“微机原理与接口技术”项目驱动教学

刘 娟，黄 忠

（安庆师范大学物理与电气工程学院，安徽安庆246133）

“微机原理与接口技术”是我校物理与电气工程学院的自动化、电信、机械和微电子学等专业的必修课程，该课程要求学生掌握微机系统的基本工作原理、汇编语言编程方法和各种可编程接口芯片的应用，具有很强的理论性和实践性[1]。该课程既能培养学生微机软、硬件系统设计与应用能力及工程素养，又为学生今后从事智能控制和微机开发打下坚实基础。课程重点内容包括微型计算机组成及工作原理、寻址方式、指令和伪指令系统、汇编语言程序设计、存储器结构、数据输入输出、总线操作和时序、中断控制方式和很多接口芯片使用方法。这些内容大多枯燥乏味、抽象难懂。通过实验可以使学生对所学理论知识进行巩固和加深理解，但我校物电学院只有4次上机实验，上机实验的数量明显不足。同时硬件接口电路的控制实验，由于实验设备高度集成，实验内容更多侧重于验证性实验，缺少综合设计和创新实验，实验的进行受到时间和空间的限制[2]。针对课程教学现状和鉴于该课程具有应用性、操作性和综合性强的特征，将课程中的内容融于到项目的设计中。挑选具有代表性、综合性和趣味性的项目用于课程驱动，指导学生进行有效学习。

1 项目驱动的教学任务

项目教学是针对教学内容设计项目，将所要学的知识、技能转化为若干个典型项目，以学生为主体，教师仅仅是引导者，当项目完成时，学生能理解课程相关理论知识、获得相应技能。项目化教学方式对教师和学生各有任务与要求，教师的任务是根据课程的教学大纲设计若干个综合性的项目，在项目设计时扣住一个“重心”（即CPU内部架构和工作原理），两个“基本点”（即CPU与存储器和CPU与外设进行信息交换），由简单到复杂，逐步理解本课程的知识体系，同时在完成项目的过程中培养学生的工程素养和实践能力，要求项目内容不仅包含微机技术知识点，也可以包含电传动与控制、电工电子学专业必修课程的知识点。学生的任务是自行组队完成项目、设计、开发、仿真微机控制系统，达到项目要求并撰写报告，锻炼学生灵活应用微机知识处理复杂工程问题的能力，培养学生的团队合作能力及实际动手能力。

2 项目驱动的教学方案设计

2.1 基本项目设计

微机原理与接口技术知识结构如图1所示，选取基本项目来串联课程基本知识点，以引导学生自主学习，选择的基本项目应当覆盖课程核心内容，难度适中、易于理解[3]。鉴于此，选择“基于8086CPU的十字路口交通灯系统设计及实现”作为贯穿本课程的基本项目。为了引发学生的求知欲望和让学生明确学习目的，教师在第一次课就安排基本项目。

图1 微机原理与接口技术知识结构框图

利用8086 CPU芯片以及可编程并行接口芯片8255A、可编程的定时器/计数器芯片8253、可编程的中断控制器芯片8259A及数码管等辅助硬件电路，进行数码管显示倒计时的设计。本设计系统不仅包含基本的交通灯功能如8255A I/O口扩展系统、交通信号灯状态显示系统和LED数码显示时间系统，还包括倒计时、紧急情况处理等功能。为了让基本项目串接整个教材知识体系，把基本项目分为9个子项目，如图2所示。

以周荷琴等编著的《微型计算机原理与接口技术（第5版）》为例，子项目一涉及第1章绪论中计算机中数的表示方法，子项目二涉及第2章8086CPU，子项目三涉及第3章8086的寻址方式和指令系统以及第4章汇编语言程序设计两章内容，子项目四涉及第5章存储器，子项目五、六、七涉及第6章I/O接口和并行接口芯片8255A，子项目八涉及第7章可编程计数器/定时器8253/8254及其应用，子项目九涉及第8章中断和可编程中断控制器8259A。该课程的核心内容融合于各子项目中，并通过子项目将它们串联起来。规模较大是项目课题的显著特点，对学生分组，考虑到项目主要包括硬件与软件两个部分，因此每个小组最多3～5名学生，否则多余的学生基本得不到相应的锻炼，选一名同学作为组长。1～2人主要负责硬件设计与调试等工作，另2～3人主要进行相关软件设计与仿真调试。

图2 基本项目的9个子项目划分

2.2 拓展项目设计

拓展项目的选择侧重于常用接口芯片和外围设备的运用，包括整体设计项目方案的提出、硬件电路设计、软件编程实现、系统的仿真与调试等一系列步骤。拓展项目的设计能够训练学生发散思维和设计思路，充分调动他们学习的积极性，增强他们的创造成就感和创新意识，进而提升他们的实践技能和创新能力[4]。拓展项目选题如下：(1)无刷直流风扇转速测量与调节；（2）汽车玻璃总成工装控制系统设计；（3）液晶显示器与键盘系统；（4）数字温度传感器测温显示系统；（5）步进电机控制系统；（6）教室人数统计系统；（7）智能电动百叶窗；（8）LED点阵广告牌设计；（9）多功能电子闹钟；（10）远程运算器设计；（11）电子贺卡设计；（12）火灾报警器。

3 Proteus软件仿真项目

“微机原理与接口技术”知识内容理论性过强，可以通过实践将该课程中理论知识由感性认识上升到理性认识，加深到理论知识的理解，因此必须重视不可或缺的实践教学环节[5]。鉴于以上在实验箱上进行硬件接口电路实验的缺陷，在项目实施过程中，将Proteus软件仿真引入到该课程实践教学中。项目仿真电路图的绘制要求学生自己参与整个电路的设计，要求学生对芯片的工作原理和结构有充分的了解。Proteus软件能够轻易地模拟器件运行，演示芯片引脚电平和信号时序改变等，从而明确指令执行过程对硬件电路的影响，因此让抽象、复杂的计算机工作原理形象化、简单化[6]。学生能够在自己计算机上进行仿真实验，突破了以往硬件电路实验开设的时间和空间限制。

4 结束语

通过项目驱动式教学方法的实施，项目由简到繁引导学生参与设计实施的全过程，首先激发了学生的学习热情，进而充分提高他们学习的自觉性；其次，提高学生微机系统的软硬件设计和综合开发能力；最后，增强了他们运用微机软硬件知识进行控制系统设计的信心，为学生后期课程如“单片机原理及应用”和“嵌入式系统”提供良好的基础。