匯編與接口技術(shù)課程的研究型實(shí)驗(yàn)探索

趙宏智，李清勇

（北京交通大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，北京100044）

1 背景

為更好地培養(yǎng)出具有創(chuàng)新與實(shí)踐能力的工程技術(shù)人才，達(dá)到國(guó)際工程認(rèn)證畢業(yè)要求，就要有相應(yīng)的課程體系予以配合，并使課程體系中的每一課程都要對(duì)認(rèn)證畢業(yè)要求有明確貢獻(xiàn)。匯編與接口技術(shù)是一門(mén)綜合性、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，主要介紹計(jì)算機(jī)組成和工作原理、匯編程序設(shè)計(jì)以及接口技術(shù)，是計(jì)算機(jī)學(xué)院的必修課程之一。學(xué)習(xí)該課程有助于學(xué)生理解計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的基本工程知識(shí)，但該課程知識(shí)點(diǎn)較多，軟硬件并重，具有較強(qiáng)的理論性、實(shí)踐性與應(yīng)用性。

國(guó)防科技大學(xué)的陳立剛[1]、南京郵電大學(xué)的周寧寧[2]等所在的國(guó)內(nèi)一流高校的類(lèi)似課程建設(shè)都未面向工程教育認(rèn)證體系進(jìn)行專門(mén)的建設(shè)；海軍工程大學(xué)的昆朝群[3]結(jié)合軍隊(duì)院校教學(xué)實(shí)際深入推進(jìn)微機(jī)原理與接口技術(shù)課程改革,為軍隊(duì)院校微機(jī)原理與接口技術(shù)課程建設(shè)和教學(xué)改革提供有力的技術(shù)支撐，與普通高等教育培養(yǎng)方向的不同和軍隊(duì)院校的特殊性導(dǎo)致該課程改革不太適合進(jìn)行國(guó)際工程教育認(rèn)證。這些都未從整個(gè)專業(yè)教育體系的高度梳理該課程對(duì)學(xué)生具體能力的培養(yǎng)。北京交通大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院在實(shí)施工程教育認(rèn)證的過(guò)程中，要求學(xué)生通過(guò)對(duì)匯編與接口技術(shù)課程的學(xué)習(xí)，能夠具有兩點(diǎn)基本能力：理解與掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的基本理論與方法，并從科學(xué)技術(shù)方法論上理解本專業(yè)的基本研究方法；掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)應(yīng)用工程問(wèn)題的基本設(shè)計(jì)原理與方法，能夠針對(duì)相關(guān)工程問(wèn)題設(shè)計(jì)合理的解決方案。這兩點(diǎn)基本能力可以通過(guò)課堂講授和常規(guī)的接口實(shí)驗(yàn)如定時(shí)器接口實(shí)驗(yàn)、中斷控制器接口實(shí)驗(yàn)等獲得。除此之外，還要求學(xué)生具備3點(diǎn)比較高級(jí)的能力：①能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)與自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)分析與識(shí)別相關(guān)實(shí)際工程應(yīng)用問(wèn)題的復(fù)雜性，解決計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及應(yīng)用中的復(fù)雜工程問(wèn)題，設(shè)計(jì)出合理的解決方案；②理解與掌握一般工程項(xiàng)目規(guī)劃與管理、工程決策與經(jīng)濟(jì)的基本知識(shí)與方法；③自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)意識(shí)，在復(fù)雜工程問(wèn)題的解決方案中體現(xiàn)出一定的自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的能力。

2 研究型實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)箱的基本情況

實(shí)驗(yàn)箱采用清華大學(xué)生產(chǎn)的TPC-386EX實(shí)驗(yàn)箱，其上的接口集成電路采用堆積木模塊形式設(shè)計(jì)，電路主要包括總線電路、中斷控制器8259、DMA控制器8237、可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（8253）、可編程并行接口（8255）、串行通信接口16550、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC0832）、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC0809）等。外圍電路包括：邏輯電平開(kāi)關(guān)，LED顯示、七段數(shù)碼管顯示、8*8點(diǎn)陣及驅(qū)動(dòng)電路、直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路、繼電器及驅(qū)動(dòng)電路、喇叭及驅(qū)動(dòng)電路，PS2電路，LCD128X64字符，圖形顯示模塊，4*4鍵盤(pán)實(shí)驗(yàn)?zāi)K等（見(jiàn)圖1）。

圖1 TPC-386EX實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

這些接口電路和外圍電路之間的連接由兩部分組成，一部分是廠家已經(jīng)固化的線路，另一部分是讓學(xué)生手動(dòng)地在電路模塊旁邊的插孔中插入導(dǎo)線進(jìn)行連接，這就為學(xué)生靈活組合不同的電路模塊以進(jìn)行研究型實(shí)驗(yàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

3 研究型實(shí)驗(yàn)的組織方法

這種研究型實(shí)驗(yàn)方法立足于面向常規(guī)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)箱，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力，不限題目，在教師的幫助和審核下，自行擬定好玩且有一定工程量的實(shí)驗(yàn)題目，從而可以讓學(xué)生以較高的興趣來(lái)體驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念和產(chǎn)品化的設(shè)計(jì)過(guò)程。這樣做的考慮是：①工程量比較大，需要多個(gè)學(xué)生合作才能完成。對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，每組2～3人，確定小組長(zhǎng)；研究小組的任務(wù)包括查閱資料、應(yīng)用構(gòu)思、小組討論、規(guī)劃設(shè)計(jì)方案、硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)、成果展示、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。這種分組的方式有利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程項(xiàng)目規(guī)劃與管理以及工程決策的能力。為了避免小組內(nèi)吃大鍋飯的現(xiàn)象，每個(gè)組員的得分可能是不同的，得分有兩個(gè)依據(jù)：一是各人在本實(shí)驗(yàn)中的角色、分工和任務(wù)量；二是教師根據(jù)各人的任務(wù)隨機(jī)地提問(wèn)，相關(guān)組員的答題質(zhì)量。②學(xué)生自擬題目可以發(fā)揮學(xué)生自己的想象力，同時(shí)讓其保持較高的興趣；另外，教師嚴(yán)格控制題目，不同的小組不能有相同的題目，避免抄襲現(xiàn)象出現(xiàn)。③題目要好玩，一方面可以讓學(xué)生保持較高的興趣，另一方面就意味著題目必須有一定的應(yīng)用意義，應(yīng)當(dāng)是面向應(yīng)用任務(wù)來(lái)有機(jī)組合實(shí)驗(yàn)箱上的多種接口電路，不能是為了組合而組合。為了達(dá)到該目的，僅僅依靠教師在課堂上講授的內(nèi)容是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。學(xué)生必須自行查閱應(yīng)用相關(guān)的知識(shí)，從而鍛煉其自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的能力。

在各組同學(xué)自擬題目的過(guò)程中，題目若不好玩并且工程量不足，則會(huì)被反復(fù)打回，直至滿足上述要求。當(dāng)通過(guò)教師審核之后，每組學(xué)生應(yīng)提交一個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)書(shū)，包括：①實(shí)驗(yàn)需求的詳細(xì)描述，包括應(yīng)用功能描述、輸入輸出內(nèi)容、控制方式；②實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)，包括大概需要用到的接口電路和需要的應(yīng)用設(shè)計(jì)；③每組人員名單以及組長(zhǎng)、組員的分工。當(dāng)教師審核通過(guò)該任務(wù)書(shū)之后，學(xué)生們就可以正式實(shí)施該研究型實(shí)驗(yàn)了。

可以看出，該研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與需要教師給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)內(nèi)容、參考原理圖或程序框圖的常規(guī)性實(shí)驗(yàn)有著很大的不同，可以為培養(yǎng)學(xué)生的前述3點(diǎn)高級(jí)能力提供一個(gè)較好的鍛煉機(jī)會(huì)。

4 自擬題目和任務(wù)書(shū)的案例

4.1 點(diǎn)陣舞動(dòng)小人實(shí)驗(yàn)

利用8*8點(diǎn)陣模擬信號(hào)燈上的小人走動(dòng)和靜止，當(dāng)按下脈沖產(chǎn)生器PLUS后，點(diǎn)陣上的小人轉(zhuǎn)變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即由靜止變?yōu)樽邉?dòng)或由走動(dòng)變?yōu)殪o止。

在該實(shí)驗(yàn)中需要使用可編程并行接口（8255），8*8點(diǎn)陣及驅(qū)動(dòng)電路以及中斷控制器（8259）。點(diǎn)陣中小人形狀模型的設(shè)計(jì)到初步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)小人行走時(shí)動(dòng)作的設(shè)計(jì)，需要解決一系列的問(wèn)題，比如怎樣控制小人的行走速度，怎樣讓小人在舞動(dòng)行走的時(shí)候有規(guī)律地?cái)[臂，并保證動(dòng)作好看，在控制小人行走速度的時(shí)候，方案是分別讓小人的左腿右臂和右腿左臂各擺動(dòng)1000次，以此達(dá)到讓走動(dòng)的小人清晰顯示的效果。

4.2 小鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)電子琴串行通信實(shí)驗(yàn)

利用兩個(gè)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行串行通信，其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱A利用小鍵盤(pán)按鍵1、2、3、4、5、6、7通過(guò)串口線給另一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱B發(fā)送信號(hào)，使得實(shí)驗(yàn)箱B接收到相應(yīng)的信號(hào)后發(fā)出對(duì)應(yīng)do、re、mi、fa、so、la、si的音符。實(shí)驗(yàn)箱A按鍵的同時(shí)，在其數(shù)碼管上會(huì)相應(yīng)地顯示數(shù)字1、2、3、4、5、6、7。

在實(shí)驗(yàn)中，B實(shí)驗(yàn)箱上的8254可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，用于實(shí)驗(yàn)箱B揚(yáng)聲器發(fā)聲；A實(shí)驗(yàn)箱上的8255并行接口芯片，控制B實(shí)驗(yàn)箱上的揚(yáng)聲器的啟動(dòng)/關(guān)閉，與小鍵盤(pán)連接；16550串行通信接口，用來(lái)連接兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)箱，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)箱的通信。每個(gè)音階都有其固定的頻率，電子琴音階頻率設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 電子琴音階頻率設(shè)計(jì)

4.3 競(jìng)賽搶答器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)一個(gè)七路搶答器，以模擬競(jìng)賽中的搶答器功能。當(dāng)主持人按開(kāi)始鍵后，選手才可搶答，否則違規(guī)。該搶答器具有如下功能：①該搶答器有一個(gè)開(kāi)始鍵，由撥動(dòng)開(kāi)關(guān)控制，由主持人使用；②該搶答器可供7人同時(shí)搶答，由撥動(dòng)開(kāi)關(guān)控制，選手使用；③當(dāng)選手違規(guī)時(shí)，違規(guī)選手的燈亮和揚(yáng)聲器報(bào)警，數(shù)碼管顯示最先違規(guī)的選手號(hào)碼；④當(dāng)選手搶答成功，成功搶答選手的燈亮和揚(yáng)聲器鳴叫，數(shù)碼管顯示最先搶答到選手號(hào)碼；⑤搶答前，所有的波動(dòng)開(kāi)關(guān)必須撥到下方，新一輪的搶答才可以開(kāi)始。

實(shí)驗(yàn)所需器材為可編程并行接口芯片8255、可編程定時(shí)器／計(jì)數(shù)器8254、8個(gè)發(fā)光二極管、揚(yáng)聲器，、LED八段數(shù)碼管和8個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)。8個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)中，K7作為開(kāi)始鍵，K0～K6等7個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)用作7位選手的搶答按鍵。揚(yáng)聲器的功能主要是提示，搶答成功時(shí)揚(yáng)聲器鳴叫，搶答違規(guī)時(shí)揚(yáng)聲報(bào)警。LED數(shù)碼管的功能為顯示的內(nèi)容與選手號(hào)對(duì)應(yīng)，搶答成功或違規(guī)都要顯示。二極管的功能定義為：第1到第7個(gè)二極管對(duì)應(yīng)相應(yīng)的選手，當(dāng)有選手搶答成功或違規(guī)時(shí)，對(duì)應(yīng)的二極管發(fā)光；第8個(gè)二極管顯示搶答是否開(kāi)始。

4.4 猜數(shù)實(shí)驗(yàn)

裁判員先在小鍵盤(pán)的0-9之間選中1個(gè)數(shù)，每一次游戲選手有3次機(jī)會(huì)，當(dāng)選手選出1個(gè)數(shù)后，程序會(huì)在點(diǎn)陣顯示屏上顯示提示語(yǔ)言，如：該數(shù)與裁判員選定的數(shù)相比是“大”“小”還是“√”。在游戲過(guò)程中還需要采用定時(shí)計(jì)算器進(jìn)行計(jì)時(shí)，以確定選手猜準(zhǔn)數(shù)據(jù)的時(shí)間，用數(shù)碼管顯示秒數(shù)。若時(shí)間超過(guò)16秒，則游戲結(jié)束，數(shù)碼管顯示“F”。若3次未猜對(duì)，數(shù)碼管顯示當(dāng)前秒數(shù)。

在該實(shí)驗(yàn)中，使用小鍵盤(pán)作為外設(shè)，實(shí)現(xiàn)選數(shù)功能。利用8255的A、B口對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描捕捉按鍵的位置。使用8253定時(shí)器與8259中斷結(jié)合進(jìn)行計(jì)時(shí)，并在中斷服務(wù)程序里對(duì)時(shí)間進(jìn)行更新，以達(dá)到計(jì)時(shí)的目的。在8*8點(diǎn)陣上顯示選手輸入的數(shù)與裁判輸入數(shù)的大小關(guān)系。

5 教學(xué)反饋

從教師的角度來(lái)說(shuō)，本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)可總結(jié)為3點(diǎn)：①工作量大，課后花大量時(shí)間查閱資料，進(jìn)行應(yīng)用層面的設(shè)計(jì)，對(duì)單個(gè)接口電路的控制反而花的時(shí)間不多；②學(xué)生間需要積極交流，否則難以獨(dú)自完成；③教師的提問(wèn)考察有效杜絕了大鍋飯的現(xiàn)象。

從學(xué)生的角度來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)課增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，理論與實(shí)踐相結(jié)合讓學(xué)生對(duì)課堂上理論知識(shí)的理解更加清晰深刻；常規(guī)型實(shí)驗(yàn)給最后一次研究性實(shí)驗(yàn)打下了良好的基礎(chǔ)，能在最后的研究性實(shí)驗(yàn)中把總結(jié)到的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)融會(huì)貫通，應(yīng)用于實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，從而設(shè)計(jì)出有趣的研究性實(shí)驗(yàn)；在思考實(shí)驗(yàn)創(chuàng)意、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路、解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題到最后完成實(shí)驗(yàn)的過(guò)程收獲了很多，也體會(huì)到了實(shí)驗(yàn)成功、利用自己所學(xué)的知識(shí)創(chuàng)新實(shí)踐以及與隊(duì)友互相配合集思廣益所帶來(lái)的喜悅。

需要說(shuō)明的是，學(xué)生們并不知曉什么是工程教育專業(yè)認(rèn)證，但是從學(xué)生的反饋來(lái)看，學(xué)生們確實(shí)達(dá)到了工程教育專業(yè)認(rèn)證的3點(diǎn)高級(jí)能力的培養(yǎng)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

以工程教育專業(yè)認(rèn)證為導(dǎo)向，立足于已有的實(shí)驗(yàn)箱和常規(guī)性實(shí)驗(yàn)，從教師需要給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)內(nèi)容、參考原理圖或程序框圖的常規(guī)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生自由發(fā)揮為主、教師指引和評(píng)價(jià)為輔的研究型教學(xué)方法，能夠培養(yǎng)學(xué)生具備工程教育專業(yè)認(rèn)證中要求的3點(diǎn)高級(jí)能力，正是工程教育專業(yè)認(rèn)證在本課程中加以實(shí)施的目的和意義所在。

[1]陳立剛,鄒逢興,徐曉紅,等.新編教材“微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)”之探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2016,38(4):148-150.

[2]周寧寧,王偉,成衛(wèi)青.微機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)模式研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2011,9(4):117-119.

[3]昆朝群,陳修亮,梁英杰.軍隊(duì)院校微機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)改革研究[J].計(jì)算機(jī)教育,2017(4):19-22.