微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的教學(xué)優(yōu)化

　　摘要：微機(jī)原理與接口技術(shù)是電子信息類本科專業(yè)的重要專業(yè)課程，內(nèi)容龐雜抽象，實(shí)踐性強(qiáng)。通過在保持基本內(nèi)容穩(wěn)定的基礎(chǔ)上引入前沿內(nèi)容，提倡充分利用多媒體手段、網(wǎng)絡(luò)手段和先進(jìn)的虛擬儀器和仿真技術(shù)，本文從課程內(nèi)容優(yōu)化、課堂教學(xué)方式的優(yōu)化和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)優(yōu)化三個(gè)方面探索提高教學(xué)效果的途徑。
　　關(guān)鍵詞：微機(jī)原理與接口技術(shù)；教學(xué)改革；實(shí)驗(yàn)教學(xué)
　　
　　微機(jī)原理與接口技術(shù)是高等學(xué)校電子信息類專業(yè)的主干本科專業(yè)課程。該課的教學(xué)目的是，通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生從應(yīng)用的角度出發(fā)，在理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)上掌握微型計(jì)算機(jī)的基本組成、工作原理、匯編語言程序設(shè)計(jì)、接口電路及硬件的連接，建立系統(tǒng)的整體概念，具有微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟、硬件開發(fā)的初步能力[1]。可見，課程內(nèi)容兼顧了硬件和軟件兩方面的特點(diǎn)，具有涉及的知識面廣、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，而且隨著當(dāng)代信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)對人才要求的提高，各種新型的微型計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬仿真和設(shè)計(jì)技術(shù)大量使用[2-4]，所以有必要對這門課程進(jìn)行教學(xué)改革和優(yōu)化[5-7]，達(dá)到教學(xué)相長的目的。
　　1課程內(nèi)容與結(jié)構(gòu)優(yōu)化
　　微機(jī)原理與接口技術(shù)課程以高級語言程序設(shè)計(jì)、數(shù)字/模擬電子技術(shù)為前級課程，概念多、專有名詞多、接口芯片多，學(xué)生普遍反映課程內(nèi)容抽象，學(xué)起來較困難，從而失去了學(xué)習(xí)的信心，教學(xué)效果不理想。但是該課程是后續(xù)課程，如單片機(jī)技術(shù)、可編程控制器原理及應(yīng)用、DSP原理及應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等課程學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)，具有重要的地位，如圖1所示。因此，對該課程的教學(xué)內(nèi)容和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化具有很大意義。
　　計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展迅猛，新技術(shù)層出不窮，從八十年代初的8位機(jī)Z80模型機(jī)到現(xiàn)在的Pentium系列模型機(jī)或高端嵌入式技術(shù)，相應(yīng)地，微機(jī)課程的教學(xué)對基礎(chǔ)性、先進(jìn)性和前沿性都有很高的要求，要求對傳統(tǒng)和現(xiàn)代的內(nèi)容進(jìn)行協(xié)調(diào)。
　　大學(xué)專業(yè)課程教學(xué)不同于職業(yè)技術(shù)培訓(xùn)[8]，必須強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)和分析能力，為進(jìn)一步的深造作應(yīng)有的準(zhǔn)備，而不能盲目追求最新或最實(shí)用技術(shù)的講解介紹。因此，微機(jī)原理教學(xué)內(nèi)容組織的指導(dǎo)思想是：從熟悉基本原理、基本概念入手，培養(yǎng)學(xué)生的分析和擴(kuò)展能力，在保證基礎(chǔ)的前提下，注意引入計(jì)算機(jī)發(fā)展中涌現(xiàn)的新技術(shù)，科學(xué)合理地更新課程內(nèi)容，保持先進(jìn)性和時(shí)代性。
　　首先，由于這門課程概念多、比較抽象、內(nèi)容相對枯燥，在具體課程內(nèi)容組織中，教師仍舊以Intel的16位微處理器8086為主，詳細(xì)講解其執(zhí)行部件EU和總線接口部件BIU架構(gòu)、管腳定義與作用、各種總線操作時(shí)序、指令系統(tǒng)和匯編程序設(shè)計(jì)方法。在I/O接口部分，則以并行接口、串行接口和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器接口為例，教師重點(diǎn)講解I/O接口的基本原理及典型電路。因?yàn)橐?086 CPU為核心的講授在內(nèi)容和方法上都比較成熟，有利于基本概念和基本原理的引入介紹。教學(xué)實(shí)踐證明，如果一下子將教學(xué)內(nèi)容全面提升到32位，如Pentium系列微機(jī)，則很多概念和技術(shù)成了沒有根基的東西，學(xué)生糾纏于高端CPU的技術(shù)細(xì)節(jié)中，無法理解和領(lǐng)會(huì)微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和接口技術(shù)發(fā)展的過程，學(xué)習(xí)起來難度太大，無法達(dá)到應(yīng)有的教學(xué)效果。
　　其次，在教學(xué)內(nèi)容中適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)充最新的微機(jī)技術(shù)，并保持對國外原版計(jì)算機(jī)系列優(yōu)秀教材的關(guān)注，主動(dòng)學(xué)習(xí)和消化吸收其先進(jìn)的技術(shù)和方法，將之引入課程教學(xué)中。例如，筆者在教學(xué)中將ARM32位嵌入式芯片的開發(fā)技術(shù)引入到課程內(nèi)容講解中，使大學(xué)的課程教學(xué)能和現(xiàn)階段主流項(xiàng)目研發(fā)中使用的技術(shù)相銜接，開闊了學(xué)生的視野，也為學(xué)生走出課堂、適應(yīng)社會(huì)技術(shù)發(fā)展作準(zhǔn)備。
　　2課堂教學(xué)方式優(yōu)化
　　2.1靈活應(yīng)用多媒體教學(xué)輔助手段
　　在教學(xué)中，良好的教學(xué)方式和手段是通過課程內(nèi)容傳授培養(yǎng)學(xué)生能力和素質(zhì)的保證。在微機(jī)原理課堂教學(xué)中，相當(dāng)多的內(nèi)容只是用文字描述和定義，其對象看不見、摸不著，學(xué)生普遍感覺比較抽象和枯燥，只知其然不知其所以然。因此，必須要摒棄傳統(tǒng)照本宣科的講授方法，通過多媒體輔助教學(xué)手段的靈活應(yīng)用加以改變。多媒體技術(shù)是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)與視頻、音頻和通信等技術(shù)融為一體而形成的新技術(shù)。通過使用多媒體教學(xué)手段，把文字、圖形、聲音、動(dòng)畫等媒體形式有機(jī)地組合在一起，抽象知識具體化和形象化，可以有效加強(qiáng)學(xué)生的理解和記憶。
　　例如，在講授指令系統(tǒng)的尋址方式時(shí)，教師可以把執(zhí)行部件EU、接口部件BIU和存儲(chǔ)器等部件執(zhí)行不同尋址方式指令的變化，做成Flash課件演示。讓學(xué)生清楚地了解指令執(zhí)行過程中EU、BIU中的寄存器等部件以及存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元中內(nèi)容的變化，并理解各部件之間的構(gòu)造、功能和指令執(zhí)行過程中的互相配合過程。這樣一來，學(xué)生通過感性的認(rèn)識，可以記得更加牢靠。
　　2.2引入現(xiàn)代仿真技術(shù)加強(qiáng)教學(xué)
　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器和仿真技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)的利器。同樣，將這些現(xiàn)代仿真技術(shù)引入課堂教學(xué)中，彌補(bǔ)課堂教學(xué)中只有枯燥講解而缺乏實(shí)際操作環(huán)境的不足，可以大大提高教學(xué)質(zhì)量。
　　例如，EMU8086仿真軟件可以很好地輔助課堂教學(xué)。EMU8086是基于8086 CPU的仿真軟件，與8086的功能十分相近，其內(nèi)部集成了匯編程序編輯器、匯編器、連接器、參考資料、例程、學(xué)習(xí)指南和虛擬硬件等。它能模擬真實(shí)微處理器的每一步驟，并顯示內(nèi)部寄存器、存儲(chǔ)器、堆棧、變量和標(biāo)志寄存器，而且其中任何一個(gè)數(shù)值都可通過鼠標(biāo)雙擊來改變。同時(shí)，它還虛擬了微機(jī)顯示器、交通紅綠燈、直流步進(jìn)電機(jī)、LED等外設(shè)，因此是一款可以很好地輔助微機(jī)原理教學(xué)的仿真軟件。圖2所示是筆者將EMU8086用于輔助匯編語言程序設(shè)計(jì)教學(xué)的例子。由圖可知，程序可以單步執(zhí)行或全速執(zhí)行，每步執(zhí)行過程中，各寄存器內(nèi)容變化一目了然，學(xué)生可以設(shè)置觀察窗口觀察變量與堆棧變化等。其他的仿真軟件有Proteus等。
　　2.3加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的應(yīng)用
　　為了延伸課堂教學(xué)，打破課堂教學(xué)時(shí)間和空間的限制，筆者將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展引入微機(jī)原理課程的教學(xué)中，建立了網(wǎng)絡(luò)教室。課堂教學(xué)的每個(gè)課件和多媒體動(dòng)畫都會(huì)上傳到網(wǎng)絡(luò)教室中，學(xué)生可以在課前下載預(yù)習(xí)，提高課堂的參與度。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)教室也提供工程項(xiàng)目技術(shù)資料、課外擴(kuò)展閱讀材料以及其他相關(guān)英文資源、國外著名高校的課堂講課錄像等，學(xué)生在這里可以獲取原汁原味的國外相關(guān)技術(shù)知識。網(wǎng)絡(luò)教室不僅提供了一個(gè)資源共享的網(wǎng)絡(luò)平臺，還可以使老師和學(xué)生突破時(shí)空局限，通過網(wǎng)上授課、網(wǎng)上提問、網(wǎng)上作答甚至網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)和網(wǎng)上考試等，更大程度地提高學(xué)生與老師交流的便利性。
　　3實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)優(yōu)化
　　3.1上機(jī)實(shí)習(xí)和操作實(shí)驗(yàn)結(jié)合，增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)
　　如前所述，微機(jī)原理與接口技術(shù)是實(shí)踐性和操作性很強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是課程教學(xué)的重要方面。筆者根據(jù)教學(xué)實(shí)際需要，把實(shí)驗(yàn)劃分成上機(jī)實(shí)習(xí)和操作實(shí)驗(yàn)兩部分。
　　上機(jī)實(shí)習(xí)是理論課程的上機(jī)作業(yè)，主要針對指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)。由淺入深地分為驗(yàn)證性題目和設(shè)計(jì)性題目。在教學(xué)實(shí)踐中，筆者要求學(xué)生在個(gè)人電腦上安裝EMU8086仿真軟件，進(jìn)行程序的編制和調(diào)試，并最終提交上機(jī)實(shí)習(xí)報(bào)告。
　　操作實(shí)驗(yàn)需要到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也是由淺入深地分為I/O接口基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性綜合實(shí)驗(yàn)兩部分。主要針對微機(jī)I/O接口的學(xué)習(xí)和系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)。I/O接口基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是為了鞏固學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的理解，并培養(yǎng)學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)操作技能和方法；設(shè)計(jì)性綜合實(shí)驗(yàn)是以某一設(shè)計(jì)目標(biāo)為導(dǎo)向的開放性設(shè)計(jì)題目，學(xué)生也可以在教師的指導(dǎo)下自擬設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目。
　　
　　以前的微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是在設(shè)定好的條件和環(huán)境下進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造力都沒有得到發(fā)揮。筆者進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的優(yōu)化，將上機(jī)實(shí)習(xí)和操作實(shí)驗(yàn)靈活結(jié)合，有效地協(xié)調(diào)教學(xué)內(nèi)容多和教學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)逐步減少的矛盾，有利于學(xué)生課后的學(xué)習(xí)思考、鞏固加深。而且設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開出可以鍛煉學(xué)生的綜合程序設(shè)計(jì)能力和綜合創(chuàng)新能力。
　　3.2先進(jìn)虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用
　　根據(jù)實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在操作實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時(shí)間較短，學(xué)生沒有充分時(shí)間對一些異常現(xiàn)象或程序預(yù)期輸出和實(shí)際輸出不相符的情況進(jìn)行仔細(xì)觀測、研究和試驗(yàn)，只得草草收兵。或由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的大部分連線已經(jīng)固定，學(xué)生實(shí)際連線操作較少或較簡單，實(shí)驗(yàn)未能使學(xué)生對理論課程內(nèi)容有深刻的感性理解。甚至由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備接口的頻繁插拔，造成設(shè)備的損壞而一時(shí)難以修復(fù)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法繼續(xù)進(jìn)行。
　　因此，我們在課程教學(xué)，特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入了先進(jìn)的虛擬儀器仿真技術(shù)-Proteus，來彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的缺陷，增加實(shí)驗(yàn)的靈活性，加深學(xué)生對課程內(nèi)容的理解。
　　Proteus是一款嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真軟件，可以分析、仿真各種模擬器件和集成電路，同時(shí)提供示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等虛擬儀器儀表。在Proteus7.5SP3版本中，已經(jīng)開始提供對8086芯片及相關(guān)接口的支持，可以用于微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬仿真。圖3給出了一個(gè)利用8086 CPU、8255A，8251A和8253A進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)的仿真原理圖，加上相應(yīng)匯編程序，則可實(shí)現(xiàn)計(jì)算器的仿真。
　　同樣地，我們可以利用Proteus實(shí)現(xiàn)微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的內(nèi)存擴(kuò)展、并行接口、串行接口、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、中斷等實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，也可以利用Proteus仿真軟件進(jìn)行開放性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，提高學(xué)生的綜合知識應(yīng)用能力。
　　4結(jié)論
　　從實(shí)際教學(xué)效果來看，通過從課程內(nèi)容與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、課堂教學(xué)方式的優(yōu)化和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的優(yōu)化三個(gè)方面對微機(jī)原理與接口技術(shù)課程進(jìn)行改革后，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性有了明顯提高，課堂氣氛活躍，參與度高。對相關(guān)后續(xù)課程和設(shè)計(jì)的跟蹤調(diào)查也表明，學(xué)生在此課程中普遍提高了知識綜合和設(shè)計(jì)能力。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]