基于虚拟仿真平台的单片机课程的教学改革与实践
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作者:陈海卫 盛卫锋 宁萌 化春键 宿磊
[摘 要]阐述了江南大学基于虚拟仿真平台的单片机课程的教学改革目标;对比了改革前后课程内容与课时数的变化情况;为保证教学改革的顺利实施，开发了课堂教学案例库，课后作业习题库，实验平台模拟环境库，实践环节项目库等教学资源库;阐述了课程考核方式的调整;最后，通过学生科技创新类比赛，验证了项目的实施效果。
[关键词]虚拟仿真平台;单片机;教学改革
[基金项目]江南大学2017年本科教育教学改革研究教师卓越工程项目：基于虚拟仿真平台的单片机课程教学改革与实践（JG2017143）;江南大学机械工程学院卓越课程建设项目：微机原理与接口技术资助;2020年江南大学自建在线课程：微机原理与接口技术（2020ZJ15）资助
[作者簡介]陈海卫（1982—），男，河北保定人，博士，江南大学机械工程学院副教授，硕士生导师（通信作者），主要从事机电系统控制、机电课程教学与改革研究;盛卫锋（1977—），男，江苏张家港人，硕士，江南大学机械工程学院讲师，主要从事机电一体化研究。
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）27-0160-02 [收稿日期] 2019-10-06
单片机课程是江南大学机械电子类本科生的专业核心课程之一[1]，是培养学生机电产品创新设计能力的重要一环。项目教学改革自2017年启动，首次将C51作为教学语言载体，搭建了相应的教学资源库，并对后续课程做出必要调整，最后通过科创类项目如ROBOCON全国大学生机器人大赛等对项目效果进行检验。
一、项目改革的目标
项目基于Proteus与Keil虚拟仿真平台[2]，对我校现阶段单片机课程进行改革与实践。通过对教学内容、教学方法与考核方式等的必要调整，增强学生“电”学知识的系统性以及对新型单片机产品的适应力，最终提高学生机电产品创新设计能力。
二、教学内容的改革
按照新的教学计划要求，对课程内容进行了必要改革与调整。改革前后的单片机课程课时安排如下表所示：
1.对课程中计算机基础知识部分进行了缩减，仅保留与课程紧密相关的内容。
2.考虑到51单片机的经典结构对学生新型单片机的学习具有一定的借鉴性，且单片机硬件结构是后续章节学习的必要基础，课程单片机结构及原理部分相对改革前保持不变。
3.项目改革的重点集中在汇编语言部分。汇编语言最为贴近硬件，对51单片机具体指令系统甚至单片机自身硬件结构等的理解具有重要作用，因而调整后的课程中仍保留必要的汇编语言课时数。但如若要求学生能够熟练应用汇编语言进行机电产品的开发，则需要更多的课时数配套，且学生课下需投入更大的精力，这是一个较高的门槛，在有限的课时中，多数学生难以克服;不仅如此，考虑到对于复杂的机电类产品开发过程而言，项目要求高，开发周期短，学生日后应用汇编语言的机会不多。因而，此处为改革的重点，课时数由原来的10降低为4，对学生的要求也从原来的熟练应用调整为理解，仅要求学生阅读并理解51单片机寻址方式和指令系统，不再要求熟练采用汇编语言进行具体案例的开发。
在汇编语言要求降低的同时，为避免对学生机电产品创新设计能力的培养造成负面影响，改革中增加6课时的C51语言教学环节。由于前期具备C语言基础，学生对相关知识点的学习掌握更加容易，在后续单片机内部功能模块以及计算机接口扩展等内容的学习过程中，学生学习的重点会更偏向于具体原理的学习与运用，而非在程序设计环节止步不前，这一点对促进学生相关知识点的熟练掌握大有裨益，学生应用单片机进行机电产品创新设计的门槛也会大大降低。
4.内部功能模块部分。该部分包含51单片机定时/计数器、串行口和中断系统三个功能模块。教学重点在于模块本身的原理与熟练运用。其改革后的课时安排与改革前同步，但开发语言载体变为C51。
5.接口扩展部分。由于课时限制，该部分重点介绍51单片机三总线接口的扩展原理，并以此为基础介绍常用RAM与ROM芯片的扩展方法。对于较复杂的专用芯片如8255、A/D、D/A等的讲解与应用则移入后续课程如电子CAD与电子制作中。
6.实验部分。该部分包含51单片机I/O口、定时/计数器、中断系统等3个核心试验，以及串行口的使用选修实验。这些实验与改革前基本保持一致，不过开发语言同样变更为C51。
7.实践部分。该部分致力于学生自学能力与产品创新设计能力的培养。具体内容包括虚拟仿真平台的学习与具体案例的编程开发。
三、教学资源库的开发
1.课堂教学环节案例库。该案例库与课堂教学内容紧密结合，紧随课程内容开发，如CPU运行状态案例，单片机I/O接口案例、定时/计数器使用案例、串行口操作案例、中断系统案例、接口扩展案例等。通过案例库的开发与讲解，提高课堂教学的生动性，降低课程的抽象程度。
2.课后作业习题库。主要用于巩固学生课堂所学。对于应用性很强的作业题目，学生需在虚拟仿真平台中搭建相应硬件系统，完成相应程序的开发与调试。这种方式可改变传统教学纸上谈兵式的习题模式，提高学生学习兴趣与效果。
3.实验平台模拟环境库。实验环节需在学院单片机综合实验平台上完成。考虑到传统教学实验过程中学生既看不到平台内部的电路结构，也不明白具体电路工作原理，项目针对实验环节的具体内容与要求，基于Proteus虚拟仿真平台，提前建立与各实验题目等效的虚拟仿真运行环境。学生实验前，需首先编写相应程序，在仿真平台中完成具体实验要求后再开展实地实验过程，从而达到提前预习实验内容，提高实验效果的目的。假若由于某些实验工作量较大，少量学生在课堂中没有及时完成实验，可在课堂实验结束后基于虚拟仿真平台继续运行调试，以达到进一步的消化与吸收。 4.实践环节项目库。主要针对学生的实践环节设计，题目内容涵盖范围广，学生需综合运用前一阶段所学知识后方能完成。在本课程中，学生需基于虚拟仿真平台，完成某些应用程序如电子时钟、电子计算器等的设计开发，内容囊括了计算机键盘与显示器的基本原理与设计、C51语言的开发与运用等。除此之外，在后續课程电子CAD与电子制作中，学生需进行实际硬件的开发与调试，包括原理图的绘制、线路板的开发、电子元器件的焊接以及实际应用程序的开发与调试等。通过一系列的实践训练，学生可对单片机的开发过程有更为深刻与直观的理解，这为后继课程中学生机电产品创新设计能力的培养奠定了坚实的基础。
四、课程考核方式的改革与实践
改革后的单片机课程在考核方式上更加注重学生创新设计能力的考核。课程考核分为平时考核与期末考核两部分。相对改革前，在平时考核中加入了实践类考题，学生需在虚拟仿真平台中完成实践题目的编程与仿真调试。期末考核仍采用闭卷形式，但降低了汇编语言要求，学生仅需完成汇编题目的阅读与执行结果的推理即可;此外，期末考核中加入了C51语言知识点的考核，并且将创新设计类题目的比重由改革前的30%提升至40%，加强对学生创新设计能力的考核。
五、项目实施效果
项目的实施对于提升学生机电产品创新设计能力效果明显，这尤其体现在各种机电类科技创新比赛中。该类比赛控制任务复杂，实时性要求高，学生往往采用性能更为优越的ARM系列单片机作为主控。经过本课程的学习，学生对单片机类芯片的硬件结构与运行原理已有所掌握，且由于课程编程环境（包括开发语言）与新型单片机的十分相近，学生适应新型单片机的能力得到了极大提升，往往经过简单的指引后即可快速融入具体控制项目的开发。据统计，改革前学生适应新型单片机的开发大约需要3—6周，而项目实施后，这一适应期可缩短为1—2周，大大增强了学生对于机电系统开发与创新设计的信心。在ROBOCON全国大学生机器人大赛中，我校参赛队伍多次获得大赛的二等奖、最佳组织奖等奖项。
参考文献
[1]陈海卫，盛卫锋，化春键，宁萌，宿磊.基于虚拟仿真平台的单片机课程教学的思考[J].教育教学论坛，2019（02）：226-227.
[2]谭筠梅，李玉龙，王履程.基于Proteus的单片机虚拟仿真实验案例设计[J].实验技术与管理，2018，35（05）：122-125.
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