基于研究性教學(xué)的接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

秦金磊,朱有產(chǎn)

(華北電力大學(xué)(保定) 計(jì)算機(jī)系,河北 保定 071003)

研究性教學(xué)是提高高校教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)高層次創(chuàng)新型人才的必然選擇。國(guó)內(nèi)外的眾多高校都進(jìn)行了研究性教學(xué)的實(shí)踐[1-6]。接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)是微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的重要實(shí)驗(yàn),學(xué)生通過該實(shí)驗(yàn)?zāi)苌羁汤斫庥?jì)算機(jī)接口的工作原理,掌握各種接口技術(shù),但由于接口部分涉及的硬件系統(tǒng)關(guān)系復(fù)雜、內(nèi)容抽象、枯燥,一直存在教師難教、學(xué)生難學(xué)的問題。盡管已經(jīng)有一些高校對(duì)此進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐改革[7-9],但仍然缺乏一個(gè)系統(tǒng)融合各個(gè)接口芯片使用技術(shù)的實(shí)踐環(huán)節(jié)。為此,在深刻理解研究性教學(xué)的內(nèi)涵基礎(chǔ)上,以循序漸進(jìn)的理念設(shè)計(jì)接口技術(shù)實(shí)驗(yàn),激發(fā)學(xué)生的研究興趣,提高學(xué)生硬件設(shè)計(jì)水平及創(chuàng)新能力,為接口技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)提供新的思路。

1 研究性教學(xué)的實(shí)施要點(diǎn)

研究性教學(xué)是一種在教師指導(dǎo)組織下,學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐的教學(xué)模式[10]。其核心在于通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐的過程,獲得新知識(shí)、新技能,進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)[11-12]。為切實(shí)提高研究性教學(xué)的效果,應(yīng)著力解決好以下幾個(gè)問題:

首先,教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)取舍。研究性教學(xué)和傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)的最大區(qū)別在于學(xué)生自主學(xué)習(xí)來獲得知識(shí)。因此,對(duì)于學(xué)生能夠看得懂的內(nèi)容、很容易找到答案的內(nèi)容,不應(yīng)該在課堂上講授,作為預(yù)習(xí)內(nèi)容留給學(xué)生在課外時(shí)間自行解決。

其次,問題情境的合理設(shè)計(jì)。研究性教學(xué)應(yīng)當(dāng)把呈現(xiàn)問題、解決問題作為探究新知識(shí)的切入點(diǎn)。在學(xué)生已有知識(shí)的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)新問題,學(xué)生通過分析問題、解決問題自主構(gòu)建新的知識(shí)。這就要求教師要具有良好的教學(xué)設(shè)計(jì)能力,主要包括與學(xué)習(xí)主題相關(guān)的情境創(chuàng)設(shè)、必要信息資源的提供、合作學(xué)習(xí)的組織和探究性學(xué)習(xí)方法的指導(dǎo)等。

再次,教師角色的徹底改變。在研究性教學(xué)實(shí)踐過程中,教師的職責(zé)發(fā)生重大變化。教師不再對(duì)內(nèi)容詳細(xì)講授,而是側(cè)重講基本理論、基本技能和基本方法。更重要的是,教師在教學(xué)過程中起組織者和引導(dǎo)者的作用,要在推動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、組織學(xué)生調(diào)查研究、給予學(xué)生幫助和點(diǎn)評(píng)、成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)等方面做出詳細(xì)規(guī)劃并實(shí)施。教師主導(dǎo)的作用發(fā)揮得越恰當(dāng)、越充分,學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位就越鞏固,學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和興趣就越易被激發(fā),對(duì)新知識(shí)的探究欲望就會(huì)越強(qiáng)烈。

2 接口技術(shù)的教學(xué)特點(diǎn)

接口技術(shù)主要包含以8086微處理器為核心的I/O技術(shù)、中斷技術(shù)及可編程中斷控制器8259A、定時(shí)/計(jì)數(shù)器8253和并行接口8255A等芯片的使用。通過培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)硬件和軟件基礎(chǔ)知識(shí)的能力,達(dá)到能夠利用外圍I/O接口芯片設(shè)計(jì)、開發(fā)小規(guī)模計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的目的。在該部分內(nèi)容的教學(xué)過程中,學(xué)生對(duì)I/O接口芯片與CPU連接方式、I/O與CPU之間以中斷方式進(jìn)行信息交換以及可編程接口芯片的復(fù)雜內(nèi)部工作方式的設(shè)定等內(nèi)容感到難以掌握。除了應(yīng)在教學(xué)過程中采用研究性教學(xué)方法外,在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)還存在如下問題：

首先,實(shí)驗(yàn)設(shè)施陳舊。接口技術(shù)要求學(xué)生要具備扎實(shí)的硬件知識(shí)基礎(chǔ),并通過實(shí)踐才能深刻理解接口技術(shù)的原理。目前多數(shù)高校以集成接口實(shí)驗(yàn)箱的形式提供給學(xué)生使用,由于元器件老化、設(shè)計(jì)缺陷等原因使得故障率較高。另外，像示波器、開發(fā)板、仿真器等設(shè)備,由于資金需求大、建設(shè)周期長(zhǎng)等原因未能及時(shí)配備。欠缺的硬件教輔設(shè)備和故障率較高的實(shí)驗(yàn)箱,使學(xué)生學(xué)習(xí)硬件知識(shí)變得更加抽象、乏味，尤其是對(duì)于基礎(chǔ)較差的學(xué)生而言,會(huì)造成很大的學(xué)習(xí)困難,從而導(dǎo)致缺乏學(xué)習(xí)的信心和興趣。

其次,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容脫節(jié)。接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)既包含對(duì)單個(gè)芯片功能的簡(jiǎn)單驗(yàn)證,還要求掌握對(duì)多個(gè)芯片構(gòu)成的系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)應(yīng)用。但現(xiàn)在多數(shù)高校所采用的集成實(shí)驗(yàn)箱,學(xué)生簡(jiǎn)單地按照既定的接線方式、輸入固定的程序來完成驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),無法體會(huì)其內(nèi)部的構(gòu)成及信號(hào)的變化過程,不利于學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和創(chuàng)新欲望的培養(yǎng)。對(duì)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),學(xué)生更是一頭霧水,對(duì)譯碼電路的設(shè)計(jì)、芯片功能的選擇等無從下手,最終導(dǎo)致抄襲現(xiàn)象的發(fā)生。

3 接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)及思路

針對(duì)上述在接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)中存在的問題,將研究性教學(xué)方法應(yīng)用于接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中。充分運(yùn)用問題探究、情境設(shè)定等方法,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和領(lǐng)會(huì)接口技術(shù)的原理及本質(zhì),培養(yǎng)和提高學(xué)生的綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)接口技術(shù)的能力,為更好地利用接口技術(shù)解決實(shí)際問題奠定基礎(chǔ)。

由于仿真軟件不僅可以提供豐富的設(shè)備，而且便于學(xué)生使用,故采用廣泛應(yīng)用的Proteus仿真平臺(tái)[13]，以交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為目標(biāo),將接口技術(shù)實(shí)踐環(huán)節(jié)需要掌握的各種芯片及技術(shù)融合到該系統(tǒng)中。學(xué)生通過完成該系統(tǒng)的學(xué)習(xí)實(shí)踐,既可實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)接口芯片功能的學(xué)習(xí),還能培養(yǎng)具有多個(gè)接口芯片的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)能力。

3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募叭蝿?wù)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?要求掌握8086CPU與常用I/O接口芯片的連接方式、地址譯碼、常用I/O技術(shù)、可編程接口芯片8255A、8253及8259A等的使用方法。

實(shí)驗(yàn)任務(wù):利用Proteus仿真平臺(tái)搭建基于8086CPU的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)。注意,該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)按照逐步利用簡(jiǎn)單I/O技術(shù)、8255A、8253以及8259A的順序來實(shí)現(xiàn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

在明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)之后,教師應(yīng)該利用研究性教學(xué)方法，設(shè)計(jì)合理的問題情景來呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,通過分析問題、解決問題引導(dǎo)學(xué)生自主探究并掌握新的知識(shí)。在每次實(shí)驗(yàn)過程中,教師要引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)任務(wù)和需要具備的知識(shí)點(diǎn),將研究性教學(xué)的方法滲透到整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中。

3.3.1 實(shí)驗(yàn)一:利用簡(jiǎn)單接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)

本次實(shí)驗(yàn)作為接口基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)原理簡(jiǎn)單,但需要具備較多的知識(shí)點(diǎn):鎖存器接口芯片74LS373與CPU地址線的連接方式及地址鎖存原理、74LS273作為輸出接口芯片的應(yīng)用、利用74LS138譯碼器進(jìn)行地址譯碼選擇的應(yīng)用、LED燈及虛擬儀器邏輯分析儀、示波器等的使用等。

圖1 簡(jiǎn)單接口交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)

該實(shí)驗(yàn)中涉及的代碼較簡(jiǎn)單,主體為循環(huán)結(jié)構(gòu)。循環(huán)體內(nèi)順序改變南北方向和東西方向的紅、黃、綠燈信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)仿真效果,其中的延時(shí)可由軟件完成。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)二:利用并行接口芯片8255A實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)

本次實(shí)驗(yàn),著重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)8255A的使用,教師需要引導(dǎo)學(xué)生理解8255A可編程芯片的工作方式、初始化編程等知識(shí)點(diǎn)。

圖2 8255A芯片的連接方式

在主體代碼結(jié)構(gòu)不變的前提下,僅需要將74LS273的輸出改為8255A輸出即可。學(xué)生應(yīng)注意的是,由于可編程接口芯片的特殊性,在使用之前需要先完成對(duì)8255A的初始化編程，即首先指明8255A的各個(gè)端口的工作方式、數(shù)據(jù)的傳送方向(輸入還是輸出),然后再利用8255A的A口輸出信號(hào)到LED燈。

3.3.3 實(shí)驗(yàn)三:利用8253實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)中的精確定時(shí)

為引導(dǎo)學(xué)生如何理解精確定時(shí),應(yīng)當(dāng)指出利用軟件方法實(shí)現(xiàn)的延時(shí)盡管方法簡(jiǎn)單,但時(shí)間不夠精確。為此,需要組織學(xué)生探究如何利用8253實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)。通過在系統(tǒng)中加入8253,不僅可以激發(fā)學(xué)生掌握8253的初始化編程、常用的工作式等內(nèi)容外,還可以理解一個(gè)系統(tǒng)中存在多個(gè)芯片時(shí)如何確定各個(gè)芯片的譯碼地址。

利用圖 2中74LS138譯碼器的Y1輸出端作為8253的譯碼信號(hào),可以確定出8253的計(jì)數(shù)器0、1、2和控制字寄存器端口分別共占用9000H、9002H、9004H和9006H。由于選擇計(jì)數(shù)器0的方式0作為精確計(jì)時(shí)的輸出波形,可將計(jì)數(shù)器0的輸出端Out輸入到8255A的PC7,通過方式0計(jì)數(shù)結(jié)束在PC7端上產(chǎn)生的高電平信號(hào)作為精確計(jì)時(shí)結(jié)束的依據(jù)。為此,需要設(shè)置8255A的C口高4位用于輸入接口。該部分的電路連接如圖 3所示。

圖3 8253用于精確計(jì)時(shí)的電路連接圖

代碼方面,需要在主程序開始前分別完成8255A和8253的初始化編程。在延時(shí)子程序中,通過查詢方式不斷地檢測(cè)PC7上的電平信號(hào)是否為高,作為精確計(jì)時(shí)結(jié)束的依據(jù)。

3.3.4 實(shí)驗(yàn)四:利用8259A實(shí)現(xiàn)緊急事件的處理

以實(shí)際生活中遇到的交通管制等特殊事件為例,組織學(xué)生開展中斷技術(shù)和8259A中斷控制芯片的學(xué)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)三的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生理解掌握中斷的基本過程、中斷向量表的初始化、8259A的初始化編程和中斷服務(wù)程序的編寫等知識(shí)點(diǎn)。

在圖 3中增加對(duì)8259A芯片的譯碼選擇,其對(duì)應(yīng)的2個(gè)地址分別為0A00H和0A002H。緊急事件的請(qǐng)求由“緊急”按鈕觸發(fā),送入8259A的引腳IR7,8255A的PC4口作為解除緊急事件的輸入,電路設(shè)計(jì)如圖 4所示。

由于中斷技術(shù)的特點(diǎn),需要在主程序開始前分別完成8259A的初始化編程、中斷向量表的初始化、開中斷等環(huán)節(jié)。根據(jù)電路原理設(shè)計(jì),在中斷服務(wù)子程序中需要利用查詢方式不斷檢測(cè)“解除”按鈕的狀態(tài),以判斷是否退出當(dāng)前中斷服務(wù)子程序。若在PC4口輸入低電平,則退出當(dāng)前的中斷服務(wù)；否則,一直處于中斷服務(wù)狀態(tài)。

該接口技術(shù)實(shí)踐環(huán)節(jié),具有較好的開放性。學(xué)生在掌握了基本的接口技術(shù)和常用芯片外,還可以增加對(duì)其他接口設(shè)備的使用,如七段數(shù)碼管、點(diǎn)陣等,設(shè)計(jì)出功能更加完善的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)。

通過以上的研究性教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié),教師精心設(shè)計(jì)實(shí)踐任務(wù),指導(dǎo)學(xué)生利用Proteus仿真平臺(tái)完成實(shí)踐任務(wù)要求。在教師的引導(dǎo)下學(xué)生不僅可以開展自主學(xué)習(xí),還可以讓學(xué)生分組討論,闡述自己對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解

和求解問題的思路。最后再由教師歸納、總結(jié),強(qiáng)化學(xué)生的獲得感、成就感,提高學(xué)生運(yùn)用接口技術(shù)解決實(shí)際問題的能力。

4 結(jié)語

利用研究性教學(xué)理念開展教學(xué)是提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的必然選擇。接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)更是切實(shí)提高學(xué)生實(shí)踐能力的重要保障。針對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)接口技術(shù)時(shí)存在的問題,將研究性教學(xué)的思想融入到接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié),有助于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的能力。隨著研究性教學(xué)的不斷實(shí)施,學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和自主創(chuàng)新能力不斷提高,在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目及各種計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)大賽中取得了優(yōu)異的成績(jī)。

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