微机原理与接口技术课程实验教学改革探讨

郭晶晶,梁英杰,刘伯运,史蓓蕾

（1．海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033；2．海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033）

0 引 言

微机原理与接口技术是电子、自动化、通信、计算机相关专业理论与实践联系很强的一门专业基础课程,具有很高的实用价值。该课程主要学习微型计算机的基本组成和工作原理,典型接口芯片的原理与使用方法,课程的学习可为学生今后从事计算机软硬件系统设计和应用系统研究奠定技术基础。微机原理与接口技术课程教学内容庞杂、抽象难懂,学生对重点和脉络的把握比较困难。微机的基本组成和工作原理方面理论性强,而接口芯片的使用方面实践性较强,存在学生难学、教师难教的现象。微机原理与接口技术实验教学在课程中极为重要,实验教学可以加深和提高学生对课程知识的理解,为理论教学提供有力的支撑,同时,可以提高学生的综合能力,培养学生的创新思维。

1 课程实验课时分配

目前,高校的微机原理及接口技术课程一般作为公共基础课,课程有机地结合微机的硬件和软件的知识,实践性是此课程较为重要的性质,因此,需要学生多动手、多思考,在实践中理解和掌握理论基础知识。实践能力的培养是提高学生全面素质的关键,以理论知识为基础,提高实践能力,才能达到课程目标。

海军工程大学设置的本课程的实验学时不到总学时数的1/4,不利于学生对课程内容的学习。建议优化调整课程实验课时分配,适当淡化基本概念、基本原理的讲授,强化外部接口及应用,在课程理论和实践联系比较紧密的章节,如汇编语言程序设计、常用数字接口电路等章节,适当增加实验课程,注重教学实效,至少使实验课和理论课的总学时比例达到1:1。

2 实验设备更新

当下,高校微机原理及接口技术实验主要采用固定的实验平台,实验箱上已经将微处理器芯片及各种接口扩展电路的各个部件全部做好,学生在实验时会受仪器的限制,无法高效完成实验,发挥自己的创造性。

海军工程大学在该课程采用的实验箱是JK-N型16/32位微机原理与接口实验平台,采用USB接口与微机通讯方式来实现其基本功能。学生在实验过程中,实验箱与微机之间连接的USB接口连接会经常性断开,需要重新启动实验箱才能继续实验。由于仪器设备的限制,学生只能依靠试验箱上固有的一些芯片来完成硬件实验,无法自己搭建简单的硬件电路,因此学生的综合能力、创新能力得不到有效地锻炼。建议高校加大实验设备的投入,及时维修或更换实验设备,保证实验设备紧跟信息化发展步伐,让学生有更多机会提高硬件设计能力、创新能力。

3 实验教学管理模式改革

高校微机原理及接口技术实验教学一般采用的是传统的管理方式,并且实验室一般不开放,学生需要在规定的时间内完成规定的实验,其余时间没有机会进入实验室进行实验。这种管理模式存在较大弊端,一方面会造成实验资源的闲置,实验室大部分时间处于空闲状态;另一方面,对于学生来说,在有限的实验时间里难以激发起学习兴趣,可能刚刚进入状态并产生兴趣,实验就必须草草结束,实验课之外也没有其他时间延续兴趣;再者,对于学校来说,这种传统管理方式也不利于学生综合能力、创新能力的培养。

开放式管理特别是全开放式管理模式能使学生自主地、有创造性地完成自己的实验任务,能充分激发学生的学习兴趣,能充分挖掘出学生的潜能,因此,微机原理及接口技术实验教学应该采用开放式管理,给学生充分的时间和机会激发学习兴趣。同时,加强网上虚拟微机原理及接口技术实验建设,增加网上实验室预约、网上实验室管理甚至网上实验室自主实验等功能。

4 实验内容合理规划设计

高校微机原理及接口技术实验内容主要是验证性实验、原理性实验,实验指导书会提供实验元器件的连线、实验程序等,学生只要照本宣科,按照实验步骤就能看到实验结果。学生的实验积极性不高,对实验结果也不重视。

正确合理地设计实验课程内容,不仅可以有效地训练学生的综合实践能力,还可以协调实验课与理论课,实现课程内容的互补和互动。针对传统实验教学内容的不足,实验内容可重新划分为验证型实验、设计型实验和综合型实验3个层次。以8253定时器计数器芯片为例,针对8253应用编程可以设计3个实验,这3个实验之间是层层递进的关系。

实验1:原理验证型实验。8253计数器应用实验的目的是让学生掌握8253的基本工作原理,教师在实验时先将实验原理、连线、源程序、实验步骤告知学生,由学生验证、观察实验现象并分析结果。

实验2:设计型实验。在实验1的基础上增加难度,做分频器实验,告知学生实验原理、实验要求,如实验台提供1MHZ的频率源,利用8253的分频功能实现LED间隔1秒亮灭;提供部分的源程序,程序的关键部分由学生填空完成。实验的设计要引导学生思考以下问题:需要用到几个8253的计数器?各个计数器的初值是什么?各计数器的门控信号、时钟输入信号及输出信号应该怎样连接?在源程序填空的设计中,如何体现控制字是什么,应写往哪个端口,各个计数器的计数初值二进制写法、十进制写法及应写往哪些端口等关键问题。

相对于实验1,实验2难度有所增加,采用的是任务驱动式实践教学方式,可以调动学生的学习积极性和学习兴趣,在实验1学生熟悉8253基本原理的基础上,进一步培养学生分析解决问题能力和逻辑思维能力。

实验3:综合性实验。在实验2的基础上,引导学生设计一个8253、8259、8255的综合性实验,实验3的实验现象和实验2一样,但实现的原理机制不一样。实验2是利用8253的工作方式三输出的方波波形控制LED间隔1秒亮灭,实验3是利用8253每隔1秒向8259发出一个中断申请信号,在中断服务子程序中控制8255 PC0,使 LED亮1秒灭1秒地闪烁。

实验3由指导教师明确提出实验要求,不向学生提供实验电路和程序,纯粹任务驱动。学生要完成实验任务,必须了解8253、8259、8255的基本原理、基本功能,才能实现准确连线。在程序方面,学生要完全掌握三大芯片的初始化程序、中断向量表的写入程序,要清楚中断服务子程序中的工作程序要实现什么功能以及怎样去实现。学生必须在之前实验循序渐进的基础上,积极思考,积极实践才能完成实验3的任务。

此次8253应用编程实验内容设计上遵循了由易到难、循序渐进的认知规律:由验证性、基础性实验开始熟悉芯片原理、功能结构、外部引脚,巩固和加强芯片相关知识;实验2和实验3难度逐步加大,由1个计数器到2个计数器,由单纯8253芯片应用编程到3个芯片综合应用,从程序填空到自行编程、自行连线,能够逐步激发学生的学习兴趣和求知欲,避免学生在实验课程中浅尝辄止,达到培养学生分析问题、解决问题的能力。

5 发掘优秀学生参与竞赛与教学辅助

通过日常的逐步推进、实验内容层次化的教学方式,教师可以发现一部分学生的接受能力、分析能力、综合素质比较好,对于这部分学生,可以开展竞赛与项目教学。

鼓励感兴趣的学生参加全国大学生电子设计竞赛、机器人设计大赛等,观摩学习历年获奖作品。在课程中开展作品竞赛,让学生自己组队,开发抢答器、压力传感器等课程作品,并互相探讨与学习。设计竞赛环节的目的不在于比赛本身,而在于让学生深入了解微型计算机的基本组成与工作原理,在作品开发过程中实现从了解硬件组成到软件编程的跨越,培养学生分析问题、解决问题的能力和创新精神;在于提高学生参与课题、参与设计、团队协作的能力,以便更好地开展后续教学工作。教师在进行指导竞赛和项目教学的过程中,能够更深刻地体会课程的知识点、脉络,加深自身的职业素养,在具体的实践中创新教学模式和工作方法,形成教和学的良性互动。

6 结 语

通过对微机原理与接口技术课程进行实验教学改革,合理规划与设计了实验内容,优化了课时分配,同时实验设备更能保障学生的学习需求,实验室的开放式管理使得学生自主并有创造性地完成自己的实验任务,提高了学生的兴趣,拓展了学生的知识面,加深学生对理论知识的理解。通过鼓励学生参加与课程相关的比赛,提高了学生的综合能力,培养了学生的创新思维。实验教学作为微机原理与接口技术课程的重要组成部分,对培养学生的动手能力、分析问题能力、解决问题的能力、创造能力起着至关重要的作用,有助于充分发挥微机原理与接口技术实验教学的作用,培养出能实践、能分析、能创新的高素质学生的目标的实现。

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