基于虛擬仿真與實(shí)踐的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

方天紅，陳知紅

(湖北工程學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，湖北 孝感 432000)

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)是繼單片機(jī)原理及應(yīng)用理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)之后，開設(shè)的一門單片機(jī)設(shè)計(jì)課程。它是電子信息類、電氣類、計(jì)算機(jī)類等專業(yè)的一門專業(yè)選修課，也是一門重要的面向工程實(shí)際應(yīng)用的實(shí)踐課程，其目標(biāo)是訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)單片機(jī)知識(shí)，開發(fā)和設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。要求掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)、開發(fā)步驟以及調(diào)試方法等，能夠?yàn)閷W(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程及畢業(yè)后從事與單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)相關(guān)工作崗位打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[1]。為了落實(shí)以學(xué)生發(fā)展為中心、產(chǎn)出為導(dǎo)向的培養(yǎng)目標(biāo)，針對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)前教學(xué)中存在的問題，本文基于虛擬仿真與實(shí)踐的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，取得了較好的效果。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題等綜合能力的重要環(huán)節(jié)，課程為32學(xué)時(shí)，全部為實(shí)踐學(xué)時(shí)，通常安排8周時(shí)間完成，在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室上課。課程總評(píng)由設(shè)計(jì)報(bào)告，實(shí)物組成，其中報(bào)告占30分，仿真及實(shí)物制作占70分，當(dāng)前課程教學(xué)中主要存在以下問題。

1)題目資源更新不及時(shí)，在近幾年的教學(xué)中，選題大多數(shù)采用的是往屆的經(jīng)典題目，未做較大改變。選題方式是教師出題和學(xué)生自擬題目，采用一人一組的模式。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于重復(fù)題目，容易出現(xiàn)雷同作品，對(duì)此解決的辦法是在已有題目上增加擴(kuò)展要求，可以參考最近的大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、藍(lán)橋杯等競賽題目，更新題目資源。另外，原本為了激發(fā)學(xué)生的積極性，采用教師出題和學(xué)生自擬題目相結(jié)合的方式，但是在實(shí)際教學(xué)中，部分同學(xué)選擇自擬題目的原因是為了選擇更加簡單的設(shè)計(jì)。因此對(duì)選擇自擬題目的同學(xué)，增加門檻，具有院內(nèi)電子設(shè)計(jì)競賽培訓(xùn)經(jīng)歷或者自己做過一些單片機(jī)小制作的同學(xué)才可以選擇自擬題目，提倡學(xué)生將自己的小制作擴(kuò)展為課程設(shè)計(jì)。在教學(xué)過程中，一人一組模式的教學(xué)效果不夠理想，為此改為3人一組協(xié)作完成題目。

2)課程組織管理不夠科學(xué)，從題目和設(shè)計(jì)要求發(fā)布，到實(shí)物驗(yàn)收和上交報(bào)告，師生之間雖然有交流，但是不夠深入。為了有效掌握學(xué)生的設(shè)計(jì)進(jìn)度、任務(wù)完成度以及增加師生之間的互動(dòng)，提高教學(xué)效果，采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，讓學(xué)生課前有任務(wù)，課中有收獲，課后有反思。

3)考核方式單一，目前總評(píng)中實(shí)驗(yàn)報(bào)告占30分，仿真及實(shí)物占70分。采取的是結(jié)果性考核，只需要設(shè)計(jì)報(bào)告和最后的驗(yàn)收，缺少學(xué)生的過程性考核，不能全面、真實(shí)反映學(xué)生學(xué)習(xí)的情況。為此，采用結(jié)果性考核和過程性考核相結(jié)合的評(píng)價(jià)方式。

2 基于翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

翻轉(zhuǎn)課堂不僅可以解決學(xué)時(shí)不夠、課堂時(shí)間難以使學(xué)生掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容、理論與實(shí)踐集中講授浪費(fèi)時(shí)間等問題，還加強(qiáng)了師生之間的互動(dòng)交流，提高教學(xué)質(zhì)量。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)分為3個(gè)階段，課前、課中和課后[2-4]。為了減低學(xué)生完成課程設(shè)計(jì)過程中的難度，讓學(xué)生掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的基本開發(fā)方法，要求學(xué)生先采用keil和proteus實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)虛擬仿真，再進(jìn)行實(shí)物制作與調(diào)試。

2.1 調(diào)試軟件keil和仿真軟件proteus在課程中的應(yīng)用

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)源代碼開發(fā)與調(diào)試軟件采用的是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)Keil μVision5，簡稱Keil C51。C51語言是繼承標(biāo)準(zhǔn)C語言而來的，與標(biāo)準(zhǔn)C語言不同的是，C51語言是一種基于單片機(jī)硬件的編程語言，對(duì)于具有一定C語言編程基礎(chǔ)的用戶，可以比較容易的進(jìn)行單片機(jī)C51程序設(shè)計(jì)。Keil μVision5是一種集成開發(fā)環(huán)境，它將項(xiàng)目管理、程序調(diào)試、源代碼編輯等操作集成在一個(gè)功能強(qiáng)大的環(huán)境中，采用windows界面，具有靈活的窗口管理系統(tǒng)，keil以項(xiàng)目文件的形式來管理所有源文件。Proteus仿真軟件是Labcenter Electronics Ltd開發(fā)的EDA軟件，風(fēng)標(biāo)公司是Labcenter在大中華地區(qū)的總代理。Proteus不僅具有其他EDA軟件的原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、硬件電路仿真等功能，還具有單片機(jī)及外圍電路仿真功能，是一種集單片機(jī)仿真和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能非常強(qiáng)大。在加載單片機(jī)程序后，可以虛擬仿真單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行，支持多種單片機(jī)、DSP系列處理器和多種編譯器[5]?；趉eil和proteus的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 開發(fā)流程

在圖1的開發(fā)流程中，在keil軟件中完成源代碼的編輯、編譯以及生成hex文件等，如果不需要硬件仿真，可直接進(jìn)行軟件模擬仿真調(diào)試。在proteus中完成硬件電路的設(shè)計(jì)后，再加載hex文件，進(jìn)行系統(tǒng)仿真。當(dāng)然也可以在對(duì)keil進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置后，實(shí)現(xiàn)keil和proteus的在線仿真調(diào)試。應(yīng)用keil和proteus進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力及仿真軟件的操作能力，在前期不需要硬件投入的條件下，學(xué)生對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)更容易接受。實(shí)踐表明，應(yīng)用系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進(jìn)行實(shí)物制作，能極大提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率，并降低成本。

2.2 設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)

在以往的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過程中學(xué)習(xí)沒有目的性，常規(guī)教學(xué)管理點(diǎn)名、簽到等都按時(shí)完成，但是對(duì)完成課程設(shè)計(jì)沒有緊迫感，存僥幸心理或想搭順風(fēng)車等現(xiàn)象。與此同時(shí)，教師對(duì)學(xué)生每周要完成的具體任務(wù)沒有細(xì)化、比較含糊，只是口頭加以催促，效果不佳。為了有效對(duì)學(xué)生課程設(shè)計(jì)過程進(jìn)行監(jiān)控，真實(shí)掌握每個(gè)小組及成員的真實(shí)情況，將課程教學(xué)內(nèi)容按照教學(xué)周次細(xì)化為8個(gè)具體任務(wù)節(jié)點(diǎn)，教師檢查每個(gè)小組完成任務(wù)點(diǎn)的情況，完成相應(yīng)的任務(wù)點(diǎn)才可以拿到相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，具體任務(wù)節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

圖2 具體任務(wù)節(jié)點(diǎn)

在課程設(shè)計(jì)正式開始前在課程QQ群發(fā)布如圖2所示的任務(wù)節(jié)點(diǎn)圖，讓學(xué)生明確課程是通過做任務(wù)獲得相應(yīng)分?jǐn)?shù)的模式，讓他們知道如何去拿到分?jǐn)?shù)。學(xué)生課前通過小組成員之間的合作完成相應(yīng)的任務(wù)，教師在課堂上檢查學(xué)生完成任務(wù)的情況，打分并做好記錄；另一方面，教師可以對(duì)檢查中發(fā)現(xiàn)的共性重點(diǎn)、難點(diǎn)問題進(jìn)行講述、答疑，與此同時(shí)，開展師生點(diǎn)評(píng)、生生點(diǎn)評(píng)等。

2.3 基于課程QQ群進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革

隨著教育部一流課程雙萬計(jì)劃的大力實(shí)施，越來越多的課程開展線上線下混合式教學(xué)的探索與實(shí)踐，并取得了良好的教學(xué)效果，翻轉(zhuǎn)課堂是線上線下混合教學(xué)的有效策略和方式[6-7]?；谡n程QQ群的線上線下混合式教學(xué)是充分利用QQ群聊和群應(yīng)用等功能，開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，主要分為3個(gè)階段“課前、課中和課后”。

1)課前階段，教師發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)、推送課程設(shè)計(jì)題目相關(guān)的背景知識(shí)、教學(xué)視頻以及其他的相關(guān)優(yōu)質(zhì)資源等。教學(xué)視頻包括開放平臺(tái)的MOOC資源以及教師自建資源，自建視頻主要是根據(jù)課程和學(xué)生特點(diǎn)，為了有效的開展教學(xué)，教師自行錄制的相關(guān)視頻。例如，由于學(xué)生知識(shí)基礎(chǔ)和認(rèn)知水平的差異，對(duì)課程設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)要求的理解上有可能存在較大偏差，為了避免造成誤解，將設(shè)計(jì)要求進(jìn)行詳細(xì)解釋，并錄制成視頻發(fā)布到課程QQ群。學(xué)生通過反復(fù)觀看、閱讀教師推送的教學(xué)視頻、相關(guān)教學(xué)資源以及自行查找的其他資料，完成資料查閱、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、實(shí)物制作與調(diào)試等學(xué)習(xí)任務(wù)。在完成任務(wù)的過程中，學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)際情況，自行選擇學(xué)習(xí)時(shí)間、方式、視頻觀看次數(shù)等，不受時(shí)間和空間的限制。

2)課中階段，教師開展日常的教學(xué)管理，根據(jù)任務(wù)節(jié)點(diǎn)檢查學(xué)生的完成情況并做好記載。對(duì)學(xué)生在設(shè)計(jì)中遇到的重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行講授、指導(dǎo)和答疑。學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)，在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行進(jìn)度、仿真、實(shí)物、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等展示。與此同時(shí)，教師組織師生之間、學(xué)生之間的互動(dòng)交流，對(duì)成果進(jìn)行點(diǎn)評(píng)等。線下實(shí)體課堂彌補(bǔ)了單純學(xué)生自主學(xué)習(xí)的不足，除了可以有效管理學(xué)生的學(xué)習(xí)、面對(duì)面解答學(xué)生的疑問，更重要的是可以加強(qiáng)師生之間的情感交流，真實(shí)的掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。

3)課后階段，教師整理過程性評(píng)價(jià)，組織學(xué)生討論、答疑等。學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行完善，完成任務(wù)節(jié)點(diǎn)等，在課程QQ學(xué)習(xí)群進(jìn)行討論、經(jīng)驗(yàn)交流，觀看、瀏覽老師推送的拓展資源。

為了具體說明翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施過程，選擇課程設(shè)計(jì)其中的一個(gè)題目“基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為例，具體設(shè)計(jì)要求為：利用超聲波測(cè)距模塊測(cè)量與障礙物的距離，并將測(cè)量結(jié)果在顯示器件上顯示；用按鍵設(shè)置安全距離，顯示器件顯示系統(tǒng)到障礙物間的距離，并有聲光提醒；當(dāng)處于安全距離時(shí)，LED燈熄滅，蜂鳴器不發(fā)聲；當(dāng)檢測(cè)距離小于設(shè)置安全距離時(shí)，LED燈閃爍，蜂鳴器發(fā)聲，距離越近，聲音越刺耳，整個(gè)過程顯示相應(yīng)的提示信息；其他發(fā)揮功能等；電子版課程設(shè)計(jì)報(bào)告，按照課程設(shè)計(jì)格式書寫，格式要規(guī)范；上交實(shí)物。以第6周任務(wù)節(jié)點(diǎn)“keil+proteus系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告”為例，采用如下方式進(jìn)行：

課前：教師在第5周課結(jié)束后，通過課程QQ群再次發(fā)布第6周任務(wù)提醒，并推送相關(guān)視頻及電子資料。學(xué)生觀看視頻及電子資料，完成第6周任務(wù)。

課中：教師檢查學(xué)生完成情況，做好記載；并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，答疑以及生生點(diǎn)評(píng)等。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室演示基于keil和proteus的系統(tǒng)仿真，回答老師的提問，匯報(bào)實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)度，提出自己的疑問，并與老師和同學(xué)進(jìn)行交流互動(dòng)。某同學(xué)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)仿真圖

Proteus在不標(biāo)注具體器件參數(shù)時(shí)，是可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)原理仿真的，但是在具體實(shí)物制作中，器件參數(shù)大小往往是不能隨意選取的，選擇不當(dāng)有可能直接損壞器件。在檢查中發(fā)現(xiàn)，有同學(xué)設(shè)計(jì)的電路圖中電容C1～C3，電阻R1～R3，晶振以及PNP晶體三極管等具體參數(shù)值都沒有進(jìn)行標(biāo)注，選擇的都是軟件默認(rèn)值；獨(dú)立按鍵的具體功能也沒有進(jìn)行標(biāo)識(shí)，出現(xiàn)多處設(shè)計(jì)不規(guī)范的情況。對(duì)學(xué)生進(jìn)行提問時(shí)，學(xué)生也不能在第一時(shí)間告知電容電阻具體參數(shù)值。出現(xiàn)此類問題主要是由于學(xué)生對(duì)細(xì)節(jié)考慮不周全，設(shè)計(jì)不規(guī)范造成的。針對(duì)這樣的問題，及時(shí)向?qū)W生解答此電路中電容、電阻的選取原則，以及可選取的具體參數(shù)值，并要求學(xué)生在設(shè)計(jì)電路過程中盡量要規(guī)范。

雖然在圖3中對(duì)系統(tǒng)原理進(jìn)行了正確仿真，但是直接按照?qǐng)D3進(jìn)行實(shí)物制作，數(shù)碼管是無法顯示測(cè)量結(jié)果的。原因是P0口作I/O口使用時(shí)為漏極開路，從圖3中也可以看出，在當(dāng)前仿真狀態(tài)下，P0口的P0.3和P0.5為灰色，灰色表示高阻態(tài)，為非高非低的邏輯電平，P0口其他口線為低電平的藍(lán)色；網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)4 s為高電平，選擇圖3中從左往右的第4個(gè)數(shù)碼管，顯示的字形為“9”。雖然能顯示數(shù)字，但實(shí)際中電路無法形成數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電流回路，非門74HC04動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)四位數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)能力也不足，其中一種可行的局部改進(jìn)電路如圖4所示。

圖4 局部改進(jìn)電路圖

在圖4中，將非門74HC04換成4個(gè)PNP三極管9012，電路中會(huì)形成驅(qū)動(dòng)電流回路。三極管9012除了實(shí)現(xiàn)非邏輯功能外，還為驅(qū)動(dòng)四位一體共陽型數(shù)碼管提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流。但是，如果直接用9012改進(jìn)后的整個(gè)系統(tǒng)電路進(jìn)行仿真，數(shù)碼管是無法正常顯示仿真結(jié)果的，原因是圖3中數(shù)碼管采用的是動(dòng)態(tài)掃描顯示，而在proteus中三極管反應(yīng)非常慢甚至可能不反應(yīng)，proteus在此時(shí)仿真三極管的功能存在不足。即仿真的時(shí)候采用74HC04是可以的，而實(shí)物制作中一定要改為9012才行。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，一定要采用虛擬仿真與實(shí)踐相結(jié)合的方式，也能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考，提高解決實(shí)際問題的能力。

課后：教師整理過程性評(píng)價(jià)并記錄，在課程QQ群組織學(xué)生討論、答疑，推送下一周任務(wù)等。學(xué)生根據(jù)老師的修改意見對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行完善，準(zhǔn)備完成下一個(gè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)等，在課程QQ學(xué)習(xí)群進(jìn)行討論、經(jīng)驗(yàn)交流，觀看、瀏覽老師推送的拓展資源。

2.4 課程考核方式改革

課程綜合評(píng)定是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，合理的考核方式能極大調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。為了真實(shí)、公平的對(duì)每個(gè)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)考核過程要進(jìn)行細(xì)化和量化。當(dāng)前考核方式單一，總評(píng)由實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)物組成，其中實(shí)驗(yàn)報(bào)告占30分，實(shí)物占70分，為結(jié)果性考核，缺少學(xué)生的過程性考核，不能全面、真實(shí)的反映學(xué)生學(xué)習(xí)情況，因此采用結(jié)果性考核和過程性考核相結(jié)合的評(píng)價(jià)方式[8-9]。具體考核與分值分布如圖5所示。

圖5 考核內(nèi)容及具體分值

在圖5中，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占30分，采取結(jié)果性考核，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是報(bào)告格式是否符合課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫規(guī)范，文字?jǐn)⑹鍪欠裢?，?nèi)容是否充實(shí)，論述是否完整等。過程性考核占70分，由每周任務(wù)節(jié)點(diǎn)得分和答辯得分構(gòu)成，每周任務(wù)節(jié)點(diǎn)具體分值如圖5所示，根據(jù)實(shí)際完成的情況，進(jìn)行具體打分，答辯占30分。改革后的評(píng)價(jià)方式加大了答辯環(huán)節(jié)的比重，答辯階段教師重點(diǎn)是檢查學(xué)生的設(shè)計(jì)要求是否達(dá)到、功能是否實(shí)現(xiàn)，以及根據(jù)學(xué)生的實(shí)際操作演示、回答老師提問的情況，進(jìn)行綜合打分。即是要檢驗(yàn)學(xué)生的設(shè)計(jì)是否實(shí)現(xiàn)、如何實(shí)現(xiàn)、實(shí)現(xiàn)的怎么樣。在這里，仍然以“基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為例說明答辯過程，首先，學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)要求分別進(jìn)行實(shí)物功能演示，在學(xué)生演示過程中，教師針對(duì)工作原理、實(shí)現(xiàn)方法等進(jìn)行提問，并對(duì)功能、性能進(jìn)行驗(yàn)證。針對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)，有時(shí)還可進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)，例如將該系統(tǒng)用于倒車系統(tǒng)或者智能小車，還需要重點(diǎn)考慮的問題有哪些以及如何修改等。

3 結(jié)語

課程實(shí)踐表明，實(shí)驗(yàn)改革激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)，提高了學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；提高了教學(xué)效果與質(zhì)量，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程及畢業(yè)后從事與單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)相關(guān)工作崗位打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。與此同時(shí)，對(duì)教師的教學(xué)綜合能力提出了更高的要求。