摘 要：为解决现有的单片机教学模式中理论与实践相脱节的教学弊端，提出一种仿真和实验板相结合的双平台单片机教学改革方案。主要采用“理论教学+Keil 编译软件+Proteus仿真软件”和“实践教学+Keil 编译软件+实验板”的虚实结合的双平台教学思路，将理论教学和Proteus仿真平台以及开发板实践平台相融合，兼顾虚实双平台的优势，结合船舶专业开设相关实验使用单片机控制船模，激发学生学习理论知识和自主实践的兴趣，进而达到培养学生的科研素质和工程实践能力，提高学生创新意识的目的。
关键词：双平台 单片机 船舶 教学改革
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）06（a）-0217-03
Abstract： In order to solve the disadvantage that theory and practice are out of touch in the current teaching mode of single-chip computer， a teaching reform scheme of double-platform single-chip computer， which combines simulation and experimental board， is proposed. This paper mainly adopts the dual-platform teaching idea of "theory teaching + Keil compiling software + Proteus simulation software" and "practice teaching + Keil compiling software + experiment board"， which integrates theory teaching with Proeus simulation platform and development board practice platform， takes into account the advantages of both virtual and real platforms， and combines the advantages of the two platforms， sets up relevant experiments in ship specialty， uses single chip computer to control ship model， and stimulates students" interest in learning theoretical knowledge and practicing， so as to cultivate students" scientific research quality and engineering practice ability， and improve students" innovative consciousness.
Key Words： Double-platform;Single-chip computer;Ship; Teaching reform
“大眾创新，万众创业”，掀起了全国上下创新创业的浪潮，作为创新人才培养的主要阵地，各大高校对此极为重视，各种创新创业竞赛也层出不穷。在诸多创新创业大赛中，以单片机为首的嵌入式系统课程的知识和技能是完成比赛的基本条件。根据我校轮机工程及其自动化专业的本科人才培养方案可知，该专业的人才培养目标是培养与现代造船业相适应的高级工程技术人才，与此相适应的核心课程就是以单片机为首的嵌入式系统课程。在高等院校创新型、研究型人才培养目标的前提下，学生对单片机技术的学习，不仅要会应用，还要熟练掌握单片机的内部构造和设计原理，进而达到理论与实践相辅相成的学习目标。
1 存在问题
首先，由于单片机硬件结构主要由电路图组成，而编程语言主要有英文字母组成，因此，在传统的教学模式中，教师们多采用板书和多媒体结合的教学手段开展教学，造成讲授的知识极为抽象，内容极为枯燥。与此同时，传统教学模式也造成了接口电路、程序及运行结果三者的割裂，这样就无法检验接口电路是否可行、所编程序是否有效以及程序在电路中的运行结果是否正确。实践证明，这样不直观、抽象晦涩的教学方式，直接导致了教学效果大打折扣。
其次，单片机的传统教学中也有课内实验，但是通常采用在实验室里用“电脑+集成好的实验板”的教学方式。由于实验电路已固定，大多数实验为验证性实验，只需简单的连线即可完成，导致学生无法了解接口电路工作原理，学习兴趣也不大。
同时，现有的教学模式还将单片机单独独立出来，无法与专业课程体系相融合，使得学生无法直观地了解所学知识在行业中的应用。
以上单片机传统教学的三种现状，造成了目前学生学习单片机课程“知其然而不知其所以然”的局面，严重影响了专业人才培养目标的实现，也非常不利于学生创新精神和能力的培养。因此，应用新的教学工具、教学软件和教学方法，进行单片机课程的教学改革，提高单片机课程的教学质量，势在必行。
鉴于此，我们提出了“基于虚实结合的双平台单片机教学改革探索研究”的项目研究，拟通过此研究，将解决现有的单片机教学模式中理论教学和实践教学相脱节的问题，在有限的课时内，消除传统教学弊端，提高学生学习兴趣，既让学生了解更多的知识，又能使理论教学和实践教学相得益彰，还能使教学内容与专业课程体系以及行业相融合，从而达到学生科研素质和工程实践能力提升，学生自主创新意识提高的教学目标。
2 “虚实结合”的双平台教改方案
本项目拟在单片机课程改革中采用“虚实结合”的双平台教学模式，先虚拟平台后开发板平台，双平台同时出现，兼顾双方优点，弥补各自不足，大大提高了学生理论与实践相结合的双重能力，激发学生自主创新的兴趣。
2.1 “虚拟”环节学原理
Proteus仿真软件[4]不仅能仿真单片机的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。Proteus仿真软件所提供的元件库中，大部分可以直接用于接口电路的搭建，同时该软件所提供的仪表，不管在质量还是数量上，都是可靠和经济的。对同一类功能的接口电路，可以采用不同的硬件来搭建完成，而不需要花费任何硬件成本，大大激励了学生的创新创造力，这也是工科学生工程素质养成的重要内容。
因此，采用Proteus仿真软件作为单片机课程教学平台，通过“理论教学+Keil编译软件+Proteus仿真软件”虚拟的教学环节，学生可以对单片机的内部构造结构和编程语言的设计原理有细致的学习，对单片机的硬件部分包括存储器结构、并行I/O 接口、定时器/计数器、中断系统、串行接口等的工作原理有更深入的理解，不仅克服了用单一开发板中硬件电路固定、学生不能更改、实验内容固定等方面的局限性，也可以扩展学生的思路和提高学生的学习兴趣，从而达到训练学生对单片机硬件系统的构建能力和对单片机系统设计能力的目的。
2.2 “实验”环节重创新
Proteus仿真总归是软件，其运行过程总是保持在最理想的状态，和实际电路还是存在一些区别的。比如仿真时默认单片机的复位电路和时钟电路是已经存在的;默认所有引脚接高电平;有些较新的芯片在库里找不到;有些芯片即使能够在库里找到，但仿真时序和实际有别。因此，在教学改革中，除了Proteus仿真软件的应用，实验板的实践环节也不可或缺。
在“实践教学+Keil编译软件+实验板”的真实实验板的教学环节，学生可以对单片机系统有更直观的认识和熟悉。每位学生在自己的笔记本或台式机上安装相应的驱动程序、相应的编程软件，可方便地在任何地点完成程序的编写和系统编程调试，实现了单片机实验平台的便携化，提高了学生学习单片机的便利性，激发其动手实践创新的兴趣。
3 具体措施
3.1 “理论教学+Keil编译软件+Proteus仿真软件”虚拟教学平台
在32学时的课程体系中，前8学时用来课堂讲解单片机的内部结构构造以及单片机的工作原理，使得学生对单片机有一个整体的感官。在接下来的4学时讲解单片机编程语言以及KeilC51编译软件的应用，使得学生在Keil编译软件中编写简单运算程序及查看运行结果的过程中，更直观地学习单片机内部存储器的结构和存储原理，以达到对理论知识的巩固和直观认识的目的。使用4學时分部讲解单片机的并行接口，定时器/计数器和中断系统的相关内容，中间穿插4学时的课堂时间用来Proteus仿真软件的仿真练习，实验室每台电脑都配置Keil编程软件以及Proteus仿真软件。课堂实验采用“虚拟仿真动态数码管显示”和“虚拟仿真航标灯控制器”的案例，老师带领学生对其中一个项目进行建模，电路设计，程序流程图设计，编写代码，绘制电路，进而仿真模拟。学生手提笔记本中也安装Keil编程软件以及Proteus仿真软件，要求学生利用课堂和课余时间独立完成另一个实验项目的仿真模拟，锻炼学生连接单片机接口电路，编写中断服务程序以及使用定时/计数器的能力。并且建立建立一个答疑交流的qq群，使得学生可以能够随时对课程内容进行学习，对课本例题或者自己自创的题目在proteus仿真软件中进行验证和模拟，并且能够与老师和同学及时进行信息交流，达到让学生学有参考，问有答案，练有指导的学习体验。
3.2 “实践教学+Keil 编译软件+实验板”实验板教学平台
在经学校立项的教学研究项目的支持下，建立一个全方位的单片机学习环境，包括40套51单片机最小系统开发板的硬件实验室，实验室中每台电脑和学生手提笔记本中均安装Keil编程软件以及Proteus仿真软件。
课程使用8学时分部讲解单片机串行口以及系统扩展和接口电路的相关内容知识，中间穿插4学时的实验时间用来实验板的实践学习。课堂实验采用“实验板设计PWM输出”的案例，老师和学生一起学习PWM原理以及对实验板进行设计和焊接，将单片机知识和船舶模型相结合，锻炼学生对单片机实验板进行焊接的能力以及编写系统扩展程序的能力，激发学生自主创新的意识。
3.3 课后大型综合设计实验平台
大型综合设计项目以创新设计能力为主要培养目标，综合考察全面应用单片机各个知识点的能力，将原来分散的小型演示验证实验集成为一个大型的系统设计项目。本实验作为学生的课程设计作业，将学生按3-4人为一组进行分组，以“基于51单片机的简易螺旋桨调速器开发”为设计题目进行软硬件开发。同时鼓励学生自创项目，要求与船舶专业知识相结合，并且能够将所学知识点应用全面。学生分组选择项目后，组织学生讨论，使学生充分发挥想象力，引导学生思考并提出项目解决方案，描绘出设计蓝图;然后开始查找资料、论证方案、设计电路、焊接硬件、编写程序、最后调试，整个过程以学生为主，教师指导点拨为辅，注重培养学生的自学能力、单片机软硬件设计能力和团队协作能力。
4 结语
本项目采用虚实双平台的教学改革方案，将理论教学和Proteus仿真平台以及开发板实践平台相结合，将理论教学和实践教学融合，兼顾虚实双平台的优势，激发学生学习理论知识和自主实践的兴趣，进而达到培养学生的科研素质和工程实践能力，提高学生创新意识的目的。本项目具有以下创新点。
（1）突破传统仅采用实验板或仿真软件的单一平台教学模式，将Proteus仿真平台和开发板实践平台相结合，兼顾双平台的优势。在Proteus仿真平台教学环节学生可以对单片机的内部结构和接口电路原理有更深入的理解，在开发板实践环节学生可以对单片机系统有较直观和客观的认识，为学生提供较为便利的学习机会，提高学生的创新兴趣。
（2）将单片机知识和船舶专业知识相结合，采用“航标灯设计”和“螺旋桨转速控制”两个实践项目，使得学生对单片机在专业领域的应用有细致的了解和更为深入的认识，为学生今后参加本专业的相关创新创业大赛提供基础。
参考文献
[1] 姚广宇.创新教育形势下的单片机教学模式改革研究[J].科技创新导报，2017，38：202-204.
[2] 王楠，陈应舒.基于创新型应用人才培养模式的单片机课程教改方法研究[J].教育教学论坛，2017（8）：93-95.
[3] 白萍.基于翻转课堂的单片机原理课程教学改革分析[J].科学教育，2017，7：449.
[4] 楼俊君，程启明，黄云峰，等.Proteus仿真软件在单片机课程创新教改中的应用[J].兰州石化职业技术学院学报，2017，17（1）： 64-66.