结合工程教育认证的硬件系列课程教学改革＊

刘彩虹，林 强，满正行，纪金水

（西北民族大学，甘肃 兰州 730030）

1 引言

《华盛顿协议》是最有影响力的工程教育学位互认协议，中国加入了该协议，加入该协议意味着中国工程专业本科学位将有一部分得到国际认可，当然也对中国工程教育体系提出了新的要求——按照国际标准培养、切实提高工程技术人才培养质量。依据《工程教育认证办法》和《工程教育认证标准》，学习领会工程教育认证的本质内涵和总体要求，按照认证要求推进专业建设。

工程教育认证要求学习并使用现代的各种工具。面对各种各样的工程问题，适当合理地运用现代信息技术工具，预测和模拟复杂的工程问题，能够及时了解复杂工程的局限性。应熟练了解现代工具的原理和方法，现代工具主要包括仪器、工程工具和各种工程模拟软件；了解如何选择合适的现代工具和专业模拟软件，对工程中的各类问题进行详细分析，并借助工具进行计算，运用工具进行工程设计；面对具体的工程对象，选用恰当的现代工具，对专业问题进行模拟，并作出适当的预测，并理解如何分析其局限性。能力的培养是一个复杂、系统化的过程，主要通过一定数量和质量的课程，构成课程体系，相辅相成，理论和实践相结合去学习，最终实现能力的提高。

2 Multisim 介绍及应用

Multisim 是一个广泛用于各类仿真的工具，特别适合模拟电路和数字电路的模拟和设计工作。本模拟软件支持多种输入方法，如原理图图形输入、VHDL、AHDL 等多种硬件描述语言的输入，具有非常强大的仿真电路和分析电路的能力。搭建电路原理图的工作也可以借助本软件完成，搭建过程简单，使用方便，搭建完成后不需要做移植，直接进行仿真即可。本模拟软件适合电子学方面课程的学习。运用Multisim，专业教师完成从理论学习到仿真，再到具体设计的实现和测试，真正完成一个完整的设计过程。

硬件相关的专业基础课主要有“电路分析”“模拟电子技术基础”“数字电子技术基础”等。这些课程任务是奠定学生的基础理论，掌握电子技术方面的基本知识，培养电子技术方面的基本技能，为后续专业学习奠定基础。通常，这些课程的教学是由理论教学、课程实验等教学环节构成的。电路分析、模拟电子和数字电子都可以用Multisim 进行仿真，这样避免花时间学习多个仿真软件。数字电路里的竞争冒险现象如图1 所示。

图1 竞争冒险现象

3 Proteus 介绍及应用

Proteus 支持比较全面的仿真功能，除了常见的基本电路的仿真，还能进行单片机、8086 等各种处理器及其外围器件的仿真。尤其在仿真单片机及其外围器件方面具有很大的优势。本软件是真正的一款从概念到产品的仿真软件。首先设计原理图，原理图的设计方法跟其他设计软件类似，不需要单独学习；代码调试有两种方法，可以借助其他调试工具进行调试，将编译完的可执行文件直接加载到原理图的处理器中，也可以通过对Proteus 的设置，在Proteus 中直接进行代码调试；设计好原理图、代码调试完成，就可以实现处理器与外围电路的仿真。Proteus 是综合性的设计平台，可以实现电路仿真、PCB 设计软件和虚拟模型仿真，其处理器模型支持8051、8086 和DSP 等多种处理器，其他系列处理器模型还在继续增加。Proteus 仿真软件支持IAR、Keil 等多种编译器。

硬件相关的专业课主要有“计算机组成原理”“汇编语言”“微机原理与接口技术”“单片机原理及其应用”“嵌入式系统与设计”等，这些课程都可以用Proteus 进行仿真，Proteus 也可以应用于专业实践课。

8086 控制数码管闪烁硬件结构如图2 所示，8086 作为主控制器，数码管各个段的输入接D 触发器的输出Q，8086的WR 和M/IO 的或运算结果作为D 触发器的复位控制端R的输入，8086 的RD 和M/IO 的或运算结果作为D 触发器的置位控制端S的输入。

图2 硬件结构图

根据图2，R有效即R=0 时，Q输出0，七段数码管全灭，S有效即S=0 时，Q输出1 时，七段数码管全亮。也就是通过程序控制R和S轮流等于0，就实现了对数码管的闪烁控制。R=0 和S=0，通过IO 端口进行写和读操作。根据以上思路，数码管闪烁控制的程序设计如下：

mov dx,200h ；设置端口地址lp:out dx,al ；写端口

call delay ；调用延时子程序

in al,dx ；读端口

call delay ；调用延时子程序

jmp lp ；跳转循环执行

end

原理图设计完成后，编写对应的程序，将编译得到的可执行文件加载到8086，然后进行仿真，就能观察到数码管的闪烁。通过硬件和程序设计，并进行仿真，观察到闪烁现象，帮助学生理解软硬件协同工作的思路，提升学生的分析设计能力，达到教学目标。

4 现代工具应用于教学过程的实施方案

仿真的过程需要建立各种电路，然后进行仿真，随着电路复杂度的增加，电路输入需要大量的时间。针对以上问题，制定了师生共建仿真实例库的计划：申请一个网盘，保存和共享仿真实例；教师通过演示，教会学生如何建立仿真电路；学生分组负责不同章节仿真图的建立和整理。仿真实例库可以在每一年级传承，逐步完善。为了培养学生的纠错能力，也可以保留一些典型的出错设计，专门建立一个错误库，让学生参与修改。

5 结语

做实验可培养学生的动手能力，同时能巩固课堂理论教学内容，使理论和实践相结合，真正理解相关的知识。硬件课程的实验依赖于具体的实验设备，一般需要在特定时间特定地点进行实验。借助现代工具模拟软件，可以在教学或做作业的过程中随时进行模拟仿真，通过仿真能更深入理解相关的知识，锻炼学生的动手能力。但是仿真也具有局限性，跟实验设备相比不够直观，参与感有限，仿真作为实验的补充不能替代设备上的实验。