基于虚拟实验室的《单片机原理与应用》实验教学改革研究

朱韶平

（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.

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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，还能仿真外围电路的工作情形.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、单片机及其外围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，而且还能仿真外围电路的工作情形和Protues提供的大量虚拟单片机及其外围电路的电子元器件，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发布“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国家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.

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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.

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