虚拟实验在LED数码管多位动态显示教学中的应用

虚拟实验在LED数码管多位动态显示教学中的应用

虚拟实验在LED数码管多位动态显示教学中的应用 篇1

虚拟实验在LED数码管多位动态显示教学中的应用

作者简介作者简介：蒋宏伟(1967-)，男，江苏省昆山第二中等专业学校高级教师，研究方向为计算机程序设计、单片机应用。1LED数码管多位动态显示教学难点

LED数码管是单片机控制系统中最常见的显示设备之一，它具有亮度高、价格低、寿命长、对电流和电压要求低、与单片机连接方便等诸多优点。但是LED数码管又是占用单片机端口资源的“大户”。为了克服LED数码管这个致命的缺点，在实际应用时会想很多办法，数码管多位动态显示便是其中巧妙的方法之一。同时还可以运用各种I/O端口扩展的方法，让数码管多位动态显示以更加节省资源。但是正因为这个“动态”，给其原理的理解增加了许多难度，如果再和各种端口扩展结合在一起，就让学生更难以理解。多位数码管动态显示与各种端口扩展结合在一起，注定了硬件结构的千变万化。如果在教学中不注重让学生理解本质原理，而是针对某一固定的硬件背几段程序，这种教学极不利于学生今后的工作。因此，必须通过合理的教学设计，特别是运用信息技术手段突破教学难点，让学生真正地掌握基本原理，并适应工作中的各种变化。

2虚拟实验对传统实验的突破

2.1实验在单片机教学中的地位

“单片机原理及应用”是一门理论性和实践性都很强的课程。戴尔的“经验之塔”理论指出，最底层的经验即做的经验是最直接最具体的经验，越往上升越抽象。教育应从具体经验入手，逐步过渡到抽象经验，有效的教学方法，应首先给学生丰富的具体经验。单片机课程实验可以让学生获得丰富的直接体验，是学习单片机课程的重要内容。

2.2单片机课程传统实验教学方式的弊端

实际教学中，传统的实验方法存在许多问题。首先，因实验设备数量有限，教学中只能分组进行实验，组内成员间相互依赖性较强，不利于培养全体学生的动手能力、创新能力和综合运用知识的能力；其次，实验只能在实验室中进行；往往是以教师为中心，学生在规定的时间内，用统一的模式，按照指导书上规定的步骤做相同的验证式实验，而在课前预习和课后作业阶段一般也只能“纸上谈兵”，这不利于激发学生的学习兴趣和主观能动性；最重要的是传统的实验箱硬件结构固定，使得教师很难根据教学要求由浅入深地灵活重组和设计实验，对于硬件上的新变化、新技术，更难以应对；另外，硬件的损耗、故障等，都会影响实验的效果，这不利于教学的组织，对学生理解原理和学习知识造成了干扰。

2.3运用虚拟实验能够突破传统实验的束缚

虚拟实验是现代信息技术发展的产物，虚拟实验室的开发与应用将对实验教学产生革命性影响。

奥苏伯尔的“认知结构迁移”理论提出了影响迁移的认识结构的3个主要变量，即可利用性、可辨别性和稳定性。可利用性是指在面对新知识的学习时，学习者原有认知结构中是否具有用来同化新知识的适当观念；可辨别性是指面对新知识的学习时，学习者能否清晰分辨新旧知识间的异同；稳定性是指面对新知识的学习时，用来同化新知识的原有知识是否已被牢固掌握。学生在某一领域的认知结构越具有可利用性、可辨别性和稳定性，就越容易导致正迁移。虚拟现实技术及相关技术的发展水平已使其可以胜任对真实实验室的模拟。虚拟实验系统的虚拟性、实践性、灵活性，使其在建立概念、弄清原理、培养解决问题的方法和能力方面具备了实际实验所不具备的某些特殊优势。通过虚拟实验室反复实验所获得的体验，可以顺利地迁移到真实设备上。

Proteus是世界上著名的EDA工具，它实现了从原理图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。运用Proteus 构建虚拟实验室，实现了拥有一台PC机就拥有一间实验室的梦想。它可以将复杂的教学问题进行分解，可以将不便观察的现象仿真演示，可以将实验从实验室扩展到学生课前预习和家庭作业中，充分发挥了信息化教学的作用。

3虚拟实验在LED数码管多位动态显示教学中应用的难点LED数码管多位动态显示原理和相应的端口扩展方法，是学生较难掌握的知识难点。在教学过程中，如果能恰当地利用虚拟实验易于观察、变化灵活的特点，对教学知识点进行合理分解，每个知识点均配以相应的实验，在所有知识难点都得以突破后，再进行综合运用和真实实验，则会取得很好的教学效果。

3.1运用虚拟实验认识“位选”概念

数码管多位动态显示的硬件连接特点是将各个数码管字型码端口连接在一起，理论上从单片机中送出的字型码会被所有数码管接收。在这种情况下如何让每只数码管分别显示不同的字型，是学生难于理解的第一个问题，为此设计如图1所示的实验。通过程序送出字型码的同时，用开关手动控制每只数码管公共端的高低电平，让学生清楚地看到字型码有选择地送达不同数码管的过程，从而弄清很重要的“位选”概念。

图1用虚拟实验中认识“位选”

3.2运用虚拟实验感受“动态”的原理

在了解了“位选”的概念后学生又会有另一个疑惑：为什么数码管明明是轮流显示的，可看上去却同时显示？这时再通过另一个虚拟实验（见图2），用程序去控制公共端电平的切换，并逐渐加快电平切换的速度，学生最终会看到一个奇迹，尽管数码管是轮流显示的，但最终看上去却同时稳定地显示了。在观察到上述现象后，再向学生揭示人眼的“视觉暂留”现象，从而帮助理解这个“动态”的概念，为进一步学习控制程序打下基础。

图2用虚拟实验感受“动态”

图3用虚拟实验体验端口扩展

图4用虚拟实验培养综合运用能力

3.3运用虚拟实验体验端口扩展方法

通过前面的学习，学生已掌握了数码管多位动态显示的基本原理与编程方法。在上述硬件连接中，为了实现8位数码管的显示，共占用了两组完整的端口。