基于PROTEUS平臺的微機原理與接口技術實驗教學改革與實踐

汪波　王慶勇

【摘 要】微機原理與接口技術是屬于計算機學科的一門重要的專業課，很多學生都無法準確完成教學目標的要求，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平臺PROTEUS，來解決此難題，經過改革測試，學生學習效果好，改革成功。

【關鍵詞】接口技術；虛擬平臺；實驗教學改革

【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

培養具有工程意識與工程能力，適應我國社會經濟發展需要且與國際接軌的工程技術人才，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。但就目前我國高等工程教育的總體質量看，在這方面與發達國家相比還有一定的差距，主要表現在工程技術人才的培養模式上普遍還存在重理論輕實踐，重知識傳授、輕能力培養等問題。

湖北經濟學院計算機學科教育中注重復合型、應用型人才的培養，這既是對學?！皟捎腥龑崱比瞬排囵B目標的貫徹和執行，也是對計算機專業傳統上鮮明的行業特色的繼承和發展。為了促使實驗教學工作更加科學和實用，我們以設計新版人才培養方案為契機，通過反復論證和研討，對計算機專業的實驗課程教學進行了整體的規劃，提出了虛擬實驗教學平臺來彌補現實教學環境不足的課程體系。[6-8]

1 目前課程實驗教學存在的問題

微機原理與接口技術課程是高校計算機類專業本科生的專業課，課程的特點是內容較抽象，微機的軟硬件知識結合緊密、相互滲透，其理論性、實踐性、綜合性和應用性都很強。而實驗課程是培養學生的工程意識、創新精神，提高學生的綜合素質方面具有理論教學所不可替代的作用。但就目前實驗教學看，普遍還存在有以下問題：

1）基礎驗證性實驗比重大，內容上多偏重于對理論知識的驗證，缺乏新穎性和趣味性，與工程實際聯系不緊密；設計性和綜合應用性實驗偏少，且還是要求學生在相對較短的學時內完成，難度較大，收不到應有的教學效果；創新性實驗幾乎沒有。

2）現行的實驗教學方式，學生的主體作用得不到很好發揮在實驗過程中，學生基本上是按照實驗指導書或者是教師的指導，按步就班地連線操作，在實驗設備上觀察應出現的特定現象等，自己獨立思考和設計創新的機會較少。

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

2 實驗教學環境模式研究實踐

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，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前比較好的仿真單片機及外圍器件的工具。該軟件的原理圖布圖、代碼調試到CPU與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。8086平臺及Poteus、75SP3軟件，支持8086微處理器與8255A、8253、8259、8251等接口芯片的系統仿真。在教學方面Proteus是一個巨大的教學資源，可以用于：模擬電路與數字電路的教學與實驗；單片機與嵌入系統軟件的教學與實驗；微控制器系統的綜合實驗；創新實驗與畢業設計；項目設計與產品開發。基于此軟件建立“微機原理與接口技術”課的仿真實驗平臺如同一個設備齊全的的實驗室，借助此平臺進行實驗教學。

在實驗內容和形式的組織上采用階段式多層次式結構，即將實驗教學過程分為三個層次進行

1）第一層次是基礎入門驗證性實驗，結合教材中的課后要求實驗按部進行，內容主要是簡單的IO輸入輸出，熟悉本實驗配置和實驗步驟，能夠根據流程圖編寫和調試匯編語言程序，掌握接口芯片各個引腳信號的接線方法。教師指導好學生在規定的實驗時間段配套的實驗要求，耐心地向學生傳授軟硬件設計方法，協助學生排除故障，使他們盡快掌握程序調試及故障分析與排除的基本方法和技能，培養學生嚴謹規范的實驗作風，為后續實驗奠定基礎。

2）第二層次設計綜合性實驗，是提高階段，這一階段主要是提高學生獨立思考分析和解決問題的能力因為這時學生已經具備了基本的編程能力，對芯片的硬件接線也有了進一步的認識，自己有能力在已給出的基本接線原理基礎上，繼續深入一步做一些修改、設計甚至綜合。本層實驗內容主要結合匯編編程與接口芯片進行譬如利用8253完成輸出各種波形的實驗，難度也有所提高，需要學生自己設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，讓學生理解了原理，同時也提高了學生的實踐動手能力，充分調動了學生的積極性和激發了他們的學習熱情，樹立了學生的學習自信心和學習成就感。教師在此階段啟發引導為主，在實驗教學過程中發現問題解決問題的思路，鼓勵學生相互討論，在課內規定的時間完成外不進行示范和動手排除實驗形式除了，培養學生能夠在仿真平臺發揮自己的主動性和創造性。

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

3 實施實驗教學具體案例研究

以微機原理與接口技術中的重點難點：定時器/計數器技術8253編程為例，采用的是波形發生器。以8253為I/O接口，設計電路和程序，實現幾種波形的產生。學習8253初始化程序設計方法和電路設計方法。練習使用匯編語言控制8253，實現幾種波形的產生。

通過仿真平臺的實驗效果演示，可以清晰的指導程序的運行情況，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生實際的效果的。虛擬教學平臺模式為我們解決以上這些問題提供了很好的方案。我校結合自身條件于2012年開始實行PROTEUS虛擬教學環境模式，經歷了四屆的驗證，效果良好。

【參考文獻】

[1]陳濤.教學型本科院校計算機專業實踐教學改革研究[J].軟件導刊，2013（12）.

[2]程思寧，耿強.虛擬仿真技術在電類實驗教學中的應用與實踐[J].實驗技術與管理，2013（7）：94-97.

[3]汪波，孫寶林.對經濟院?！坝嬎銠C科學與技術”本科專業建設的思考[J].計算機教育，2009（22）：24-26.

[4]鄒國平.微機原理與接口技術虛擬實驗研究[D].中國優秀博碩士學位論文全文數據庫，南昌：南昌大學，2007.

[5]張學軍，王阿習.虛擬實驗與真實實驗整合的進一步探討[J].現代教育技術，2011，21（2）：132 -135.

[6]桂超，李紅艷，戴志鋒.基于“卓越工程師”目標的本科人才培養模式研究[J].科技創業，2013 ，11.

[7]李紅艷，桂超，汪波， 戴志鋒.面向“卓越工程師計劃”的獨立學院實踐教學改革[J].信息通信，2014，06.

[8]戴志鋒. IT工程人才校企合作培養機制演進——基于應用型到卓越型的視域[J].教育與教學研究，2014，11.

[責任編輯：楊玉潔]