理虚实一体化模式在单片机中的教学实践探究
黄陆芳
摘 要：本文从探讨单片机教学中理实类型和理虚类型的不足之处入手，先阐述了理虚实一体化教学模式的必要性，再将理虚实一体化教学模式分为理虚环节和虚实环节来讨论，利用单片机系统设计中流水灯电路的内容来进行教学探讨，指出了虚拟仿真在教学中的应用，突出了理虚实一体化教学模式的特点。
关键词：理虚实一体化；单片机；教学模式；虚拟仿真
教材是我们学习一门新课程的主要途径，而纵观目前市场上主要的单片机教材，基本都是理实类型或理虚类型。理实类型的教材先经过一定的理论知识介绍，就开始实物介绍，直接讲解功能对应的电路搭接、程序下载、效果实现等。在使用这类教材时，理论上的电路与编程直接转换为实际的电路控制效果展现，这其中的原理过程、可能的出现的错误探究往往容易被学生们忽略了，使得学生对理论知识的理解不够透彻，处理实际问题时又不够胸有成竹。理虚类型的教材通常为了编写容易，省去了实践部分的内容，只有理论知识与虚拟仿真，使得学生的学习停留在想象中的电路效果，而不能锻炼学生的实际操作能力，更不能将学生的理论与实践进行有效结合。
为了改善这一学习现状，本文提出利用理虚实一体化的仿真教学模式进行单片机的学习。即理论、虚拟、实践三者结合，有效统一，利用proteus仿真软件为学生创造学习单片机编程知识的虚拟环境，从而为做单片机电路提供了一个过渡，在理论与实践之间搭接了一个桥梁，让两者更好地结合起来[ 1 ]。
1 理虚实一体化教学模式
1.1 必要性
目前国内各职业学校对于理实一体的教学开展都予以了充分的肯定，大家都认同职业学校的学生要多动手，学习理论应用到实践，再通过实践巩固理论。而实际情况是学生在学习理论时，就已经觉得枯燥无味，所获不多，待到应用实践的环节根本无法将实践与理论很好地对接上。而理虚实一体化教学模式就是从理实一体的教学模式扩展而来的，这里的“虚”指的是虚拟仿真[ 2 ]。
虚拟仿真通常通过计算机仿真软件来实现。现今社会计算机的应用已经得到了普及性的发展，许多学生对于计算机都有着很高的兴趣。据笔者课上调查统计，学生对于课程内应用到计算机的内容能明显提高一半以上的学习兴趣。兴趣是最好的老师，而仿真软件无疑是这位提升兴趣的老师。
1.2 教学环节
理虚实一体化教学模式可按字面分为三个教学环节，即理论、虚拟、实践。但考虑到虚拟仿真部分的重要性，也可以把它们当做两个连接环节来看待。
第一个是理虚环节，即理论与虚拟教学交替进行。单纯的理论讲解会使学生兴趣下降，所以在讲解理论步骤的同时，渗透虚拟仿真演示，让学生更好地明白原理，再让学生自己动手操作虚拟仿真软件，通过虚拟仿真设计并展示理论的成果。在虚拟仿真的过程中如果有出现错误，软件会进行提示，通过提示能比较快地修改相应的错误，并实时进行仿真验证，及时巩固原理知识。在这个过程中，学生对于单片机的接线、相应功能程序的认识就不只停留在书本上，而是通过仿真软件进行了一定的“实物化”。
第二个是虚实环节，即将正确的虚拟仿真操作到实物单片机上。学生把在虚拟仿真操作环节中完成的单片机电路及编程直接应用到单片机实物中。由于在虚拟仿真中已经验证过硬件电路接线方法与软件编程程序的正确性，所以在实践操作中，学生只要原样照搬硬件电路接线，下载虚拟仿真中的程序到单片机中，若无实物方面的问题，一般都可一次性实验成功。若未操作成功，此时也可排除是电路设计和编程程序的错误，从而可以更快的从其他方面来找原因。
1.3 单片机课程的仿真软件
单片机课程中常用的虚拟仿真软件是proteus软件，它是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具，从原理图画图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计，深受单片机爱好者的青睐。
2 案例——设计流水灯电路
以单片机中常见的流水灯的设计实例来阐述理虚实一体化教学模式的教学过程。
2.1 任务目的
通过采用单片机控制8个LED发光二极管从上往下顺序点亮的流水灯系统设计与制作，让学生掌握单片机的基本硬件连接，C语言的数据类型、常量与变量、运算符和表达式等基本概念及使用方法[3]。
2.2 设计要求
首先点亮连接到P1.1引脚的发光二极管，延时一定时间后熄灭，再点亮连接到P1.2引脚的发光二极管，同样延时一定时间后熄灭。如此依次顺序点亮每个发光二极管，直至点亮最后一个连接到P1.7引脚的发光二极管，熄灭后再从头开始，循环不止，产生一种动态显示的流水灯效果[ 3 ]。
以上两个步骤属于理论介绍，让学生明确要做的单片机系统电路的功能和基本要求，在这个过程中可通过虚拟仿真展示教师之前完成的效果，让学生对从理论如何向虛拟过渡有个初步印象。
2.3 电路设计
流水灯控制系统电路如图1所示。根据以上任务要求在proteus软件上进行电路设计，合理安排单片机、最小系统电路、发光二极管、电阻等之间的电气连接。据要求设计出电路图，并进行相关的电路调试仿真，确保电路的连接没有错误。
2.4 源程序设计
单片机流水灯控制程序的编写方法有多种，这里以变量赋值位移循环的方法为例进行设计，编写如下程序：
#include "reg51.h"
void delay（unsigned char i） //延时函数，定义无符号字符
型变量i为形式参数
{ //延时函数开始
unsigned char j，k； //定义无符号字符型变量j和k
for（k=0；k
for（j=0；j<255；j++）； //双重for循环语句实现软件延时
} //延时函数结束
void main（ ） //主函数
{ //主函数开始
unsigned char a，i； //定义字符变量a，i
while（1） //无限循环执行循环程序段
{ //while循环开始
a=0x01； //给变量a赋值0X01，即10000000
for（i=0；i<8；i++） //用for循环执行下列语句8次
{ //for循环开始
P1=～a； //将a的值取反后从P1脚输出
delay（500）； //合理设置实参调用延时函数
a<<=1； //将a的二进制数值左移一位
} //for循环结束
} //while循环结束
}[ 3 ] //主函数结束
在编程软件中输入以上程序，进行编译，确认没有错误后，就可以生成HEX后缀的目标程序代码文件，将这个文件下载到proteus软件中制作好的流水灯电路的单片机中，运行仿真，观察电路效果。
2.5 仿真验证
在编写上述程序时，容易出现错误的地方主要在于变量初值0X01的赋予、左移运算、循环语句及取反的使用这几个点。观察仿真电路图的运行效果时，就要注意是否有出现以上几种错误。如果初值赋予错误或取反使用错误则可能导致流水灯的按顺序亮变成按顺序灭或按顺序亮了以后就常亮着等各种情况。根据仿真图能正常运行点亮灯可判断出电路设计正确与否，根据仿真图流水灯的运行效果是否达到预期可判断出流水灯程序的对错。
在以上三个过程中，理论知识中的电路图设计思路及程序的编写原理都得到了应用，完成了理虚环节的教学。
2.6 实物连接验证
据已经虚拟仿真成功的电路图在相应模块上进行接线操作，完成单片机硬件电路。而软件编程部分可直接使用虚拟仿真过程中生成的HEX后缀的目标程序代码文件，将其下载到实物单片机中。最后，将实物单片机安装到单片机硬件电路中，通电观察实际效果是否与虚拟仿真一致。在这个过程中，可以肯定程序和电路设计是正确的，所以如果效果未正常显示，则可以从其他方面来找原因，如导线连接是否松动、程序是否下载到单片机中等等。该步骤中将虚拟仿真的电路图转换为实物连接电路，则完成了虚实环节的教学。
3 效果评价
笔者曾经试过利用理实教学来教授同样的课程内容，在理论部分讲解后尝试开始实践操作时，发现学生对于基本的对图接线都还存在比较大的问题，有些甚至要一一教导。而最后效果若出现问题，由于不确定是硬件错误，还是编程错误，排故量比较大，有的学生尝试查找一两个方面的错误以后却找不到问题所在，就开始心灰意冷，不愿再多加探究。课堂时间有限，有时老师来不及一一解决，通常也就不了了之，使得学生并没有正常完成需要完成的实践操作。
而同样的内容用上述的理虚实一体化教学模式来讲解的话，多出了虚拟仿真的环节，看似教学环节增加，但教学效率却明显提高。学生在使用虚拟仿真软件制图的过程中，就已经把电路的连接在心里默默记了一遍，明确了单片机与不同元件的连接，在实践操作时就能找准硬件接线，相比理实授课来说，学生咨询怎么接线的情况明显减少。而编程部分，是虚拟仿真和实践操作都需要的，虚拟仿真运行确认了程序的正确性后，在实操时这部分的时间就省略下来了。所以，可以说增加了虚拟环节，其实是把实践环节的部分重难点分担到了虚拟环节。在虚拟环节仅利用计算机来解决一些出现的问题，远比实践操作要容易，不会打击学生的积极性，学生的积极主动性提高了，实践操作的成功率也就提高了，从而也提升了教学效率。教学效率提高了，也就节省了教学时间，故而增加的教学环节并不会增加教学时间。
4 理虚实一体化教学模式与信息化
近些年，全国信息化大赛如火如荼地举行，各种网络教学平台、资源视频也是应运而生。而虚拟仿真以计算机作为载体，也充分体现了信息化技术的发展与应用。小到一个学科当中有固定的虚拟仿真软件可应用，大到一整个网络平台可纳入各种不同的资源。无论是最简单的视频展示，还是比较高科技的VR技术，这些其实都是理虚实一体化教学模式中的“虚”的体现。这类技术的一个好处就在于它立足于一些科技手段，以计算机为载体，具有重复使用性和便捷的传播性。只要这虚拟仿真的内容是利用计算机和网络就可以实现的，那么无论是在学校，还是在家，都可以自己进行巩固学习。从教学的角度来说，这也就调动了学生课外学习的积极性。课外巩固学习到位，课上实践操作才能更得心应手，这無疑是一个互利的过程。
5 结束语
理虚实一体化教学模式的优势是显而易见的，如何来构建这个虚拟仿真，搭建好理论与实践之间的桥梁，这是我们可以研究的一个教学思路。不同的学科会有不同的虚拟仿真，它们有着相同性，更有着不同学科间的差异性。尝试去创新，尝试去改革，我们的教学才能更好地走在前沿，培养出更多符合社会需求的技能型人才。
参考文献：
[1] 曹春雷.理虚实一体化教学模式初探[J]. 中国科教创新导刊， 2012（14）： 94-95.
[2] 林来金.中职电类专业课程理虚实一体化教学模式之探究[J]. 中学理科园地， 2017.13（73）： 9-11.
[3] 王静霞，杨宏丽，刘俐，等. 单片机应用技术（C语言版）.[M]第二版.北京： 电子工业出版社， 2014：49-51.
摘 要：本文从探讨单片机教学中理实类型和理虚类型的不足之处入手，先阐述了理虚实一体化教学模式的必要性，再将理虚实一体化教学模式分为理虚环节和虚实环节来讨论，利用单片机系统设计中流水灯电路的内容来进行教学探讨，指出了虚拟仿真在教学中的应用，突出了理虚实一体化教学模式的特点。
关键词：理虚实一体化；单片机；教学模式；虚拟仿真
教材是我们学习一门新课程的主要途径，而纵观目前市场上主要的单片机教材，基本都是理实类型或理虚类型。理实类型的教材先经过一定的理论知识介绍，就开始实物介绍，直接讲解功能对应的电路搭接、程序下载、效果实现等。在使用这类教材时，理论上的电路与编程直接转换为实际的电路控制效果展现，这其中的原理过程、可能的出现的错误探究往往容易被学生们忽略了，使得学生对理论知识的理解不够透彻，处理实际问题时又不够胸有成竹。理虚类型的教材通常为了编写容易，省去了实践部分的内容，只有理论知识与虚拟仿真，使得学生的学习停留在想象中的电路效果，而不能锻炼学生的实际操作能力，更不能将学生的理论与实践进行有效结合。
为了改善这一学习现状，本文提出利用理虚实一体化的仿真教学模式进行单片机的学习。即理论、虚拟、实践三者结合，有效统一，利用proteus仿真软件为学生创造学习单片机编程知识的虚拟环境，从而为做单片机电路提供了一个过渡，在理论与实践之间搭接了一个桥梁，让两者更好地结合起来[ 1 ]。
1 理虚实一体化教学模式
1.1 必要性
目前国内各职业学校对于理实一体的教学开展都予以了充分的肯定，大家都认同职业学校的学生要多动手，学习理论应用到实践，再通过实践巩固理论。而实际情况是学生在学习理论时，就已经觉得枯燥无味，所获不多，待到应用实践的环节根本无法将实践与理论很好地对接上。而理虚实一体化教学模式就是从理实一体的教学模式扩展而来的，这里的“虚”指的是虚拟仿真[ 2 ]。
虚拟仿真通常通过计算机仿真软件来实现。现今社会计算机的应用已经得到了普及性的发展，许多学生对于计算机都有着很高的兴趣。据笔者课上调查统计，学生对于课程内应用到计算机的内容能明显提高一半以上的学习兴趣。兴趣是最好的老师，而仿真软件无疑是这位提升兴趣的老师。
1.2 教学环节
理虚实一体化教学模式可按字面分为三个教学环节，即理论、虚拟、实践。但考虑到虚拟仿真部分的重要性，也可以把它们当做两个连接环节来看待。
第一个是理虚环节，即理论与虚拟教学交替进行。单纯的理论讲解会使学生兴趣下降，所以在讲解理论步骤的同时，渗透虚拟仿真演示，让学生更好地明白原理，再让学生自己动手操作虚拟仿真软件，通过虚拟仿真设计并展示理论的成果。在虚拟仿真的过程中如果有出现错误，软件会进行提示，通过提示能比较快地修改相应的错误，并实时进行仿真验证，及时巩固原理知识。在这个过程中，学生对于单片机的接线、相应功能程序的认识就不只停留在书本上，而是通过仿真软件进行了一定的“实物化”。
第二个是虚实环节，即将正确的虚拟仿真操作到实物单片机上。学生把在虚拟仿真操作环节中完成的单片机电路及编程直接应用到单片机实物中。由于在虚拟仿真中已经验证过硬件电路接线方法与软件编程程序的正确性，所以在实践操作中，学生只要原样照搬硬件电路接线，下载虚拟仿真中的程序到单片机中，若无实物方面的问题，一般都可一次性实验成功。若未操作成功，此时也可排除是电路设计和编程程序的错误，从而可以更快的从其他方面来找原因。
1.3 单片机课程的仿真软件
单片机课程中常用的虚拟仿真软件是proteus软件，它是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具，从原理图画图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计，深受单片机爱好者的青睐。
2 案例——设计流水灯电路
以单片机中常见的流水灯的设计实例来阐述理虚实一体化教学模式的教学过程。
2.1 任务目的
通过采用单片机控制8个LED发光二极管从上往下顺序点亮的流水灯系统设计与制作，让学生掌握单片机的基本硬件连接，C语言的数据类型、常量与变量、运算符和表达式等基本概念及使用方法[3]。
2.2 设计要求
首先点亮连接到P1.1引脚的发光二极管，延时一定时间后熄灭，再点亮连接到P1.2引脚的发光二极管，同样延时一定时间后熄灭。如此依次顺序点亮每个发光二极管，直至点亮最后一个连接到P1.7引脚的发光二极管，熄灭后再从头开始，循环不止，产生一种动态显示的流水灯效果[ 3 ]。
以上两个步骤属于理论介绍，让学生明确要做的单片机系统电路的功能和基本要求，在这个过程中可通过虚拟仿真展示教师之前完成的效果，让学生对从理论如何向虛拟过渡有个初步印象。
2.3 电路设计
流水灯控制系统电路如图1所示。根据以上任务要求在proteus软件上进行电路设计，合理安排单片机、最小系统电路、发光二极管、电阻等之间的电气连接。据要求设计出电路图，并进行相关的电路调试仿真，确保电路的连接没有错误。
2.4 源程序设计
单片机流水灯控制程序的编写方法有多种，这里以变量赋值位移循环的方法为例进行设计，编写如下程序：
#include "reg51.h"
void delay（unsigned char i） //延时函数，定义无符号字符
型变量i为形式参数
{ //延时函数开始
unsigned char j，k； //定义无符号字符型变量j和k
for（k=0；k
for（j=0；j<255；j++）； //双重for循环语句实现软件延时
} //延时函数结束
void main（ ） //主函数
{ //主函数开始
unsigned char a，i； //定义字符变量a，i
while（1） //无限循环执行循环程序段
{ //while循环开始
a=0x01； //给变量a赋值0X01，即10000000
for（i=0；i<8；i++） //用for循环执行下列语句8次
{ //for循环开始
P1=～a； //将a的值取反后从P1脚输出
delay（500）； //合理设置实参调用延时函数
a<<=1； //将a的二进制数值左移一位
} //for循环结束
} //while循环结束
}[ 3 ] //主函数结束
在编程软件中输入以上程序，进行编译，确认没有错误后，就可以生成HEX后缀的目标程序代码文件，将这个文件下载到proteus软件中制作好的流水灯电路的单片机中，运行仿真，观察电路效果。
2.5 仿真验证
在编写上述程序时，容易出现错误的地方主要在于变量初值0X01的赋予、左移运算、循环语句及取反的使用这几个点。观察仿真电路图的运行效果时，就要注意是否有出现以上几种错误。如果初值赋予错误或取反使用错误则可能导致流水灯的按顺序亮变成按顺序灭或按顺序亮了以后就常亮着等各种情况。根据仿真图能正常运行点亮灯可判断出电路设计正确与否，根据仿真图流水灯的运行效果是否达到预期可判断出流水灯程序的对错。
在以上三个过程中，理论知识中的电路图设计思路及程序的编写原理都得到了应用，完成了理虚环节的教学。
2.6 实物连接验证
据已经虚拟仿真成功的电路图在相应模块上进行接线操作，完成单片机硬件电路。而软件编程部分可直接使用虚拟仿真过程中生成的HEX后缀的目标程序代码文件，将其下载到实物单片机中。最后，将实物单片机安装到单片机硬件电路中，通电观察实际效果是否与虚拟仿真一致。在这个过程中，可以肯定程序和电路设计是正确的，所以如果效果未正常显示，则可以从其他方面来找原因，如导线连接是否松动、程序是否下载到单片机中等等。该步骤中将虚拟仿真的电路图转换为实物连接电路，则完成了虚实环节的教学。
3 效果评价
笔者曾经试过利用理实教学来教授同样的课程内容，在理论部分讲解后尝试开始实践操作时，发现学生对于基本的对图接线都还存在比较大的问题，有些甚至要一一教导。而最后效果若出现问题，由于不确定是硬件错误，还是编程错误，排故量比较大，有的学生尝试查找一两个方面的错误以后却找不到问题所在，就开始心灰意冷，不愿再多加探究。课堂时间有限，有时老师来不及一一解决，通常也就不了了之，使得学生并没有正常完成需要完成的实践操作。
而同样的内容用上述的理虚实一体化教学模式来讲解的话，多出了虚拟仿真的环节，看似教学环节增加，但教学效率却明显提高。学生在使用虚拟仿真软件制图的过程中，就已经把电路的连接在心里默默记了一遍，明确了单片机与不同元件的连接，在实践操作时就能找准硬件接线，相比理实授课来说，学生咨询怎么接线的情况明显减少。而编程部分，是虚拟仿真和实践操作都需要的，虚拟仿真运行确认了程序的正确性后，在实操时这部分的时间就省略下来了。所以，可以说增加了虚拟环节，其实是把实践环节的部分重难点分担到了虚拟环节。在虚拟环节仅利用计算机来解决一些出现的问题，远比实践操作要容易，不会打击学生的积极性，学生的积极主动性提高了，实践操作的成功率也就提高了，从而也提升了教学效率。教学效率提高了，也就节省了教学时间，故而增加的教学环节并不会增加教学时间。
4 理虚实一体化教学模式与信息化
近些年，全国信息化大赛如火如荼地举行，各种网络教学平台、资源视频也是应运而生。而虚拟仿真以计算机作为载体，也充分体现了信息化技术的发展与应用。小到一个学科当中有固定的虚拟仿真软件可应用，大到一整个网络平台可纳入各种不同的资源。无论是最简单的视频展示，还是比较高科技的VR技术，这些其实都是理虚实一体化教学模式中的“虚”的体现。这类技术的一个好处就在于它立足于一些科技手段，以计算机为载体，具有重复使用性和便捷的传播性。只要这虚拟仿真的内容是利用计算机和网络就可以实现的，那么无论是在学校，还是在家，都可以自己进行巩固学习。从教学的角度来说，这也就调动了学生课外学习的积极性。课外巩固学习到位，课上实践操作才能更得心应手，这無疑是一个互利的过程。
5 结束语
理虚实一体化教学模式的优势是显而易见的，如何来构建这个虚拟仿真，搭建好理论与实践之间的桥梁，这是我们可以研究的一个教学思路。不同的学科会有不同的虚拟仿真，它们有着相同性，更有着不同学科间的差异性。尝试去创新，尝试去改革，我们的教学才能更好地走在前沿，培养出更多符合社会需求的技能型人才。
参考文献：
[1] 曹春雷.理虚实一体化教学模式初探[J]. 中国科教创新导刊， 2012（14）： 94-95.
[2] 林来金.中职电类专业课程理虚实一体化教学模式之探究[J]. 中学理科园地， 2017.13（73）： 9-11.
[3] 王静霞，杨宏丽，刘俐，等. 单片机应用技术（C语言版）.[M]第二版.北京： 电子工业出版社， 2014：49-51.
