微機(jī)原理與接口技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討

郭晶晶,梁英杰,劉伯運(yùn),史蓓蕾

（1．海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2．海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

0 引 言

微機(jī)原理與接口技術(shù)是電子、自動化、通信、計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)理論與實(shí)踐聯(lián)系很強(qiáng)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程,具有很高的實(shí)用價(jià)值。該課程主要學(xué)習(xí)微型計(jì)算機(jī)的基本組成和工作原理,典型接口芯片的原理與使用方法,課程的學(xué)習(xí)可為學(xué)生今后從事計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用系統(tǒng)研究奠定技術(shù)基礎(chǔ)。微機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容龐雜、抽象難懂,學(xué)生對重點(diǎn)和脈絡(luò)的把握比較困難。微機(jī)的基本組成和工作原理方面理論性強(qiáng),而接口芯片的使用方面實(shí)踐性較強(qiáng),存在學(xué)生難學(xué)、教師難教的現(xiàn)象。微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在課程中極為重要,實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以加深和提高學(xué)生對課程知識的理解,為理論教學(xué)提供有力的支撐,同時,可以提高學(xué)生的綜合能力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

1 課程實(shí)驗(yàn)課時分配

目前,高校的微機(jī)原理及接口技術(shù)課程一般作為公共基礎(chǔ)課,課程有機(jī)地結(jié)合微機(jī)的硬件和軟件的知識,實(shí)踐性是此課程較為重要的性質(zhì),因此,需要學(xué)生多動手、多思考,在實(shí)踐中理解和掌握理論基礎(chǔ)知識。實(shí)踐能力的培養(yǎng)是提高學(xué)生全面素質(zhì)的關(guān)鍵,以理論知識為基礎(chǔ),提高實(shí)踐能力,才能達(dá)到課程目標(biāo)。

海軍工程大學(xué)設(shè)置的本課程的實(shí)驗(yàn)學(xué)時不到總學(xué)時數(shù)的1/4,不利于學(xué)生對課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)。建議優(yōu)化調(diào)整課程實(shí)驗(yàn)課時分配,適當(dāng)?shù)靖拍?、基本原理的講授,強(qiáng)化外部接口及應(yīng)用,在課程理論和實(shí)踐聯(lián)系比較緊密的章節(jié),如匯編語言程序設(shè)計(jì)、常用數(shù)字接口電路等章節(jié),適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)課程,注重教學(xué)實(shí)效,至少使實(shí)驗(yàn)課和理論課的總學(xué)時比例達(dá)到1:1。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新

當(dāng)下,高校微機(jī)原理及接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)主要采用固定的實(shí)驗(yàn)平臺,實(shí)驗(yàn)箱上已經(jīng)將微處理器芯片及各種接口擴(kuò)展電路的各個部件全部做好,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時會受儀器的限制,無法高效完成實(shí)驗(yàn),發(fā)揮自己的創(chuàng)造性。

海軍工程大學(xué)在該課程采用的實(shí)驗(yàn)箱是JK-N型16/32位微機(jī)原理與接口實(shí)驗(yàn)平臺,采用USB接口與微機(jī)通訊方式來實(shí)現(xiàn)其基本功能。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中,實(shí)驗(yàn)箱與微機(jī)之間連接的USB接口連接會經(jīng)常性斷開,需要重新啟動實(shí)驗(yàn)箱才能繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。由于儀器設(shè)備的限制,學(xué)生只能依靠試驗(yàn)箱上固有的一些芯片來完成硬件實(shí)驗(yàn),無法自己搭建簡單的硬件電路,因此學(xué)生的綜合能力、創(chuàng)新能力得不到有效地鍛煉。建議高校加大實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投入,及時維修或更換實(shí)驗(yàn)設(shè)備,保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備緊跟信息化發(fā)展步伐,讓學(xué)生有更多機(jī)會提高硬件設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理模式改革

高校微機(jī)原理及接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般采用的是傳統(tǒng)的管理方式,并且實(shí)驗(yàn)室一般不開放,學(xué)生需要在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn),其余時間沒有機(jī)會進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這種管理模式存在較大弊端,一方面會造成實(shí)驗(yàn)資源的閑置,實(shí)驗(yàn)室大部分時間處于空閑狀態(tài);另一方面,對于學(xué)生來說,在有限的實(shí)驗(yàn)時間里難以激發(fā)起學(xué)習(xí)興趣,可能剛剛進(jìn)入狀態(tài)并產(chǎn)生興趣,實(shí)驗(yàn)就必須草草結(jié)束,實(shí)驗(yàn)課之外也沒有其他時間延續(xù)興趣;再者,對于學(xué)校來說,這種傳統(tǒng)管理方式也不利于學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

開放式管理特別是全開放式管理模式能使學(xué)生自主地、有創(chuàng)造性地完成自己的實(shí)驗(yàn)任務(wù),能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,能充分挖掘出學(xué)生的潛能,因此,微機(jī)原理及接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該采用開放式管理,給學(xué)生充分的時間和機(jī)會激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。同時,加強(qiáng)網(wǎng)上虛擬微機(jī)原理及接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)建設(shè),增加網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)室預(yù)約、網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)室管理甚至網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)室自主實(shí)驗(yàn)等功能。

4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容合理規(guī)劃設(shè)計(jì)

高校微機(jī)原理及接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、原理性實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書會提供實(shí)驗(yàn)元器件的連線、實(shí)驗(yàn)程序等,學(xué)生只要照本宣科,按照實(shí)驗(yàn)步驟就能看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性不高,對實(shí)驗(yàn)結(jié)果也不重視。

正確合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容,不僅可以有效地訓(xùn)練學(xué)生的綜合實(shí)踐能力,還可以協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)課與理論課,實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容的互補(bǔ)和互動。針對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的不足,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可重新劃分為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和綜合型實(shí)驗(yàn)3個層次。以8253定時器計(jì)數(shù)器芯片為例,針對8253應(yīng)用編程可以設(shè)計(jì)3個實(shí)驗(yàn),這3個實(shí)驗(yàn)之間是層層遞進(jìn)的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)1:原理驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)。8253計(jì)數(shù)器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生掌握8253的基本工作原理,教師在實(shí)驗(yàn)時先將實(shí)驗(yàn)原理、連線、源程序、實(shí)驗(yàn)步驟告知學(xué)生,由學(xué)生驗(yàn)證、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并分析結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)2:設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)1的基礎(chǔ)上增加難度,做分頻器實(shí)驗(yàn),告知學(xué)生實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)要求,如實(shí)驗(yàn)臺提供1MHZ的頻率源,利用8253的分頻功能實(shí)現(xiàn)LED間隔1秒亮滅;提供部分的源程序,程序的關(guān)鍵部分由學(xué)生填空完成。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要引導(dǎo)學(xué)生思考以下問題:需要用到幾個8253的計(jì)數(shù)器?各個計(jì)數(shù)器的初值是什么?各計(jì)數(shù)器的門控信號、時鐘輸入信號及輸出信號應(yīng)該怎樣連接?在源程序填空的設(shè)計(jì)中,如何體現(xiàn)控制字是什么,應(yīng)寫往哪個端口,各個計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)初值二進(jìn)制寫法、十進(jìn)制寫法及應(yīng)寫往哪些端口等關(guān)鍵問題。

相對于實(shí)驗(yàn)1,實(shí)驗(yàn)2難度有所增加,采用的是任務(wù)驅(qū)動式實(shí)踐教學(xué)方式,可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)興趣,在實(shí)驗(yàn)1學(xué)生熟悉8253基本原理的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題能力和邏輯思維能力。

實(shí)驗(yàn)3:綜合性實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)2的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)一個8253、8259、8255的綜合性實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)3的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)2一樣,但實(shí)現(xiàn)的原理機(jī)制不一樣。實(shí)驗(yàn)2是利用8253的工作方式三輸出的方波波形控制LED間隔1秒亮滅,實(shí)驗(yàn)3是利用8253每隔1秒向8259發(fā)出一個中斷申請信號,在中斷服務(wù)子程序中控制8255 PC0,使 LED亮1秒滅1秒地閃爍。

實(shí)驗(yàn)3由指導(dǎo)教師明確提出實(shí)驗(yàn)要求,不向?qū)W生提供實(shí)驗(yàn)電路和程序,純粹任務(wù)驅(qū)動。學(xué)生要完成實(shí)驗(yàn)任務(wù),必須了解8253、8259、8255的基本原理、基本功能,才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確連線。在程序方面,學(xué)生要完全掌握三大芯片的初始化程序、中斷向量表的寫入程序,要清楚中斷服務(wù)子程序中的工作程序要實(shí)現(xiàn)什么功能以及怎樣去實(shí)現(xiàn)。學(xué)生必須在之前實(shí)驗(yàn)循序漸進(jìn)的基礎(chǔ)上,積極思考,積極實(shí)踐才能完成實(shí)驗(yàn)3的任務(wù)。

此次8253應(yīng)用編程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)上遵循了由易到難、循序漸進(jìn)的認(rèn)知規(guī)律:由驗(yàn)證性、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)開始熟悉芯片原理、功能結(jié)構(gòu)、外部引腳,鞏固和加強(qiáng)芯片相關(guān)知識;實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3難度逐步加大,由1個計(jì)數(shù)器到2個計(jì)數(shù)器,由單純8253芯片應(yīng)用編程到3個芯片綜合應(yīng)用,從程序填空到自行編程、自行連線,能夠逐步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲,避免學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程中淺嘗輒止,達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

5 發(fā)掘優(yōu)秀學(xué)生參與競賽與教學(xué)輔助

通過日常的逐步推進(jìn)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容層次化的教學(xué)方式,教師可以發(fā)現(xiàn)一部分學(xué)生的接受能力、分析能力、綜合素質(zhì)比較好,對于這部分學(xué)生,可以開展競賽與項(xiàng)目教學(xué)。

鼓勵感興趣的學(xué)生參加全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、機(jī)器人設(shè)計(jì)大賽等,觀摩學(xué)習(xí)歷年獲獎作品。在課程中開展作品競賽,讓學(xué)生自己組隊(duì),開發(fā)搶答器、壓力傳感器等課程作品,并互相探討與學(xué)習(xí)。設(shè)計(jì)競賽環(huán)節(jié)的目的不在于比賽本身,而在于讓學(xué)生深入了解微型計(jì)算機(jī)的基本組成與工作原理,在作品開發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)從了解硬件組成到軟件編程的跨越,培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新精神;在于提高學(xué)生參與課題、參與設(shè)計(jì)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力,以便更好地開展后續(xù)教學(xué)工作。教師在進(jìn)行指導(dǎo)競賽和項(xiàng)目教學(xué)的過程中,能夠更深刻地體會課程的知識點(diǎn)、脈絡(luò),加深自身的職業(yè)素養(yǎng),在具體的實(shí)踐中創(chuàng)新教學(xué)模式和工作方法,形成教和學(xué)的良性互動。

6 結(jié) 語

通過對微機(jī)原理與接口技術(shù)課程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,合理規(guī)劃與設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,優(yōu)化了課時分配,同時實(shí)驗(yàn)設(shè)備更能保障學(xué)生的學(xué)習(xí)需求,實(shí)驗(yàn)室的開放式管理使得學(xué)生自主并有創(chuàng)造性地完成自己的實(shí)驗(yàn)任務(wù),提高了學(xué)生的興趣,拓展了學(xué)生的知識面,加深學(xué)生對理論知識的理解。通過鼓勵學(xué)生參加與課程相關(guān)的比賽,提高了學(xué)生的綜合能力,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的重要組成部分,對培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、分析問題能力、解決問題的能力、創(chuàng)造能力起著至關(guān)重要的作用,有助于充分發(fā)揮微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用,培養(yǎng)出能實(shí)踐、能分析、能創(chuàng)新的高素質(zhì)學(xué)生的目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

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