以创新能力为导向的微机原理课程教学改革实践研究

郑祥明，孔晨鑫，李泰

（亳州学院 电子与信息工程系，安徽 亳州 236800)

微机原理课程是电子信息类、自动化和电气工程等工科专业的重要专业基础课之一，在人才培养体系中占据重要地位，具有较强的理论性、实践性与应用性，更是工科学生在未来工作中必备的基本实践技能。该课程的学习理念对后续专业课程的学习，甚至是工程创新能力的培养有重要影响[1]。在电子信息类专业中，微机原理课程是单片机技术和嵌入式系统等课程的先修课程，微机原理与接口技术的教学效果的提升对后续课程的开展具有非常重要的意义[2]。传统的微机原理与接口技术课程单纯的以“理论为主，实验为辅”的方式授课，为提高课程的教学质量，文献[3]在理论教学、实验教学和考核方式上进行探索，在一定程度上提高了教学效果，但是由于实验室资源的限制实验效果仍有不足。随着虚拟仿真技术的发展，英国Labcenter公司开发的Proteus实现了基于8086微处理器的VSM仿真，为课程教学提供了比较理想的虚拟仿真实验教学平台，利用Proteus仿真软件在一定程度上取得了良好的教学成果[4-8]。虚拟仿真技术弥补了实验资源不足，实现了对传统实验教学的有益补充，但是由于虚拟仿真与物理实验的差异，文献[9]指出了X86在8259实验中出现的问题并给出了解决方案，进一步破解了实验地点和时间方面的难题。目前在中国工程教育认证背景下，文献[10]在成果导向教育理念下深入课程教学改革，激发学生的学习兴趣，提高学习效果。微机原理与接口技术课程改革与时俱进，且取得了丰硕的成果，而新建地方本科院校存在基础薄弱，教学经验不足的情况，如何在新时代背景下充分利用新建地方本科院校自身特点，指导学生高效地学习仍是教学改革的难点。

目前，大多微机原理教程以8086CPU 芯片为平台，教学内容的组织和实施是以汇编语言为开发语言，以传统的接口芯片进行系统扩展等。课程内容包含微型计算机工作原理和常用接口技术两部分：微型计算机的工作原理部分从微机的内部结构进行剖析并结合指令系统逐步引导学生了解16位和32位微处理器及汇编语言程序设计，具有理论性强、内容抽象和不易理解的特点。常用接口技术部分以可编程中断控制器8259A、可编程并行接口8255A 和可编程计数器/定时器8253等接口芯片培养和引导学生掌握微机系统软、硬件开发基本能力。针对课程教学过程中存在开发平台芯片老旧，汇编语言不是当下的主流开发语言且晦涩难懂等问题影响学生学习的积极性[1]，因此根据教学内容和章节特点适当改变教学方法可以取得事半功倍的效果。笔者结合微机原理课程特点在教学过程实施“1+2+2”教学改革，探索以理论指导实验，以实验驱动理论教学。同时在实践教学环节采用“以虚为主，虚实结合”的教学改革与实践，提高学生课堂参与度，提高课程教学质量。

1 课程改革方案

微机原理在专业人才培养中具有承上启下的重要作用，教学目标和教学设计等教学全过程都将影响课程的教学效果。围绕课程的基本教学目标，引导学生掌握微机系统的基本电路、存储器、时钟系统和常用接口电路等，同时融入创新能力培养理念，提升学生的学习兴趣，并且培养学生的创新思维。为此，本方案在课程大纲制定的过程中充分考虑与前导课程和后续课程之间的联系，并根据微型计算机工作原理和常用接口技术两部分的教学特点探索“1+2+2”教学改革方案。即，课程教学全过程围绕1个核心处理器8086，根据课程内容和章节特点适当选择“以理论为辅”和“以实验为主”2种教学方法，并在实践教学环节中设置的实验任务要求使用“实验箱+软件仿真”2 种实现方案，如图1所示。

图1 课程培养路线图

2 教学改革与实施

微机原理课程内容主要围绕8086处理器进行，即实现对8086 处理器的操作及外围扩展电路的控制。教学基本思路是：为了实现对处理器的操作，首先要了解8086内部的结构、寄存器和存储器结构及其工作原理，以理论为主重点介绍二进制加法电路、微机基本组成电路和基本工作原理等内容；其次是了解8086CPU 等硬件资源，掌握指令和程序设计思想，以实验为主引入算术运算指令、逻辑运算指令和程序设计基础知识；最后为了实现更大规模的系统设计和外设的控制，以实践应用为主逐步引入中断技术、定时器/计数器、输入输出和接口技术等。

2.1 实践教学方案

实验教学是理论应用与实践的重要环节，主要培养学生的动手能力、实践能力和创新能力。本方案设计的实验任务包含基础实验任务和拓展实验任务，基础实验任务是理论教学的补充和强化，引导学生更好地理解和掌握理论知识，进而进行知识迁移，培养学生解决较复杂问题的能力，基础实验任务安排如表1所示。

表1 基础实验任务

表1中的基础实验任务根据理论课程内容先后顺序安排，由于实验课时有限，方案设计了部分第二课堂实验任务对第一课堂进行补充和完善。同时，为强化学生的实践能力和应用能力，设置了拓展实验任务，拓展实验任务是基础实验任务的巩固和提高，具有一定的开放性、综合性和创新性，具体实验任务如表2所示。

表2 拓展实验任务

2.2 任务驱动法在课程中的应用

1) 第二课堂与第一课堂衔接

为了弥补第一课堂实验任务存在综合性和创新性不足的情况，实验教学环节增加了第二课堂的实验任务，指导老师通过给学生发放实验任务书，指导学生在课下独立完成实验任务并要求学生提交工程文件、源代码和设计报告等过程性材料。拓展实验任务部分也可以由学生自拟题目，经指导老师同意后即可同步进行实施，在课程规定时间内完成实验任务并集中汇报考评。

2) 虚实结合，以虚为主

硬件实验和虚拟仿真实验都是实践教学的重要组成部分，硬件实验能够直观、具体地反映实验现象，有助于培养学生的动手实践能力和硬件设计能力。虚拟仿真实验反映的是理想状态下的实验现象，具有实验平台易搭建、实验成本低、不受实验室条件影响等优势。

实践教学方案中的基础实验任务部分采用微机原理实验箱和Proteus 仿真软件同时实现，以表1 中8255并行接口实验为例：首先，在软件设计部分，学生需根据实验任务书编写程序；其次，在硬件设计环节，学生需要按实验任务要求连接导线，然后进行程序调试；最后，认真检查软硬件配置，当没有实现预期效果时则需要逐项（程序、硬件电路）排除故障，直至实验完成。整个调试过程，尤其是硬件电路调试经验是虚拟仿真无法实现的，学生毕业以后要解决的也是具体的工程实际问题。因此，完备的实验室条件和硬件实验是首先要保证的，而虚拟仿真实验突破了空间和时间的限制，为学生提供了更多的实验机会，对整个实践教学环节是有利的。所以，本方案采用的以虚为主、虚实结合的实验方式，为学生提供了全方位的实践教学平台，满足了实践教学的需求。

3) 任务驱动，理实一体

实验任务的设计是与教学内容密切相关的，把教学大纲中涉及的知识点、技能目标凝聚为若干典型实验任务，在理论课学习的过程中实施以学生为主、教师为辅的方式引导学生完成实验任务，在任务的执行过程中理解和掌握理论教学内容。表1 中的实验任务对标教学大纲的知识点，任务的设置与课程内容同步，通过有序的组织和实施实验教学任务引导逐步学习和掌握课程的知识架构。

在方案执行的过程中融合了Proteus 仿真实验环境的优势，在教学的各个环节设置相应的任务模块，以任务牵引理论教学，在执行任务的过程中学习和掌握课程的核心内容，有利于激发学生的学习兴趣，为后续的单片机、嵌入式等课程奠定了良好的软硬件开发初级技能。

3 基于Proteus的交通灯设计教学实践

为简化软件设计和调试过程，本项目选用的是Proteus8.6，打开软件主界面，选择Source Code 然后在System→Compilers Configuration 界面选择下载安装MASM32 即可使用Proteus 自带的汇编编译器。新建工程文件时选择Create Firmware Project，处理器选择8086，编译器选择MASM32。在Schematic Capture 界面完成相应原理图设计，在Source Code界面进行汇编语言程序设计。

3.1 设计背景

掌握可编程中断控制器8259A、可编程计数/定时控制器8253、可编程DMA 控制器8237A 和可编程并行接口芯片8255A等接口技术是本课程的重点内容。笔者结合教学实际设计基于Proteus的交通灯系统，该系统利用可编程计数/定时控制器8253 进行定时、利用8255A进行终端接口控制、利用8259A中断控制器设计自动控制模式和手动应急控制模式增加系统的实用性。

3.2 电路原理设计

系统以8086CPU 为控制核心，通过74LS373 锁存器和138译码电路分别与8253、8255A和8259A连接，8253 负责交通灯系统的计时，8255A 的A 口控制LED交通灯，8259A 的IR0 和IR1 用于系统应急模式控制，设计如图2所示。

3.3 系统软件设计

软件设计之前首先要求学生查阅相关接口芯片、锁存器及译码电路的工作原理，尤其是接口芯片的控制字选择和工作方式选择等。本系统配置8255A 工作在方式0；A 口输出控制LED 灯；B 口输出控制数码管显示倒计时时间；C口PC6配置为输入，用于模式选择；配置8253 在计数器0 方式3；配置8259A 为单片、边沿触发中断、非自动结束、非缓冲和全嵌套方式。程序主流程图如图3所示，其中交通灯正常工作子程序为：东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮9秒，黄灯闪烁3秒→南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮9秒，黄灯闪烁3秒。

图3 主程序流程图

3.4 实验结果

程序设计好后可直接在软件中编译运行，如果编译有错误按提示修改代码即可。本项目运行状态如图4所示。

图4 交通灯模拟效果图

4 结束语

文章从教学实际出发，结合微机原理课程特点在教学过程实施“1+2+2”教学改革，探索以理论指导实验，以实验驱动理论教学，同时在实践教学环节采用“以虚为主，虚实结合”的教学改革实践研究，通过“虚实结合”的实践教学改革拓展了学生的学习空间，提高学生课堂参与度，引导学生主动学习、主动实践，有利于激发学生的学习兴趣，培养学生的实践创新能力，对后续专业课程的实施产生了积极影响。