基于虚拟仿真技术的单片机课程教学方法优化研究

一、引言

单片机是电子技术与集成电路高速发展的产物，内部集成了包括运算器（CPU）、存储器、I/O 口、中断和定时器在内的所有计算机必备组件，因此它也被称为单片微型计算机 [1]。《单片机应用技术》作为机电类、自动化类专业的核心课程，承担着培养学生“硬件设计 + 程序开发 + 系统调试”综合能力的任务。然而，该课程涉及数字电路、C 语言、接口技术等多学科知识，传统教学中“理论讲授 + 实验室实操”的模式已难以适配高职学生的认知规律，理论学习中抽象概念（如寄存器、中断系统）难以理解，实践环节受设备数量（一台单片机实验箱成本约2000 元，班级规模 40 人需 8 万元投入）、耗材损耗（如芯片烧毁率达15%-20% ）、安全风险（如电源短路）等限制，学生动手机会少、试错成本高，最终导致“学用脱节”。 虚拟仿真技术通过构建“数字孪生”场景，将物理设备、操作流程、故障状态转化为可交互的虚拟环境，实现“低成本重复实操”“高风险场景模拟”“复杂过程可视化”。近年来，教育部在《职业教育信息化发展行动计划（2021-2025 年）》中明确提出“推动虚拟仿真资源建设，提升实践教学质量”，为单片机课程教学改革提供了政策支撑。本文基于高职院校教学实际，以“问题导向-技术适配 - 方法优化 - 实践验证”为逻辑主线，聚焦单片机课程教学痛点，设计虚拟仿真技术支撑的教学方法优化方案，通过“虚实融合”破解传统教学瓶颈，为培养高素质技术技能型人才提供实践路径。

二、单片机课程传统教学现状与核心问题

2.2 教学环节存在明显短板

2.1 教学目标与实际需求脱节

传统教学目标侧重“理论知识记忆”和“基础操作完成”，对“系统设计”“故障排查”等核心能力培养不足。这种以“单片机中断系统”教学为例，教师多聚焦“中断寄存器配置”等理论讲解，却忽视“外部中断触发故障模拟”“多中断优先级冲突解决”等工程场景训练，导致学生毕业后面对实际设备调试时“会接线却不会排错”。

2.2.1 理论与实践割裂

传统教学采用“先理论后实践”的线性模式：教师在课堂讲授单片机结构、指令系统等内容（2-3 课时），随后安排1 次实验室实操（2课时）。由于理论抽象（如“定时器工作原理”）与实践操作（如“LED闪烁程序调试”）缺乏即时关联，学生常出现“课上听懂、操作时茫然”的现象。某高职院校调研显示， 68.3% 的学生认为“理论与实践衔接不自然”。

2.2.2 实践教学受硬件限制

单片机实践需配套开发板、编程器、示波器等设备，单套设备成本约1500-3000 元，多数院校难以实现“一人一套”（通常4-6 人一组），学生实际操作时间被压缩 [2]；同时，设备易因接线错误、电源接反等操作损坏，提高了实践成本，甚至对人身安全造成威胁[3]。教师为降低损耗，常限制“自由试错”环节，导致实践效果打折扣。

2.2.3 教学场景缺乏工程性

传统实验室实操以“验证性实验”为主（如“用单片机控制 LED流水灯”），场景单一且与工业实际脱节。学生难以接触“电机驱动过载保护”“传感器信号干扰”等真实工程问题，导致“实验室能操作，工厂不会用”的能力断层。

2.3 教学评价体系单一

传统评价以“期末笔试 + 单次实操考核”为主，占比分别为 60% 和 40% 。笔试侧重理论记忆，难以反映实践能力；实操考核多要求完成固定任务（如“编写按键控制蜂鸣器程序”），无法评估学生的创新设计与问题解决能力。评价结果与“岗位能力需求”关联性弱，无法为教学改进提供有效反馈。

三、虚拟仿真技术在单片机教学中的应用基础

3.1 核心技术适配性分析

虚拟仿真技术通过计算机建模、实时渲染、交互控制等技术，构建与真实场景一致的虚拟环境，其核心特性与单片机课程需求高度契合：

以Proteus 虚拟仿真平台为例，其可实现“电路图设计- 程序编写-在线调试 - 结果显示”全流程模拟：学生无需真实开发板，即可在虚拟环境中搭建单片机与 LED、传感器的连接电路，编写 C 语言程序后实时观察运行效果，若出现“引脚接错”等问题，虚拟系统会显示“设备过载”提示而非实际损坏，显著降低实践门槛[4]。

3.2 教学价值定位

1. 降本增效：虚拟仿真设备一次性投入（单套软件授权约5000 元）可支持无限次使用，较传统硬件（年均损耗成本 2 万元 / 班级）降低60% 以上成本；同时突破时空限制，学生可通过校园网访问平台，实现“随时随地实操”。

2. 分层教学：虚拟平台可设置“基础模式”（自动提示错误）、“进阶模式”（仅显示现象）、“工程模式”（加入干扰因素），适配不同基础学生的学习需求，解决传统教学“优生吃不饱、差生跟不上”的问题。

3. 能力衔接：通过构建“工业场景虚拟项目”（如“智能仓储单片机控制系统”），将分散的知识点整合为完整项目，帮助学生建立“从知识点到系统设计”的思维闭环，强化岗位能力衔接。

四、基于虚拟仿真技术的单片机教学方法优化设计

4.1 优化目标：

构建“三维能力”培养体系 以“知识掌握- 技能应用- 素养形成”为核心，确立分层目标：

知识维度：通过虚拟可视化，使学生掌握单片机硬件结构、指令系统等理论知识，理解率提升至 90% 以上；

技能维度：通过虚拟实操与虚实融合训练，使学生具备“电路设计-程序开发 - 系统调试 - 故障排查”全流程能力，实操任务完成率提升至85% 以上；

素养维度：通过虚拟项目协作，培养学生的工程思维、创新意识与团队协作能力，岗位适配度提升至 80% 以上。

4.2 “三阶五维”教学环节重构

基于“认知 - 实践 - 迁移”学习规律，结合虚拟仿真技术设计闭环教学环节：

4.2.1 课前：虚拟预习阶段（知识铺垫） 依托虚拟仿真平台制作“微课件”，包含：

虚拟认知模块：3D 动画演示单片机内部结构，学生可通过拖拽操作观察“CPU 与存储器数据交互”过程，理解“程序执行原理”等抽象概念；

前置任务模块：发布“虚拟小任务”（如“用虚拟单片机控制一个 LED 点亮”），学生完成后平台自动记录操作数据（如接线时间、错误次数），教师通过后台查看预习情况，针对性调整课堂内容。 某高职院校实践显示，课前虚拟预习可使课堂理论讲解时间缩短 40% ，将更多时间留给实操训练。

4.2.2 课中：虚实融合阶段（能力训练） 采用“虚拟仿真为主、真实操作为辅”的混合模式，分为三个层次：

1. 虚拟基础实操：课堂上，教师借助虚拟仿真平台，演示“单片机最小系统搭建”等基础操作，学生同步操作，平台实时反馈错误（如“电源极性接反”）并提供修正建议，帮助学生快速掌握基本流程。

2. 虚实结合调试：学生在虚拟平台完成程序编写与初步调试后，接入真实硬件（如将虚拟环境中设计好的控制程序下载到真实单片机开发板），进行联合调试。此环节可帮助学生理解虚拟与现实差异，提升应对实际问题能力。

3. 故障模拟解决：教师在虚拟平台设置“电阻短路”“程序死循环”等故障，学生通过观察现象（如LED 灯异常闪烁、传感器数据乱码）、运用所学排查解决，锻炼故障诊断能力。 以“温度控制系统设计”为例，学生先在虚拟环境搭建电路、编写温控程序，观察温度曲线变化；再将程序烧录至真实开发板，连接温度传感器，调试解决如“温度跳变”等实际问题，实现从虚拟到现实的能力迁移。

4.2.3 课后：拓展提升阶段（能力迁移）

1. 虚拟项目拓展：发布“智能家居单片机系统设计”等综合性虚拟项目，学生分组完成“功能模块设计 - 系统集成 - 性能优化”全流程开发，教师在线指导，培养团队协作与系统设计能力。

2. 线上线下答疑：依托课程学习平台，学生提交项目中遇到的问题，教师定期组织线上答疑；同时开放实验室，学生可预约时间进行线下实操验证，形成“线上问题- 线下解决”的闭环[5]。

4.3 多元化评价体系构建

1. 过程性评价（ 50% ）：记录学生在虚拟预习、课堂实操、课后项目中的操作数据（如操作步骤正确性、完成时间）、问题解决情况（如故障排查思路），通过平台自动评分与教师主观评价结合，评估学生学习过程表现。

2. 阶段性考核（ 30% ）：每完成一个知识模块（如定时器、中断），进行线上虚拟考核，设置“理论知识选择 + 虚拟实操任务”，限时完成并自动批改，检验学生阶段学习成果。

3. 终结性评价（ 20% ）：期末采用“虚拟项目答辩 + 实物作品展示”形式，学生展示综合项目成果，阐述设计思路、创新点，评委从功能实现、技术应用、团队协作等维度打分，全面评估学生能力。

五、教学实践效果验证

5.1 实践对象与周期

选取安徽粮食工程职业学院机电一体化技术专业 2 个平行班级为研究对象，其中实验班（45 人）采用虚拟仿真优化教学方法，对照班（43人）采用传统教学。实践周期为一学期（16 周，32 课时理论 +16 课时实践）。

5.2 效果评估指标

1. 理论知识测试：期末统一命题考试，涵盖单片机结构、指令系统、接口技术等知识点，检验学生理论掌握情况。

2. 实践操作考核：设置“智能小车控制系统设计”实操任务，从电路搭建、程序编写、系统调试、故障解决等维度评分，评估实践能力。

3. 学习兴趣调查：学期初、末发放问卷，调查学生对单片机课程的兴趣度（1-5 分，1 分为完全无兴趣，5 分为非常感兴趣）。

5.3 结果分析

1. 理论知识：通过期末统一命题考试（满分 100 分），实验班与对照班理论知识掌握情况如表 1 所示：

实验班平均成绩 78.6 分，较对照班（63.2 分）提升 23.6% ，且 90分以上学生占比 15.6% （对照班为 3.5% ），这得益于虚拟仿真技术将 “寄存器配置”“中断响应” 等抽象理论转化为动态可视化过程，帮助学生建立 “抽象概念 - 具象过程” 的关联记忆，而非机械记忆知识点。这表明虚拟仿真辅助下学生对理论知识理解更深入。

实践操作：以 “智能小车控制系统设计” 为实操考核任务（满分100 分，分 4 个维度评分），结果如表 2 所示：

实验班在电路搭建、程序调试等环节表现显著优于对照班，操作能力提升 31.2% ，其中 “程序编写” 提升最显著，为 37.7% 。因虚拟仿真平台支持 “即时编写 - 实时运行 - 错误提示” 闭环，学生可快速修正逻辑错误；“故障解决” 提升相对平缓，说明虚拟故障模拟虽能培养排查思路，但真实设备故障的随机性仍需线下强化。

学习兴趣：通过学期初、末问卷调查（1-5 分，分值越高兴趣越强），结果如下表及表 3 所示：

学期末调查显示 ： 实验班兴趣度学期末平均分为 4.2 分，较学期初提升 42.5% ， 学习兴趣提升幅度显著高于对照班，核心原因在于虚拟仿真技术降低了“操作失败 - 设备损坏 - 信心受挫”的负面循环：学生可在虚拟环境中自由试错（如故意接反电源观察现象），且平台通过动画、音效反馈增强交互趣味性（如程序运行成功时显示 “恭喜！系统正常启动”），使抽象的单片机技术变得“可感知、可操作、可成就”。

六、结论与展望

本文通过对单片机课程传统教学问题剖析，引入虚拟仿真技术构建“三阶五维”教学体系，实现从理论到实践、从基础到拓展的全流程优化。实践证明，该方法可有效提升学生理论与实践能力、激发学习兴趣，为高职院校机电类课程教学改革提供可行路径。未来，随着虚拟现实（VR）、增强现实（AR）技术发展，可进一步开发沉浸式虚拟实训场景，实现“人机物”深度交互；同时结合人工智能算法，为学生提供个性化学习路径推荐，持续提升教学质量。

参考文献

1. 唐琳 ， 刘星月 ， 廖先莉 ， 等 . 仿真与实验相结合的单片机实验教学研究 [J]. 实验技术与管理 ，2019，36（04）：213-216.DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2019.04.050.

2. 郭彩霞 ， 王肖烨 ， 李春磊 ， 等 . 单片机实践教学的数字化改革[J]. 长江信息通信 ，2023，36（10）：79-81.

3. 帕孜来·马合木提 . 虚拟仿真平台在单片机教学改革中的应用 [J]. 中国现代教育装备 ，2023，（13）：25-27.DOI：10.13492/j.cnki.cmee.2023.13.055.

4. 叶梦君 ， 胡长晖 ， 焦冰 ， 等 . 基于 Proteus 的单片机综合实验案例设计与实践探究 [J]. 电脑知识与技术 ，2023，19（14）：18-21.DOI：10.14004/j.cnki.ckt.2023.0743.

5. 杨日容 . 高职院校《单片机应用技术》课程教学改革研究与实践 [J]. 时代汽车 ，2023，（07）：56-58.

基金项目：2024 年安徽省职成教课题（虚拟仿真技术在机电类课程教学中的应用研究 -- 以《单片机应用技术》课程为例，编号：AZCJ2024121; 基于“三融三新”模式下高职机电类专业课程改革与实践研究——以《电工电子技术》课程为例，编号：AZCJ2024115；高水平现代产业学院建设背景下现场工程师培养模式的研究，编号：AZCJ2024113）

作者简介：王锦谟：（1995—），男，助教，研究生在读，研究方向为轨道交通机电技术、职业教育。