基于PROTEUS平臺的微機(jī)原理與接口技術(shù)實驗教學(xué)改革與實踐

汪波　王慶勇

【摘 要】微機(jī)原理與接口技術(shù)是屬于計算機(jī)學(xué)科的一門重要的專業(yè)課，很多學(xué)生都無法準(zhǔn)確完成教學(xué)目標(biāo)的要求，如何解決這一難題是我們近幾年一直改革的話題。本文就此引入虛擬實驗教學(xué)平臺PROTEUS，來解決此難題，經(jīng)過改革測試，學(xué)生學(xué)習(xí)效果好，改革成功。

【關(guān)鍵詞】接口技術(shù)；虛擬平臺；實驗教學(xué)改革

【Abstract】Microcomputer principle and interface technology is belongs to computer science a important specialized courses， many students are unable to accurately complete the requirements of teaching goals， how to solve the problem is we in recent years has been the reform of topic. This paper introduces the virtual experiment teaching platform PROTEUS， to solve this problem， after the reform of the test， the students learning effect is good， the reform is successful.

【Key words】Interface technology； Virtual platform； Experimental teaching reform

0 引言

培養(yǎng)具有工程意識與工程能力，適應(yīng)我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要且與國際接軌的工程技術(shù)人才，是目前高校特別是工科院校的重要使命和迫切要完成的任務(wù)。但就目前我國高等工程教育的總體質(zhì)量看，在這方面與發(fā)達(dá)國家相比還有一定的差距，主要表現(xiàn)在工程技術(shù)人才的培養(yǎng)模式上普遍還存在重理論輕實踐，重知識傳授、輕能力培養(yǎng)等問題。

湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院計算機(jī)學(xué)科教育中注重復(fù)合型、應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，這既是對學(xué)?！皟捎腥龑崱比瞬排囵B(yǎng)目標(biāo)的貫徹和執(zhí)行，也是對計算機(jī)專業(yè)傳統(tǒng)上鮮明的行業(yè)特色的繼承和發(fā)展。為了促使實驗教學(xué)工作更加科學(xué)和實用，我們以設(shè)計新版人才培養(yǎng)方案為契機(jī)，通過反復(fù)論證和研討，對計算機(jī)專業(yè)的實驗課程教學(xué)進(jìn)行了整體的規(guī)劃，提出了虛擬實驗教學(xué)平臺來彌補(bǔ)現(xiàn)實教學(xué)環(huán)境不足的課程體系。[6-8]

1 目前課程實驗教學(xué)存在的問題

微機(jī)原理與接口技術(shù)課程是高校計算機(jī)類專業(yè)本科生的專業(yè)課，課程的特點(diǎn)是內(nèi)容較抽象，微機(jī)的軟硬件知識結(jié)合緊密、相互滲透，其理論性、實踐性、綜合性和應(yīng)用性都很強(qiáng)。而實驗課程是培養(yǎng)學(xué)生的工程意識、創(chuàng)新精神，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)方面具有理論教學(xué)所不可替代的作用。但就目前實驗教學(xué)看，普遍還存在有以下問題：

1）基礎(chǔ)驗證性實驗比重大，內(nèi)容上多偏重于對理論知識的驗證，缺乏新穎性和趣味性，與工程實際聯(lián)系不緊密；設(shè)計性和綜合應(yīng)用性實驗偏少，且還是要求學(xué)生在相對較短的學(xué)時內(nèi)完成，難度較大，收不到應(yīng)有的教學(xué)效果；創(chuàng)新性實驗幾乎沒有。

2）現(xiàn)行的實驗教學(xué)方式，學(xué)生的主體作用得不到很好發(fā)揮在實驗過程中，學(xué)生基本上是按照實驗指導(dǎo)書或者是教師的指導(dǎo)，按步就班地連線操作，在實驗設(shè)備上觀察應(yīng)出現(xiàn)的特定現(xiàn)象等，自己獨(dú)立思考和設(shè)計創(chuàng)新的機(jī)會較少。

3）眾多院校的實驗教學(xué)仍以實驗箱為主完成實驗內(nèi)容，由于實驗箱中的硬件結(jié)構(gòu)基本固定，器件的品種數(shù)量擴(kuò)展困難，而且實驗項目也主要是由實驗箱生產(chǎn)廠家事先規(guī)定，實驗內(nèi)容難以突破實驗箱的限制，有些輔助和加深理解理論課內(nèi)容的項目無法開出，與社會實際相結(jié)合的程度也嚴(yán)重不夠；而且，實驗箱的損壞率較高，維護(hù)也不方便。[1-3]

2 實驗教學(xué)環(huán)境模式研究實踐

proteus是英國LabCenter Electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前比較好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。該軟件的原理圖布圖、代碼調(diào)試到CPU與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。8086平臺及Poteus、75SP3軟件，支持8086微處理器與8255A、8253、8259、8251等接口芯片的系統(tǒng)仿真。在教學(xué)方面Proteus是一個巨大的教學(xué)資源，可以用于：模擬電路與數(shù)字電路的教學(xué)與實驗；單片機(jī)與嵌入系統(tǒng)軟件的教學(xué)與實驗；微控制器系統(tǒng)的綜合實驗；創(chuàng)新實驗與畢業(yè)設(shè)計；項目設(shè)計與產(chǎn)品開發(fā)?；诖塑浖ⅰ拔C(jī)原理與接口技術(shù)”課的仿真實驗平臺如同一個設(shè)備齊全的的實驗室，借助此平臺進(jìn)行實驗教學(xué)。

在實驗內(nèi)容和形式的組織上采用階段式多層次式結(jié)構(gòu)，即將實驗教學(xué)過程分為三個層次進(jìn)行

1）第一層次是基礎(chǔ)入門驗證性實驗，結(jié)合教材中的課后要求實驗按部進(jìn)行，內(nèi)容主要是簡單的IO輸入輸出，熟悉本實驗配置和實驗步驟，能夠根據(jù)流程圖編寫和調(diào)試匯編語言程序，掌握接口芯片各個引腳信號的接線方法。教師指導(dǎo)好學(xué)生在規(guī)定的實驗時間段配套的實驗要求，耐心地向?qū)W生傳授軟硬件設(shè)計方法，協(xié)助學(xué)生排除故障，使他們盡快掌握程序調(diào)試及故障分析與排除的基本方法和技能，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范的實驗作風(fēng)，為后續(xù)實驗奠定基礎(chǔ)。

2）第二層次設(shè)計綜合性實驗，是提高階段，這一階段主要是提高學(xué)生獨(dú)立思考分析和解決問題的能力因為這時學(xué)生已經(jīng)具備了基本的編程能力，對芯片的硬件接線也有了進(jìn)一步的認(rèn)識，自己有能力在已給出的基本接線原理基礎(chǔ)上，繼續(xù)深入一步做一些修改、設(shè)計甚至綜合。本層實驗內(nèi)容主要結(jié)合匯編編程與接口芯片進(jìn)行譬如利用8253完成輸出各種波形的實驗，難度也有所提高，需要學(xué)生自己設(shè)計硬件連線和控制程序加以完成通過做實驗，原來在理論上搞不清楚的問題搞清楚了，而且還使用了不同的原理和方法，讓學(xué)生理解了原理，同時也提高了學(xué)生的實踐動手能力，充分調(diào)動了學(xué)生的積極性和激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)熱情，樹立了學(xué)生的學(xué)習(xí)自信心和學(xué)習(xí)成就感。教師在此階段啟發(fā)引導(dǎo)為主，在實驗教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)問題解決問題的思路，鼓勵學(xué)生相互討論，在課內(nèi)規(guī)定的時間完成外不進(jìn)行示范和動手排除實驗形式除了，培養(yǎng)學(xué)生能夠在仿真平臺發(fā)揮自己的主動性和創(chuàng)造性。

3）第三層次是應(yīng)用創(chuàng)新性實驗，是綜合應(yīng)用階段，這個階段是在前兩個階段的基礎(chǔ)上，主要結(jié)合課程中的各種接口芯片或其他課程中的知識進(jìn)行多個芯片的綜合應(yīng)用，時間安排在實驗教學(xué)的后期階段學(xué)生經(jīng)過了認(rèn)知解惑和提高的階段后，已充分掌握了編程方法和技巧，對各種芯片的學(xué)習(xí)和硬件接線有了深入的理解，迫切希望自己動手設(shè)計一個綜合性的實驗方案，這就產(chǎn)生了自我創(chuàng)新的欲望所以這一階段就要求學(xué)生完成一些應(yīng)用創(chuàng)新性實驗。鼓勵學(xué)生參加各類的學(xué)科競賽。教師根據(jù)往年的競賽題目結(jié)合實驗特點(diǎn)設(shè)計出題目，學(xué)生根據(jù)各人的興趣組隊和選題，通過一起討論自行選題、自行查詢資料、自行設(shè)計、自行實驗和自行整理文件等，整個過程都是學(xué)生自己在摸索。教師主要進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)：一是，要把握好學(xué)生所選課題的新穎性和實用性；二是，要把握好設(shè)計方案和設(shè)計方法以及技術(shù)資料的查詢和技術(shù)文件整理方法的介紹，使學(xué)生掌握必備的工程技術(shù)基礎(chǔ)知識，減少人力和物力的浪費(fèi)，讓學(xué)生進(jìn)行積極的思維活動，充分引發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了他們的智慧，有利于學(xué)生鞏固和加強(qiáng)對基本概念和理論的理解和掌握。

3 實施實驗教學(xué)具體案例研究

以微機(jī)原理與接口技術(shù)中的重點(diǎn)難點(diǎn)：定時器/計數(shù)器技術(shù)8253編程為例，采用的是波形發(fā)生器。以8253為I/O接口，設(shè)計電路和程序，實現(xiàn)幾種波形的產(chǎn)生。學(xué)習(xí)8253初始化程序設(shè)計方法和電路設(shè)計方法。練習(xí)使用匯編語言控制8253，實現(xiàn)幾種波形的產(chǎn)生。

通過仿真平臺的實驗效果演示，可以清晰的指導(dǎo)程序的運(yùn)行情況，如果在原始的理解程度上，很難理解此程序，借助于虛擬仿真平臺，可以很好的得出運(yùn)行思路，程序的原理。知道程序是怎樣工作的，程序是如何使得電路上產(chǎn)生實際的效果的。虛擬教學(xué)平臺模式為我們解決以上這些問題提供了很好的方案。我校結(jié)合自身條件于2012年開始實行PROTEUS虛擬教學(xué)環(huán)境模式，經(jīng)歷了四屆的驗證，效果良好。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]