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摘要：“单片机与接口技术”是一门工程性很强的课程，实验教学是将理论知识转化到工程应用的重要环节，目前单片机实验教学仍受到纯理论课程的影响，作为理论辅助而未被重视。本文分析了本科生单片机实验教学现状及其中的问题，并提出了Proteus仿真与实验箱结合的单片机实验教学方法。
关键词：单片机；Proteus；软硬结合
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）11-0260-02
人才培养是学校的根本任务，质量是学校的生命线，教学是学校的中心工作，而实践是教学的重要环节，要提高学生实践动手能力，需要推进实验内容和实验模式的改革和创新。“单片机与接口技术”课程除了理论基础外，还具有很强的工程实践性。因此，需要对该课程提出更具针对性的实验教学模式，以便使学生能够在掌握理论基础的同时，工程实践能力也得到培养与提升。本文即是在此背景下，主要对“单片机与接口技术”的实验教学进行了分析研究，结合本课程的实际情况提出了改革措施。
一、课程实验教学现状
“单片机与接口技术”课程目前仍沿袭以前纯理论课程的教学模式，虽然设置了实验课程的教学，但实验仅作为理论教学的次要辅助，未对实验教学加以足够的重视。
（一）实验教学内容设置不合理
目前，对单片机实验教学不够重视，内容安排上主要以理论课内容为主线，多是作为理论教学的验证，所以对于学生而言，各个实验是相互独立的，没有相互联系起来形成一个知识网络。加之实验指导书内容编写的面面俱到，学生在做实验时仅仅是参照设计好的实验内容，简单地将程序输入到计算机上，如此重复地完成规定的实验内容，课程实验实际上演变成了程序功能的验证，并没有到达对单片机程序设计、编写、调试等过程训练的目的。由于过于实验指导书的作用，学生不愿独立分析思考，解决实验大纲中提出的问题，甚至不对实验进行预习，急于得到实验结果，照抄实验报告，忽视了实验过程的重要性。这难以调动学生学习的兴趣性和积极性，也不利于在解决单片机实际工程应用问题时，对学生动手与创新能力的培养，进而失去了实验教学应有的作用。
（二）过度依赖功能集成的实验箱
随着单片机实验课程的发展，许多高校对实验设备进行了更新，配备了将实验所需功能集成于一体的综合实验箱，这在一定程度上方便了实验教学的开展，但单一依赖于实验箱进行实验教学具有局限性，并且从学生反馈的来看并没有达到应有的实验效果。这种综合实验箱将全部实验内容都集中在一起，学生在做实验时只需按照实验接线图完成所需实验内容必要的线路连接，将实验参考程序直接烧录到实验箱，再查看实验结果。整个实验过程得到了简化，减少了硬件连接上的错误，加快了实验教学的进度。然而，由于其集成度过高，实验内容都已经固定，不易改变和扩展，降低了实验的灵活性，限制了学生的创新思维；不用从原理图开始对硬件进行设计，简化了硬件的连接，弱化了对学生电路设计能力的需求；实验程序也随着硬件连接的固定而固化，学生对单片机程序的编写与调试能力没有得到锻炼。
二、课程实验教学改革
为改善上述课程教学的不足，本文将EDA仿真软件Proteus引入到单片机实验教学中来，同时提出了Proteus与实验箱软硬结合的实验教学方法，使得虚拟仿真与真实硬件互补互足。
（一）基于Proteus单片机仿真的特点
Proteus是一款由英国Labcenter Electronic公司开发的EDA软件，它支持对微控制器和外围元器件组成的嵌入式系统仿真，并且能够与Keil等软件实现联合仿真调试，这样不仅可以查看程序执行时微控制器内部寄存器、存储器内容的变化，而且可以观察外围元器件的工作情况。利用Proteus可以快速灵活地完成嵌入式系统原理图的绘制，便于在课堂上进行讲解。
例如，我们利用Proteu进行定时器控制LED灯亮灭的实验。学生按照硬件原理图（如图1所示）用Proteus软件绘制实验仿真电路图（如图2所示），使得在P1.0脚输出周期为1s的方波，即实现LED灯循环亮0.5s，灭0.5s，同时，在P1.0引脚用虚拟示波器观察输出信号，最终实现LED灯控制器的仿真（如图3所示）。通过本Proteus实验，学生学会硬件原理图的绘制、掌握定时器/计数器的原理及编程方法，学会使用虚拟示波器观察波形变化，为后续的实验打下基础。
当然，软件虚拟仿真无法达到与硬件完全一致，有时仿真结果存在一定差异。因此，Proteus仿真只能作为实验教学的其中一环。
（二）软硬结合的单片机实验教学
通过Proteus对单片机实验教学内容进行仿真，可以让学生在做实验时，不仅软件编程能力得到了提升，并且也对单片机外围硬件设计有所了解。由此对单片机系统有了全面的认识，而不是在实验箱上按部就班地参照实验指导书进行实验操作。
在实验课前，学生不再是通过阅读实验指导书进行枯燥预习，而可以根据教师布置实验任务，利用Proteus提前设计实验硬件电路、编写程序、仿真调试。在课堂上，教师可以根据学生课前仿真的完成情况，有针对性地讲解实验。然后学生可以在实验箱上认识真实的元器件，连接线路完成实验。在实验课上，结合Proteus与实验箱完成基础性实验，巩固理论课上学习的知识。实验课后，教师可以再布置一些扩展性实验，以便有兴趣、有能力的学生进一步利用Proteus及单片机开发系统进行仿真和实物验证，以更加深入地学习、掌握单片机及接口技术。
例如我们布置一个扩展性大作业：通过PWM信号驱动直流电机转速，运用AD转换模块，将电位计输入的电压转换成AD值，该AD值通过换算得到占空比，即只需要调节电位计就可以改变直流电机的转速。AD值换算成占空比后可通过动态数码管显示出来。另外，增加一个独立键盘按钮，来作为控制直流电机运转的总开关。知识点的考核含有定时计数器、中断、动态数码显示、AD转换、独立键盘的使用等内容。总之，完成该大作业需要学生对51单片机的上述每个知识点进行详细的了解与掌握，并对独立的知识点进行整合，通过合理的逻辑梳理，完成整个程序的编写。学生可以对51单片机有更加深刻的了解，加强了对逻辑思维能力的培养，为学生今后的学习打下深厚的基础。
这样的教学方法，打破了传统实验教学在课堂时间上和空间上的限制，使学生愿意主动预习实验内容并能带着问题进入课堂，有针对性的教学也提升了实验教学的学习效率。实验内容设置上也更加灵活多变，易于扩展。这种软硬结合的单片机实验教学方法不仅可以增强学生对单片机实验教学的兴趣，而且还可以提升学生的单片机系统综合设计能力，将所学理论应用到实际工程中。
三、结束语
本文从实验教学内容、实验设备两个方面分析了当前单片机实验教学现状，分析了其中存在的问题。在此基础上，将虚拟仿真引入到实验教学中来，并且结合Proteus软件的特点，提出了Proteus与实验箱软硬结合的单片机实验教学方法，以此提升单片机实验教学质量，激发学生对单片机的学习兴趣，提升学生对理论知识的应用能力。希望此文的教学探讨，能对同行起到抛砖引玉的作用。
参考文献：
[1]赵天翔，肖寒鹏.对单片机教学改革的探讨[J].新西部月刊，2008，（7）：162-162.
[2]黄华飞.基于AVR单片机的教学实验系统的设计与开发[D]：湖南大学，2013.
[3]李长林.AVR单片机应用设计[M]：电子工业出版社，2005.
关键词：单片机；Proteus；软硬结合
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）11-0260-02
人才培养是学校的根本任务，质量是学校的生命线，教学是学校的中心工作，而实践是教学的重要环节，要提高学生实践动手能力，需要推进实验内容和实验模式的改革和创新。“单片机与接口技术”课程除了理论基础外，还具有很强的工程实践性。因此，需要对该课程提出更具针对性的实验教学模式，以便使学生能够在掌握理论基础的同时，工程实践能力也得到培养与提升。本文即是在此背景下，主要对“单片机与接口技术”的实验教学进行了分析研究，结合本课程的实际情况提出了改革措施。
一、课程实验教学现状
“单片机与接口技术”课程目前仍沿袭以前纯理论课程的教学模式，虽然设置了实验课程的教学，但实验仅作为理论教学的次要辅助，未对实验教学加以足够的重视。
（一）实验教学内容设置不合理
目前，对单片机实验教学不够重视，内容安排上主要以理论课内容为主线，多是作为理论教学的验证，所以对于学生而言，各个实验是相互独立的，没有相互联系起来形成一个知识网络。加之实验指导书内容编写的面面俱到，学生在做实验时仅仅是参照设计好的实验内容，简单地将程序输入到计算机上，如此重复地完成规定的实验内容，课程实验实际上演变成了程序功能的验证，并没有到达对单片机程序设计、编写、调试等过程训练的目的。由于过于实验指导书的作用，学生不愿独立分析思考，解决实验大纲中提出的问题，甚至不对实验进行预习，急于得到实验结果，照抄实验报告，忽视了实验过程的重要性。这难以调动学生学习的兴趣性和积极性，也不利于在解决单片机实际工程应用问题时，对学生动手与创新能力的培养，进而失去了实验教学应有的作用。
（二）过度依赖功能集成的实验箱
随着单片机实验课程的发展，许多高校对实验设备进行了更新，配备了将实验所需功能集成于一体的综合实验箱，这在一定程度上方便了实验教学的开展，但单一依赖于实验箱进行实验教学具有局限性，并且从学生反馈的来看并没有达到应有的实验效果。这种综合实验箱将全部实验内容都集中在一起，学生在做实验时只需按照实验接线图完成所需实验内容必要的线路连接，将实验参考程序直接烧录到实验箱，再查看实验结果。整个实验过程得到了简化，减少了硬件连接上的错误，加快了实验教学的进度。然而，由于其集成度过高，实验内容都已经固定，不易改变和扩展，降低了实验的灵活性，限制了学生的创新思维；不用从原理图开始对硬件进行设计，简化了硬件的连接，弱化了对学生电路设计能力的需求；实验程序也随着硬件连接的固定而固化，学生对单片机程序的编写与调试能力没有得到锻炼。
二、课程实验教学改革
为改善上述课程教学的不足，本文将EDA仿真软件Proteus引入到单片机实验教学中来，同时提出了Proteus与实验箱软硬结合的实验教学方法，使得虚拟仿真与真实硬件互补互足。
（一）基于Proteus单片机仿真的特点
Proteus是一款由英国Labcenter Electronic公司开发的EDA软件，它支持对微控制器和外围元器件组成的嵌入式系统仿真，并且能够与Keil等软件实现联合仿真调试，这样不仅可以查看程序执行时微控制器内部寄存器、存储器内容的变化，而且可以观察外围元器件的工作情况。利用Proteus可以快速灵活地完成嵌入式系统原理图的绘制，便于在课堂上进行讲解。
例如，我们利用Proteu进行定时器控制LED灯亮灭的实验。学生按照硬件原理图（如图1所示）用Proteus软件绘制实验仿真电路图（如图2所示），使得在P1.0脚输出周期为1s的方波，即实现LED灯循环亮0.5s，灭0.5s，同时，在P1.0引脚用虚拟示波器观察输出信号，最终实现LED灯控制器的仿真（如图3所示）。通过本Proteus实验，学生学会硬件原理图的绘制、掌握定时器/计数器的原理及编程方法，学会使用虚拟示波器观察波形变化，为后续的实验打下基础。
当然，软件虚拟仿真无法达到与硬件完全一致，有时仿真结果存在一定差异。因此，Proteus仿真只能作为实验教学的其中一环。
（二）软硬结合的单片机实验教学
通过Proteus对单片机实验教学内容进行仿真，可以让学生在做实验时，不仅软件编程能力得到了提升，并且也对单片机外围硬件设计有所了解。由此对单片机系统有了全面的认识，而不是在实验箱上按部就班地参照实验指导书进行实验操作。
在实验课前，学生不再是通过阅读实验指导书进行枯燥预习，而可以根据教师布置实验任务，利用Proteus提前设计实验硬件电路、编写程序、仿真调试。在课堂上，教师可以根据学生课前仿真的完成情况，有针对性地讲解实验。然后学生可以在实验箱上认识真实的元器件，连接线路完成实验。在实验课上，结合Proteus与实验箱完成基础性实验，巩固理论课上学习的知识。实验课后，教师可以再布置一些扩展性实验，以便有兴趣、有能力的学生进一步利用Proteus及单片机开发系统进行仿真和实物验证，以更加深入地学习、掌握单片机及接口技术。
例如我们布置一个扩展性大作业：通过PWM信号驱动直流电机转速，运用AD转换模块，将电位计输入的电压转换成AD值，该AD值通过换算得到占空比，即只需要调节电位计就可以改变直流电机的转速。AD值换算成占空比后可通过动态数码管显示出来。另外，增加一个独立键盘按钮，来作为控制直流电机运转的总开关。知识点的考核含有定时计数器、中断、动态数码显示、AD转换、独立键盘的使用等内容。总之，完成该大作业需要学生对51单片机的上述每个知识点进行详细的了解与掌握，并对独立的知识点进行整合，通过合理的逻辑梳理，完成整个程序的编写。学生可以对51单片机有更加深刻的了解，加强了对逻辑思维能力的培养，为学生今后的学习打下深厚的基础。
这样的教学方法，打破了传统实验教学在课堂时间上和空间上的限制，使学生愿意主动预习实验内容并能带着问题进入课堂，有针对性的教学也提升了实验教学的学习效率。实验内容设置上也更加灵活多变，易于扩展。这种软硬结合的单片机实验教学方法不仅可以增强学生对单片机实验教学的兴趣，而且还可以提升学生的单片机系统综合设计能力，将所学理论应用到实际工程中。
三、结束语
本文从实验教学内容、实验设备两个方面分析了当前单片机实验教学现状，分析了其中存在的问题。在此基础上，将虚拟仿真引入到实验教学中来，并且结合Proteus软件的特点，提出了Proteus与实验箱软硬结合的单片机实验教学方法，以此提升单片机实验教学质量，激发学生对单片机的学习兴趣，提升学生对理论知识的应用能力。希望此文的教学探讨，能对同行起到抛砖引玉的作用。
参考文献：
[1]赵天翔，肖寒鹏.对单片机教学改革的探讨[J].新西部月刊，2008，（7）：162-162.
[2]黄华飞.基于AVR单片机的教学实验系统的设计与开发[D]：湖南大学，2013.
[3]李长林.AVR单片机应用设计[M]：电子工业出版社，2005.