計(jì)中。

此外，鑒于微控制器的程序存儲及運(yùn)算能力有限，系統(tǒng)的硬件仿真將有助于促進(jìn)設(shè)計(jì)者對C程序算法[3]在時(shí)間和空間上優(yōu)劣與否進(jìn)行思考，進(jìn)而對程序算法提出更精細(xì)的要求，這對提高C語言程序設(shè)計(jì)質(zhì)量具有重要意義。

更值得一提的是，C語言作為微控系統(tǒng)、單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選編程語言，在相應(yīng)課程開課過程中沒有分配獨(dú)立課時(shí)，通常以自學(xué)為主。對電子類及相關(guān)專業(yè)的初學(xué)者而言，在C語言課程入門階段就接觸硬件仿真，對其將來的專業(yè)學(xué)習(xí)意義非凡。

圖1 交通燈系統(tǒng)的仿真電路

2 仿真設(shè)計(jì)的實(shí)例解析

基于Proteus的仿真平臺進(jìn)行C語言課程的教學(xué)嘗試，其教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)在于如何忽略硬件對程序設(shè)計(jì)的“干擾”，為硬件“零”基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)者提供“無障礙”的虛擬平臺，進(jìn)而在系統(tǒng)仿真中體會C語言編程的內(nèi)涵和魅力。以單片機(jī)的仿真模型為例，筆者將C語言案例教學(xué)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容解析如下，供相關(guān)教學(xué)設(shè)計(jì)者參考。

2.1 精選教學(xué)案例

基于硬件設(shè)計(jì)平臺，C語言教學(xué)應(yīng)甄選硬件簡潔、情景直觀的系統(tǒng)作為原型案例。多模式的花樣流水燈的電路設(shè)計(jì)簡單，無需對硬件進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，如圖2所示。多路按鍵、多路LED燈、一位數(shù)碼管電路將分別指向分支語句、循環(huán)語句及數(shù)組的運(yùn)用，同時(shí)LED燈、數(shù)碼管的顯示過程還伴隨著延時(shí)子程序的反復(fù)調(diào)用，屬于復(fù)合結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)的原型案例，符合C語言教學(xué)用例的綜合評判。

2.2 推演程序結(jié)構(gòu)

C語言遵循結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的規(guī)則[4]，利用仿真平臺進(jìn)行的C程序結(jié)構(gòu)分析無疑彰顯了仿真教學(xué)模式的天然優(yōu)勢。對初學(xué)者而言，較之其他開發(fā)工具，基于仿真模型的設(shè)計(jì)更容易分化程序結(jié)構(gòu)和構(gòu)思編程策略，如圖3所示。

圖3中，（a）和（b）兩幅仿真圖分別模擬按鍵發(fā)音和一位計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)。在按鍵發(fā)音電路中，判斷按鍵是否按下，否則將執(zhí)行相應(yīng)的代碼是C語言中典型的多分支語句，可采用if…else結(jié)構(gòu)或switch…case結(jié)構(gòu)完成；在一位計(jì)數(shù)器的電路中，數(shù)碼管將會在0～9 之間循環(huán)顯示，且譯碼過程通常采用數(shù)組查詢方式，因此編程時(shí)需要定義數(shù)組且構(gòu)造循環(huán)結(jié)構(gòu)，亦屬于C程序設(shè)計(jì)的典型應(yīng)用。

2.3 梳理指令系統(tǒng)

基于仿真平臺中的C程序設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)C語言設(shè)計(jì)運(yùn)行著不同的指令集[5]，如果仿真案例僅以專題形式講授，教學(xué)設(shè)計(jì)者就必須為初學(xué)者厘清二者的區(qū)別和一致性。以單片機(jī)仿真設(shè)計(jì)為例，其C51的編程與標(biāo)準(zhǔn)C的編程在語法規(guī)定、程序結(jié)構(gòu)、編程技巧方面高度一致，但在數(shù)據(jù)類型、變量存儲模式、輸入輸出處理、函數(shù)等方面有一定的區(qū)別。例如，標(biāo)準(zhǔn)C中的頭文件是stdio.h，在單片機(jī)C51中的頭文件為reg51.h或reg52.h；再如常用函數(shù)printf在標(biāo)準(zhǔn)C中用于輸出字符至屏幕，而單片機(jī)中則輸出到串口等。

對各專業(yè)的初學(xué)者而言，不同指令集下編程必定會增加學(xué)習(xí)的難度。為了避免學(xué)習(xí)者的抵觸情緒，教學(xué)中應(yīng)該為其配套相應(yīng)的指令使用指南，梳理并解析兩類指令系統(tǒng)的區(qū)別與一致性。

圖2 多模式的花樣流水燈的仿真電路

圖3 各類典型的程序結(jié)構(gòu)案例

2.4 儲備程序模板

就C語言的教學(xué)目標(biāo)而言，學(xué)習(xí)者針對程序中結(jié)構(gòu)和算法的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)重要于對某類定義、數(shù)據(jù)處理模式的掌握。本著這一原則，教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)者還需要儲備仿真案例的程序模板，旨在跳過部分硬件驅(qū)動和數(shù)據(jù)處理模式的編程，同時(shí)弱化不同指令之間的區(qū)別，為初學(xué)者呈現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)C語言近乎“無差別”的仿真設(shè)計(jì)平臺。

以水量檢測系統(tǒng)[6]為例，其程序模板如下：

2.5 整合實(shí)踐教材

基于硬件仿真平臺的C語言課程教學(xué)目前正處于課改的規(guī)劃和資源整合階段，尚無成熟的教材和豐富的教學(xué)資料，因此為教學(xué)設(shè)計(jì)相應(yīng)配套實(shí)驗(yàn)教材，是實(shí)施課程教學(xué)計(jì)劃的重要環(huán)節(jié)[7]。根據(jù)案例的選取和知識點(diǎn)的銜接，設(shè)計(jì)難度相當(dāng)、知識點(diǎn)匹配的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無疑是對教學(xué)設(shè)計(jì)者的客觀要求。值得注意的是，在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段，還需同時(shí)儲備程序模板和指令解析指南，供學(xué)習(xí)者在實(shí)踐過程中參考。

2.6 編寫仿真指南

與C語言編譯器的功能不同，Proteus仿真軟件支持Keil C編譯器編譯的.HEX文件[8]，并用于程序的加載和運(yùn)行，為此，針對Keil C編譯器的使用及Proteus仿真軟件的運(yùn)行編寫一部基本操作指南，即能幫助學(xué)習(xí)者在課程實(shí)踐中解決各類仿真操作的問題。

3 應(yīng)用仿真軟件的棘手問題

（1）課程知識點(diǎn)的銜接處理。在標(biāo)準(zhǔn)C語言的教學(xué)中，初學(xué)者很容易適應(yīng)該課程“從易到難”的教學(xué)進(jìn)度和“由淺入深”的推演原則；而在Proteus的硬件仿真平臺中，如何循序漸進(jìn)地分解程序設(shè)計(jì)的知識點(diǎn)，并進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)“不留痕跡”的銜接處理，對教學(xué)設(shè)計(jì)者提出很大的挑戰(zhàn)。

（2）軟、硬件的配套設(shè)計(jì)。為防止基于硬件仿真的C語言教學(xué)過程本末倒置，電路仿真適于選取硬件結(jié)構(gòu)簡單、程序算法復(fù)雜的案例進(jìn)行，這與程控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況相互矛盾，因此在案例設(shè)計(jì)中，為了選取仿真電路和軟件設(shè)計(jì)都難度適宜的項(xiàng)目，設(shè)計(jì)者還需在仿真資源、程序模板、操作指南、指令解析等教學(xué)資料的準(zhǔn)備中權(quán)衡內(nèi)容，匹配素材。

4 結(jié) 語

基于仿真軟件的C語言課程教學(xué)屬于“軟”件“硬”學(xué)的課程改革和嘗試，一經(jīng)實(shí)施，定會與標(biāo)準(zhǔn)C語言的教學(xué)內(nèi)容之間展開博弈，在教學(xué)目標(biāo)、授課內(nèi)容、實(shí)踐方式上都表現(xiàn)出很大的差異。該模式能否對C語言教學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響還需要各種實(shí)施數(shù)據(jù)和分析，但能夠預(yù)見此方式更貼合“應(yīng)用型”人才培養(yǎng)目標(biāo)，尤其作為通識教育的語言類課程，C語言的仿真教學(xué)將比傳統(tǒng)教學(xué)形式更具吸引力。

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