《微機系統與接口技術》課程實驗設計

朱曉梅　包亞萍　李義豐　何風

摘要：《微機系統與接口技術》是高等院校理工科非計算機專業學生必修的一門計算機基礎教育課程，也是高等教育電類本科生的專業基礎平臺課，在整個課程體系中起著承上啟下的關鍵作用。從現有的實驗教學存在的問題出發，對實驗教學內容和教學方法兩方面進行深入研究，借助于虛擬實驗系統使學生具有靈活的微機系統開發設計能力，從而進一步培養學生的創造能力，以達到新時期對電子專業卓越工程師的培養要求。

關鍵詞：微機系統；接口技術；Proteus；實驗設計；虛擬實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）17-0269-02

一、引言

《微機系統與接口技術》課程是通信、電子、信息工程、自動化、機械電子及相關專業的基礎課程。在該課程的教學中，學生對8086系統中的內存訪問、可編程接口芯片與CPU的接口設計以及匯編語言編程感到非常抽象難以掌握，而現在的基于固定實驗箱的實驗方法由于其內部線路已經連好、實驗內容固定、實驗方法固定、實驗地點固定和實驗時間有限的問題，沒有足夠的機會給學生進行學習、練習和實踐所學知識。另外，教學實踐中往往先進行理論教學后實驗教學，使課程的理論部分與實驗部分脫節，上述問題逐步成為本課程發展的障礙。本文基于筆者所在教研組的教學實踐，討論《微機系統與接口技術》課程實驗教學在內容和方法的設計改革方法。

二、關于實驗內容的探討

1.實驗內容要從分散性向系統性改變。該課程本身系統性非常強，目前大多院校幾個開設該課程的專業，實驗內容從要求上一般分為：驗證性、設計性和綜合性，從內容上又分為：軟件實驗和硬件實驗。實驗內容的設計不管哪種分類都比較零散，常常一個芯片一個實驗，兩個實驗常常處于割裂狀態，導致學生分割地去看待每個實驗所學習的知識，這與課程本身的特點和要求相悖。在多次實驗中，學生慢慢失去學習興趣，教學效果不理想。

以上的問題對實驗教學提出挑戰。教師在設計實驗內容時應從整體上把握本課程實驗設計的所有知識點，再從系統的角度出發，設計合理的實驗內容，盡量包含本課程的所有知識點，如8086與內存的訪問、與8255并口芯片接口、與8251串口芯片接口、與8253定時器芯片的接口與8259中斷控制器接口、8259與其他接口芯片間的接口、與8237DMA控制器以及8237與其他接口芯片間的接口。實驗內容要求整體上具有實現某種功能系統性，而細分到每次實驗恰好又是與課堂所學理論知識點的同步具體體現。這樣學生在第一次做實驗時就形成系統的概念，理解系統的各個組成部分，其后的每次實驗就是在原有系統上增加模塊，向完整的系統更近一步。整個知識點學習完成時，多次的實驗形成了一個大系統，學生進一步加深理解該課程的工作原理和特點，掌握芯片設計應用的同時，充分理解知識的系統性。

2.實驗內容要與專業方向、實際應用緊密聯系。上述的系統性的實驗可以認為是多個基礎性驗證性實驗的綜合體。當然為了課程需要，該課題往往還需要設計性或者綜合性實驗。在實驗選題上除了考慮系統性外，還有一個重要的方面就是要考慮實驗與專業方向和實際應用的緊密聯系。由于本課程作為多個專業的專業基礎課程，對專業的學習起著非常重要的作用。學生對學完這門課我到底知道什么？能做什么？對今后其他課程的學習和專業的學習到底有什么作用？這些問題都非常關心。目前各專業在本課程的教學中大多專業區別不明顯，并沒有顯示出專業特色。筆者所在的教研組通過多年的教學試驗發現在實驗、實習、課程設計課程中，學生對那些專業性較強的且與實際應用緊密相關的課題非常感興趣（如音樂播放器、電子琴、智能小汽車等），并會付出更多努力去實現學習要求，學習主動性和積極性明顯增高，教學效果也因此大大提高。因此，對于電子、自動化、通信以及機械等專業領域，不妨在設計綜合性實驗時也兼顧到各自的相關專業的應用背景，增強本課程的專業性和實用性，提高學生的學習興趣。

三、關于實驗方法的探討

1.因材施教，提供多層次的實驗要求。在教學中應以學生為主體，充分了解學生的學習和掌握知識的情況后，在原有的基礎性實驗內容上提出設計性實驗的不同層次要求。筆者在教學中以實驗室現有的實驗系統為平臺，為每個實驗都設計了不同層次的要求，學生根據自己的能力，選擇不同的實驗要求。下面以“8255并行接口”實驗為例，談談實驗多層次要求的構思。（1）實驗目的：學習并掌握8255的工作方式及其應用；掌握8255典型應用電路的接法。（2）實驗內容：①基本輸入輸出實驗。編寫程序，使8255的A口為輸入，B口為輸出，完成撥動開關到數據燈的數據傳輸。要求只要開關撥動，數據燈的顯示就發生相應改變。②流水燈顯示實驗。編寫程序，使8255的A口和B口均為輸出，數據燈D7—D0由左向右，每次僅亮一個燈，循環顯示，D15—D8與D7—D0正相反，由右向左，每次僅點亮一個燈，循環顯示。（3）實驗設計的具體思路：①看懂實驗指導書提供的實驗步驟和參考程序，逐條讀懂，并寫出注釋，按照步驟完成實驗演示；②在①基礎上，調整流水燈的流水方向由右向左，重新修改程序，完成實驗要求；③鼓勵學生在看懂電路和實驗要求后，自己編程，實現流水燈顯示實驗，并能夠控制流水的方向；④給出交通燈工作原理及其要求（東西南北四個方向各有紅燈和綠燈，設南北方向為主道，其綠燈亮的時間為東西方向綠燈的2倍，在綠燈變為紅燈前綠燈先閃爍5次，然后綠燈滅，紅燈亮），讓學生在現有實驗平臺上提出具體方案，畫出流出圖，編寫程序，并在實驗箱上演示效果。結果表明，電子專業四個班級中大概有10%到15%的學習能力較強的同學能夠在實驗前進行預習、設計，并初步完成要求（4）的任務，最終在實驗中實現系統完成演示。有30%的學生能夠在實驗前進行編程，并初步完成要求（3）的任務，在實驗中完成演示。50%的學生能夠在實驗前進行編程，并初步完成要求（2）的任務，在實驗中完成演示。5%左右學生選擇完成任務（1），基本達到實驗的要求。由此可以看出，此教學方法取得了較好的效果，大多數學生具有較濃的學習興趣，15%的學生具有較高的學習能力，能夠在實驗中得到充分的鍛煉。

2.借助仿真軟件，融實驗與理論一體。國外一些高校，在實踐性較強的專業課的教學過程中堅持做到理論與實驗的學時對半分，如該課程一共64學時，則理論和實驗各占32學時。另外，在碰到一些難以接受的理論知識點的講解時直接在實驗室進行教學，將理論教學與實驗教學融為一體，做到邊教邊學，邊學邊用，從而提高教學效果。國內高校由于學生人數多，教師、實驗室資源相對不足等原因，不能完全照搬國外的教學方法。近年來計算機輔助設計軟件技術的飛速發展，為上述問題提供了良好的解決方案。

在理論教學中借助EMU8086軟件，將程序的編寫、修改、匯編、連接以及單步調試等方面進行演示教學，學生很快就掌握語句的應用和學習方法。另外，學生還可以借助此軟件自主地利用課余時間去學習新的語句、理解不懂的語句以及編寫各種程序。在實驗教學中，通過上述的教學方法，學生能夠在軟件平臺上理解相關電路并自主地編程程序，學習過程不再依賴于實驗室固定的時間、空間、設備和實驗內容的限制，可作為傳統實驗教學的有益補充。此外，在省、校、院級大學生創新項目、本專業實踐類課程教學中如Project、課程設計、畢業設計等環節，學生利用虛擬實驗系統進行設計開發微處理器系統。

四、結論

通過本文的研究探討，引導教師深入《微機系統與接口技術》的實驗教學內容和方法的改革，不斷更新教育思路和方法，提高教師自身的教學水平。通過合理的實驗教學內容和方法設計，能夠有效地發揮學生的主體作用，激發學生學習的積極性和主動性，培養學生學習的興趣，從而提高課堂效率。虛擬實驗系統的建設可以為學生提供開發系統的鍛煉平臺，提供學生的創新能力和工程實踐能力，為培養電子專業卓越工程師提供保證措施。

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