結合工程教育認證的硬件系列課程教學改革＊

劉彩虹，林 強，滿正行，紀金水

（西北民族大學，甘肅 蘭州 730030）

1 引言

《華盛頓協議》是最有影響力的工程教育學位互認協議，中國加入了該協議，加入該協議意味著中國工程專業本科學位將有一部分得到國際認可，當然也對中國工程教育體系提出了新的要求——按照國際標準培養、切實提高工程技術人才培養質量。依據《工程教育認證辦法》和《工程教育認證標準》，學習領會工程教育認證的本質內涵和總體要求，按照認證要求推進專業建設。

工程教育認證要求學習并使用現代的各種工具。面對各種各樣的工程問題，適當合理地運用現代信息技術工具，預測和模擬復雜的工程問題，能夠及時了解復雜工程的局限性。應熟練了解現代工具的原理和方法，現代工具主要包括儀器、工程工具和各種工程模擬軟件；了解如何選擇合適的現代工具和專業模擬軟件，對工程中的各類問題進行詳細分析，并借助工具進行計算，運用工具進行工程設計；面對具體的工程對象，選用恰當的現代工具，對專業問題進行模擬，并作出適當的預測，并理解如何分析其局限性。能力的培養是一個復雜、系統化的過程，主要通過一定數量和質量的課程，構成課程體系，相輔相成，理論和實踐相結合去學習，最終實現能力的提高。

2 Multisim 介紹及應用

Multisim 是一個廣泛用于各類仿真的工具，特別適合模擬電路和數字電路的模擬和設計工作。本模擬軟件支持多種輸入方法，如原理圖圖形輸入、VHDL、AHDL 等多種硬件描述語言的輸入，具有非常強大的仿真電路和分析電路的能力。搭建電路原理圖的工作也可以借助本軟件完成，搭建過程簡單，使用方便，搭建完成后不需要做移植，直接進行仿真即可。本模擬軟件適合電子學方面課程的學習。運用Multisim，專業教師完成從理論學習到仿真，再到具體設計的實現和測試，真正完成一個完整的設計過程。

硬件相關的專業基礎課主要有“電路分析”“模擬電子技術基礎”“數字電子技術基礎”等。這些課程任務是奠定學生的基礎理論，掌握電子技術方面的基本知識，培養電子技術方面的基本技能，為后續專業學習奠定基礎。通常，這些課程的教學是由理論教學、課程實驗等教學環節構成的。電路分析、模擬電子和數字電子都可以用Multisim 進行仿真，這樣避免花時間學習多個仿真軟件。數字電路里的競爭冒險現象如圖1 所示。

圖1 競爭冒險現象

3 Proteus 介紹及應用

Proteus 支持比較全面的仿真功能，除了常見的基本電路的仿真，還能進行單片機、8086 等各種處理器及其外圍器件的仿真。尤其在仿真單片機及其外圍器件方面具有很大的優勢。本軟件是真正的一款從概念到產品的仿真軟件。首先設計原理圖，原理圖的設計方法跟其他設計軟件類似，不需要單獨學習；代碼調試有兩種方法，可以借助其他調試工具進行調試，將編譯完的可執行文件直接加載到原理圖的處理器中，也可以通過對Proteus 的設置，在Proteus 中直接進行代碼調試；設計好原理圖、代碼調試完成，就可以實現處理器與外圍電路的仿真。Proteus 是綜合性的設計平臺，可以實現電路仿真、PCB 設計軟件和虛擬模型仿真，其處理器模型支持8051、8086 和DSP 等多種處理器，其他系列處理器模型還在繼續增加。Proteus 仿真軟件支持IAR、Keil 等多種編譯器。

硬件相關的專業課主要有“計算機組成原理”“匯編語言”“微機原理與接口技術”“單片機原理及其應用”“嵌入式系統與設計”等，這些課程都可以用Proteus 進行仿真，Proteus 也可以應用于專業實踐課。

8086 控制數碼管閃爍硬件結構如圖2 所示，8086 作為主控制器，數碼管各個段的輸入接D 觸發器的輸出Q，8086的WR 和M/IO 的或運算結果作為D 觸發器的復位控制端R的輸入，8086 的RD 和M/IO 的或運算結果作為D 觸發器的置位控制端S的輸入。

圖2 硬件結構圖

根據圖2，R有效即R=0 時，Q輸出0，七段數碼管全滅，S有效即S=0 時，Q輸出1 時，七段數碼管全亮。也就是通過程序控制R和S輪流等于0，就實現了對數碼管的閃爍控制。R=0 和S=0，通過IO 端口進行寫和讀操作。根據以上思路，數碼管閃爍控制的程序設計如下：

mov dx,200h ；設置端口地址lp:out dx,al ；寫端口

call delay ；調用延時子程序

in al,dx ；讀端口

call delay ；調用延時子程序

jmp lp ；跳轉循環執行

end

原理圖設計完成后，編寫對應的程序，將編譯得到的可執行文件加載到8086，然后進行仿真，就能觀察到數碼管的閃爍。通過硬件和程序設計，并進行仿真，觀察到閃爍現象，幫助學生理解軟硬件協同工作的思路，提升學生的分析設計能力，達到教學目標。

4 現代工具應用于教學過程的實施方案

仿真的過程需要建立各種電路，然后進行仿真，隨著電路復雜度的增加，電路輸入需要大量的時間。針對以上問題，制定了師生共建仿真實例庫的計劃：申請一個網盤，保存和共享仿真實例；教師通過演示，教會學生如何建立仿真電路；學生分組負責不同章節仿真圖的建立和整理。仿真實例庫可以在每一年級傳承，逐步完善。為了培養學生的糾錯能力，也可以保留一些典型的出錯設計，專門建立一個錯誤庫，讓學生參與修改。

5 結語

做實驗可培養學生的動手能力，同時能鞏固課堂理論教學內容，使理論和實踐相結合，真正理解相關的知識。硬件課程的實驗依賴于具體的實驗設備，一般需要在特定時間特定地點進行實驗。借助現代工具模擬軟件，可以在教學或做作業的過程中隨時進行模擬仿真，通過仿真能更深入理解相關的知識，鍛煉學生的動手能力。但是仿真也具有局限性，跟實驗設備相比不夠直觀，參與感有限，仿真作為實驗的補充不能替代設備上的實驗。