《微机系统与接口技术》课程实验设计

朱晓梅　包亚萍　李义丰　何风

摘要：《微机系统与接口技术》是高等院校理工科非计算机专业学生必修的一门计算机基础教育课程，也是高等教育电类本科生的专业基础平台课，在整个课程体系中起着承上启下的关键作用。从现有的实验教学存在的问题出发，对实验教学内容和教学方法两方面进行深入研究，借助于虚拟实验系统使学生具有灵活的微机系统开发设计能力，从而进一步培养学生的创造能力，以达到新时期对电子专业卓越工程师的培养要求。

关键词：微机系统；接口技术；Proteus；实验设计；虚拟实验

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）17-0269-02

一、引言

《微机系统与接口技术》课程是通信、电子、信息工程、自动化、机械电子及相关专业的基础课程。在该课程的教学中，学生对8086系统中的内存访问、可编程接口芯片與CPU的接口设计以及汇编语言编程感到非常抽象难以掌握，而现在的基于固定实验箱的实验方法由于其内部线路已经连好、实验内容固定、实验方法固定、实验地点固定和实验时间有限的问题，没有足够的机会给学生进行学习、练习和实践所学知识。另外，教学实践中往往先进行理论教学后实验教学，使课程的理论部分与实验部分脱节，上述问题逐步成为本课程发展的障碍。本文基于笔者所在教研组的教学实践，讨论《微机系统与接口技术》课程实验教学在内容和方法的设计改革方法。

二、关于实验内容的探讨

1.实验内容要从分散性向系统性改变。该课程本身系统性非常强，目前大多院校几个开设该课程的专业，实验内容从要求上一般分为：验证性、设计性和综合性，从内容上又分为：软件实验和硬件实验。实验内容的设计不管哪种分类都比较零散，常常一个芯片一个实验，两个实验常常处于割裂状态，导致学生分割地去看待每个实验所学习的知识，这与课程本身的特点和要求相悖。在多次实验中，学生慢慢失去学习兴趣，教学效果不理想。

以上的问题对实验教学提出挑战。教师在设计实验内容时应从整体上把握本课程实验设计的所有知识点，再从系统的角度出发，设计合理的实验内容，尽量包含本课程的所有知识点，如8086与内存的访问、与8255并口芯片接口、与8251串口芯片接口、与8253定时器芯片的接口与8259中断控制器接口、8259与其他接口芯片间的接口、与8237DMA控制器以及8237与其他接口芯片间的接口。实验内容要求整体上具有实现某种功能系统性，而细分到每次实验恰好又是与课堂所学理论知识点的同步具体体现。这样学生在第一次做实验时就形成系统的概念，理解系统的各个组成部分，其后的每次实验就是在原有系统上增加模块，向完整的系统更近一步。整个知识点学习完成时，多次的实验形成了一个大系统，学生进一步加深理解该课程的工作原理和特点，掌握芯片设计应用的同时，充分理解知识的系统性。

2.实验内容要与专业方向、实际应用紧密联系。上述的系统性的实验可以认为是多个基础性验证性实验的综合体。当然为了课程需要，该课题往往还需要设计性或者综合性实验。在实验选题上除了考虑系统性外，还有一个重要的方面就是要考虑实验与专业方向和实际应用的紧密联系。由于本课程作为多个专业的专业基础课程，对专业的学习起着非常重要的作用。学生对学完这门课我到底知道什么？能做什么？对今后其他课程的学习和专业的学习到底有什么作用？这些问题都非常关心。目前各专业在本课程的教学中大多专业区别不明显，并没有显示出专业特色。笔者所在的教研组通过多年的教学试验发现在实验、实习、课程设计课程中，学生对那些专业性较强的且与实际应用紧密相关的课题非常感兴趣（如音乐播放器、电子琴、智能小汽车等），并会付出更多努力去实现学习要求，学习主动性和积极性明显增高，教学效果也因此大大提高。因此，对于电子、自动化、通信以及机械等专业领域，不妨在设计综合性实验时也兼顾到各自的相关专业的应用背景，增强本课程的专业性和实用性，提高学生的学习兴趣。

三、关于实验方法的探讨

1.因材施教，提供多层次的实验要求。在教学中应以学生为主体，充分了解学生的学习和掌握知识的情况后，在原有的基础性实验内容上提出设计性实验的不同层次要求。笔者在教学中以实验室现有的实验系统为平台，为每个实验都设计了不同层次的要求，学生根据自己的能力，选择不同的实验要求。下面以“8255并行接口”实验为例，谈谈实验多层次要求的构思。（1）实验目的：学习并掌握8255的工作方式及其应用；掌握8255典型应用电路的接法。（2）实验内容：①基本输入输出实验。编写程序，使8255的A口为输入，B口为输出，完成拨动开关到数据灯的数据传输。要求只要开关拨动，数据灯的显示就发生相应改变。②流水灯显示实验。编写程序，使8255的A口和B口均为输出，数据灯D7—D0由左向右，每次仅亮一个灯，循环显示，D15—D8与D7—D0正相反，由右向左，每次仅点亮一个灯，循环显示。（3）实验设计的具体思路：①看懂实验指导书提供的实验步骤和参考程序，逐条读懂，并写出注释，按照步骤完成实验演示；②在①基础上，调整流水灯的流水方向由右向左，重新修改程序，完成实验要求；③鼓励学生在看懂电路和实验要求后，自己编程，实现流水灯显示实验，并能够控制流水的方向；④给出交通灯工作原理及其要求（东西南北四个方向各有红灯和绿灯，设南北方向为主道，其绿灯亮的时间为东西方向绿灯的2倍，在绿灯变为红灯前绿灯先闪烁5次，然后绿灯灭，红灯亮），让学生在现有实验平台上提出具体方案，画出流出图，编写程序，并在实验箱上演示效果。结果表明，电子专业四个班级中大概有10%到15%的学习能力较强的同学能够在实验前进行预习、设计，并初步完成要求（4）的任务，最终在实验中实现系统完成演示。有30%的学生能够在实验前进行编程，并初步完成要求（3）的任务，在实验中完成演示。50%的学生能够在实验前进行编程，并初步完成要求（2）的任务，在实验中完成演示。5%左右学生选择完成任务（1），基本达到实验的要求。由此可以看出，此教学方法取得了较好的效果，大多数学生具有较浓的学习兴趣，15%的学生具有较高的学习能力，能够在实验中得到充分的锻炼。

2.借助仿真软件，融实验与理论一体。国外一些高校，在实践性较强的专业课的教学过程中坚持做到理论与实验的学时对半分，如该课程一共64学时，则理论和实验各占32学时。另外，在碰到一些难以接受的理论知识点的讲解时直接在实验室进行教学，将理论教学与实验教学融为一体，做到边教边学，边学边用，从而提高教学效果。国内高校由于学生人数多，教师、实验室资源相对不足等原因，不能完全照搬国外的教学方法。近年来计算机辅助设计软件技术的飞速发展，为上述问题提供了良好的解决方案。

在理论教学中借助EMU8086软件，将程序的编写、修改、汇编、连接以及单步调试等方面进行演示教学，学生很快就掌握语句的应用和学习方法。另外，学生还可以借助此软件自主地利用课余时间去学习新的语句、理解不懂的语句以及编写各种程序。在实验教学中，通过上述的教学方法，学生能够在软件平台上理解相关电路并自主地编程程序，学习过程不再依赖于实验室固定的时间、空间、设备和实验内容的限制，可作为传统实验教学的有益补充。此外，在省、校、院级大学生创新项目、本专业实践类课程教学中如Project、课程设计、毕业设计等环节，学生利用虚拟实验系统进行设计开发微处理器系统。

四、结论

通过本文的研究探讨，引导教师深入《微机系统与接口技术》的实验教学内容和方法的改革，不断更新教育思路和方法，提高教师自身的教学水平。通过合理的实验教学内容和方法设计，能够有效地发挥学生的主体作用，激发学生学习的积极性和主动性，培养学生学习的兴趣，从而提高课堂效率。虚拟实验系统的建设可以为学生提供开发系统的锻炼平台，提供学生的创新能力和工程实践能力，为培养电子专业卓越工程师提供保证措施。

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