張佳明，王文瑞，孫浩，衣紅鋼

（北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083）

1 引言

一流的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是“雙一流”大學(xué)建設(shè)中極為重要內(nèi)容[1]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠有效地加強(qiáng)理解、強(qiáng)化認(rèn)知、提升實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，對一流專業(yè)人才培養(yǎng)有著重要的促進(jìn)作用。研究性教學(xué)是一種具有創(chuàng)造性的教學(xué)活動，使學(xué)生由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，提升學(xué)生參與感，通過激發(fā)學(xué)生主動思考、探索和實(shí)踐，形成發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力[2]。因此，研究性教學(xué)模式得到了國內(nèi)外眾多高校的探索與實(shí)踐[3-6]，已逐漸成為一流大學(xué)本科教學(xué)的特點(diǎn)之一[7]。

《微機(jī)原理與應(yīng)用》實(shí)驗(yàn)課程能夠加深非電類學(xué)生對微機(jī)系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)組成及工作方式的理解，但由于微機(jī)系統(tǒng)硬件關(guān)系龐雜、內(nèi)容瑣碎、空洞抽象，非電專業(yè)的學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)難度大、學(xué)習(xí)興趣低。

盡管各高校教師已對此開展了一些探索與實(shí)踐[8-11]，但仍未形成系統(tǒng)融合各芯片應(yīng)用技術(shù)的教學(xué)環(huán)節(jié)。

為此，基于研究性教學(xué)思想，系統(tǒng)地整理教學(xué)內(nèi)容與層次，按照提出問題、解決思路、關(guān)鍵知識點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目執(zhí)行的流程，設(shè)計(jì)了階梯遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高微機(jī)系統(tǒng)軟硬件應(yīng)用能力與創(chuàng)新意識，培養(yǎng)運(yùn)用研究性思維解決工程問題的能力，為微機(jī)原理及其它課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供新的思路。

2 微機(jī)原理與應(yīng)用教學(xué)現(xiàn)狀

“微機(jī)原理與應(yīng)用”課程以8086微處理器為主線，包含I∕O接口技術(shù)、中斷技術(shù)、微機(jī)指令系統(tǒng)，以及可編程并行接口8255A、定時(shí)器∕計(jì)數(shù)器8253∕8254、中斷控制器8259A 等芯片的使用方法。在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，8086CPU、I∕O接口芯片、可編程接口芯片的工作原理、相互連接方式以及信息交換規(guī)則等內(nèi)容抽象復(fù)雜、難以掌握。上述問題本應(yīng)通過實(shí)踐得到改善，但由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)仍然存在以下問題，尚未達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。

首先，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，主要對單個(gè)芯片的功能開展驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書給定的步驟順序完成芯片導(dǎo)線連接、編制程序、運(yùn)行程序、驗(yàn)證現(xiàn)象，缺乏設(shè)計(jì)參與感，無法體會系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行和變化過程，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程枯燥乏味，不利于激發(fā)學(xué)生探索和求知的欲望，難以形成自主思考意識和創(chuàng)新能力。

其次，實(shí)驗(yàn)設(shè)備開放程度低。微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)箱只保留了接口芯片的少量管腳供學(xué)生連接，對于微機(jī)系統(tǒng)中時(shí)鐘CLK、地址線A19-A16、地址∕數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用信號AD15-AD0、地址鎖存ALE、讀信號-----RD、寫信號-----WR等許多重要管腳被固定在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部，使學(xué)生對微機(jī)系統(tǒng)硬件層面仍停留在課堂教學(xué)的抽象概念中。學(xué)生能對硬件做的工作很少，缺乏電路原理設(shè)計(jì)的過程，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課程成為了“軟件調(diào)試課”。

并且，由于實(shí)驗(yàn)課程依賴于實(shí)驗(yàn)設(shè)備來開展，受實(shí)驗(yàn)室場地、時(shí)間的限制，學(xué)生只能在少量的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)或?qū)嶒?yàn)室具備開放條件時(shí)才能進(jìn)行調(diào)試，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足學(xué)生的需求。另外，對于開展研究性實(shí)驗(yàn)所需的各類擴(kuò)展元器件難以充分保證，限制了學(xué)生主觀能動性的發(fā)揮。

3 研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要點(diǎn)

研究性教學(xué)是一種在教師的組織下，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行以問題為導(dǎo)向的主動探索、主動思考、主動實(shí)踐的教學(xué)方法、教學(xué)策略、教學(xué)模式[12]。其核心思想在于通過學(xué)生獨(dú)立思考、自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐，發(fā)展其研究性思維和創(chuàng)新能力[13]。研究性教學(xué)的實(shí)施應(yīng)從以下幾個(gè)要點(diǎn)著手開展：

（1）科學(xué)設(shè)置教學(xué)內(nèi)容。在研究性教學(xué)模式中，應(yīng)避免出現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)中滿堂灌輸?shù)姆绞?，教師的教學(xué)重點(diǎn)為基本理論和基本方法的講解，對于記憶性的知識點(diǎn)、易于理解的內(nèi)容，不在課堂中進(jìn)行講授，提前布置給學(xué)生作為預(yù)習(xí)內(nèi)容在課前自學(xué)。

（2）合理設(shè)計(jì)引導(dǎo)問題。建立基于問題引導(dǎo)的教學(xué)模式，在教學(xué)過程中拋給學(xué)生問題，引導(dǎo)學(xué)生基于現(xiàn)有知識分析問題、發(fā)現(xiàn)新問題、解決問題，在此過程中自主內(nèi)化知識形成自己的理解。因此，要求教師在研究性教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)中，能夠根據(jù)學(xué)習(xí)主題創(chuàng)設(shè)合理的情境并提出引導(dǎo)性的問題，激發(fā)學(xué)生的興趣和探究激情。同時(shí)，組織師生互動、雙向交流，鼓勵學(xué)生質(zhì)疑批判和發(fā)表獨(dú)立見解，對于學(xué)生提出的創(chuàng)新想法，提供必要的技術(shù)資料與研究方法指導(dǎo)。培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的思維方式，提升學(xué)生對理論與實(shí)踐、知識與技術(shù)的整合運(yùn)用和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

（3）階梯遞進(jìn)式推進(jìn)。對于初次參與實(shí)驗(yàn)的本科生，尚未形成解決復(fù)雜問題的能力，直接面對綜合性問題往往會無從下手，失去信心與興趣。在研究性教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，教師要將復(fù)雜系統(tǒng)拆分成幾個(gè)子項(xiàng)目，按照由基礎(chǔ)到復(fù)雜的順序階梯遞進(jìn)式地呈現(xiàn)給學(xué)生，最終形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。在此過程中，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維與解決復(fù)雜綜合問題的能力。

（4）重新定位教師角色。在研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師的職責(zé)需要重新定義，教師不再將全部知識點(diǎn)傳授給學(xué)生，而是側(cè)重對知識體系框架和基本理論的講授，更加注重促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)與調(diào)查研究，并在關(guān)鍵點(diǎn)給予提示或幫助，充當(dāng)教學(xué)過程中的組織者、指導(dǎo)者、參與者和評價(jià)者的角色。

由此可見，在研究性教學(xué)設(shè)計(jì)過程中，要將上述要點(diǎn)真正落到實(shí)處，就要充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，真正體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，才能激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和自主實(shí)踐的興趣，促進(jìn)工程思維和創(chuàng)新思維的形成[14]。

4 微機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)思路

針對微機(jī)原理與應(yīng)用課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，基于上述研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要點(diǎn)，充分運(yùn)用問題引導(dǎo)的教學(xué)模式，通過科學(xué)的階梯遞進(jìn)式推進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)微機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行原理，掌握8086CUP、I∕O接口及8255A、8253、8259A可編程接口芯片的使用方法，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)現(xiàn)有知識發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的思維，最終形成綜合運(yùn)用微機(jī)系統(tǒng)解決工程實(shí)際問題的能力。

為了解決實(shí)驗(yàn)箱開放程度低、運(yùn)行過程不直觀、場地時(shí)間受限等問題，采用了Proteus仿真平臺。該平臺支持8086CPU系統(tǒng)，具有豐富的實(shí)驗(yàn)資源，便于學(xué)生操作。同時(shí)，支持匯編程序編寫，能夠進(jìn)行軟硬件仿真運(yùn)行，顯示芯片引腳狀態(tài)變化，動態(tài)演示芯片的工作原理與工作過程[15]。

4.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)與實(shí)施

基于8086CPU的電壓報(bào)警系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)，按照階梯遞進(jìn)的原則分為5個(gè)子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由教師提出問題，引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)任務(wù)并提出解決思路，教師講授關(guān)鍵知識點(diǎn)后，學(xué)生自主執(zhí)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括相關(guān)資料學(xué)習(xí)、硬件電路設(shè)計(jì)、程序編制以及仿真調(diào)試。在執(zhí)行過程中組織學(xué)生交流討論，引導(dǎo)學(xué)生逐層分析任務(wù)，自主學(xué)習(xí)知識，最終完成研究性實(shí)項(xiàng)目，實(shí)施流程，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施流程圖Fig.1 Flow Chart of Experiment Teaching Implementation

（1）實(shí)驗(yàn)一：利用ADC0808芯片實(shí)現(xiàn)電壓采集

實(shí)驗(yàn)一為微機(jī)原理與應(yīng)用的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理簡單，但對基礎(chǔ)知識要求較多，包括：ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，8位鎖存器芯片74LS273 與8086CPU 地址總線連接方式及其地址鎖存原理，74LS138譯碼器的地址譯碼原理，或門、或非門，74LS244數(shù)據(jù)緩沖器工作原理，以及滑動變阻器、直流電壓表的使用等。

首先，教師組織學(xué)生開展相關(guān)知識的學(xué)習(xí)。介紹8086CPU的總線分時(shí)復(fù)用原理，地址鎖存引腳ALE控制74LS273芯片鎖存I∕O 地址信號。然后，由于ADC0808芯片沒有片選引腳，需要通過START和OE引腳狀態(tài)控制AD轉(zhuǎn)換的開啟與數(shù)據(jù)輸出，通過74LS244 芯片引腳緩存ADC0808 芯片的EOC 狀態(tài)位，判斷AD轉(zhuǎn)換是否完成。因此，通過74LS138芯片、或門、或非門的組合，將地址信號轉(zhuǎn)換為特定輸出，與8086CPU的引腳狀態(tài)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)ADC0808芯片的控制與狀態(tài)讀取，具體使用的芯片以及引腳，如表1所示。

表1 地址信號轉(zhuǎn)換電路引腳Tab.1 Address Signal Conversion Circuit Pin

以ADC0808芯片的AD轉(zhuǎn)換啟動控制引腳START為例，芯片地址70H對應(yīng)地址線低8位狀態(tài)為01110000B，174LS138芯片引腳AB6～AB4輸入1，Y6引腳輸出0，同時(shí)CPU的-----WR輸出0，通過或非門輸出1，將ADC0808芯片START引腳置高電平，芯片啟動AD轉(zhuǎn)換，電路連接，如圖2所示。在此過程中，使學(xué)生掌握了微機(jī)系統(tǒng)中多芯片共同存在確定譯碼地址的方法，理解了芯片譯碼地址的本質(zhì)。

圖2 利用ADC0808芯片實(shí)現(xiàn)電壓采集的電路圖Fig.2 Diagram of Voltage Acquisition Circuit Using ADC0808 Chip

學(xué)生理解上述知識點(diǎn)后，在Proteus平臺繪制電路原理圖，編寫程序?qū)D轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在AL寄存器中，通過查看寄存器中的數(shù)值驗(yàn)證程序是否正確。通過本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生熟悉軟件操作、掌握地址和數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用以及ADC0808芯片使用方法等。

（2）實(shí)驗(yàn)二：利用可編程并行接口芯片8255A控制多路電壓采集

在實(shí)驗(yàn)二中，指導(dǎo)學(xué)生理解8255A可編程并行接口芯片的使用方法，重點(diǎn)理解芯片工作方式、控制字的設(shè)置方法等知識點(diǎn)。

在實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上，將74LS138、74LS244 等接口芯片替換為8255A芯片，由于該芯片有片選引腳（CS）ˉ、讀取引腳（RD）ˉ與寫入引腳（WR）ˉ，可使用A、B、C 端口對ADC0808 芯片進(jìn)行讀寫操作，將8255A 芯片A 口連接ADC0808 芯片數(shù)字量輸出端OUT1～OUT8，讀取AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果。將被測電壓增加為5 路，將8255A芯片B口連接ADC0808芯片ADD A～C3位地址輸入線，進(jìn)行被測電壓通道的選擇。8255A 芯片C0 口讀取AD 轉(zhuǎn)換狀態(tài)EOC端口，C7口控制啟動引腳START和地址鎖存允許引腳ALE。74LS138 譯碼器Y0 引腳作為8255A 芯片的譯碼信號，A、B、C 端口以及控制寄存器地址分別為40H、42H、44H和46H，電路連接如圖3所示。各芯片對應(yīng)譯碼器引腳以及端口地址，如表2所示。

表2 譯碼器引腳與對應(yīng)端口地址Tab.2 Decoder Pin and Corresponding Port Address

圖3 8255A與ADC0808芯片實(shí)現(xiàn)電壓測量的電路圖Fig.3 Circuit Diagram of Voltage Measurement Using 8255A and ADC8080 Chip

本實(shí)驗(yàn)程序整體思路不變，在編寫程序之前，需要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)8255A芯片端口的工作方式、數(shù)據(jù)輸入輸出確定芯片控制字，在程序中完成芯片初始化編程，然后通過A、B、C 端口控制ADC0808芯片完成5路電壓的AD轉(zhuǎn)換。

（3）實(shí)驗(yàn)三：利用七段數(shù)碼管顯示最大電壓值

在實(shí)驗(yàn)三中，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)七段數(shù)碼管顯示數(shù)字的原理，由于4位七段數(shù)碼管的顯示需要連接12根管腳，原8255A芯片管腳不足，需要啟用第二片8255A芯片（下文簡稱8255A-2），B口連接8根段碼引腳，C口高4位連接位碼引腳。

8255A-2芯片初始化編程由學(xué)生自行完成，74LS138譯碼器Y2引腳作為8255A-2芯片的譯碼信號，其A口、B口、C口和控制寄存器地址分別為50H、52H、54H和56H，電路連接，如圖4所示。

圖4 8255A與七段數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)電壓顯示的電路圖Fig.4 Circuit Diagram of Voltage Display Using Seven Section Digital Tube and 8255A Chip

在顯示電壓之前，需要得出5路電壓的最大值，在這里向?qū)W生介紹“冒泡法”編程得到最大值的方法。然后，取電壓最大值的三位有效數(shù)字，分別與數(shù)字段碼換位操作，逐位輸出并延時(shí)，將電壓顯示在數(shù)碼管上。

（4）實(shí)驗(yàn)四：利用8253芯片實(shí)現(xiàn)響鈴與閃燈報(bào)警

在實(shí)驗(yàn)四中，設(shè)置第5路電壓為警戒值，當(dāng)前4路電壓超過設(shè)定值時(shí)，輸出特定頻率方波驅(qū)動LED閃爍、蜂鳴器報(bào)警。需要指出的是，雖然利用延時(shí)程序操作也可以輸出方波，但會占用較多CUP資源，且輸出頻率不精確，因此需要使用8253芯片。

這里需要利用與門、或門實(shí)現(xiàn)對應(yīng)LED燈和蜂鳴器的激活，8253芯片OUT0與8255A-2芯片A口低4位接入與門，驅(qū)動蜂鳴器。同時(shí)OUT1與8255A-2芯片A口低4位接入與門，驅(qū)動LED燈。8255A-2芯片A口高4位連接或門，接入8253芯片門控引腳GATE0 和GATE1。74LS138 譯碼器Y4 引腳作為8253 芯片的譯碼信號，計(jì)數(shù)器0、1、2以及控制寄存器地址分別為60H、62H、64H和66H，電路連接，如圖5所示。

圖5 利用8253芯片實(shí)現(xiàn)響鈴與閃燈報(bào)警的電路圖Fig.5 Circuit Diagram of Ring Bell and Flashing Light Alarm Using 8253 Chip

在程序中，根據(jù)CLK0時(shí)鐘頻率與目標(biāo)頻率計(jì)算計(jì)數(shù)值，完成8253的初始化編程。當(dāng)有電壓超過警戒值時(shí)，8255A-2芯片A口低4位對應(yīng)引腳置1，A口高4位引腳將8253芯片門控信號置1，芯片開始計(jì)數(shù)，OUT0和OUT1輸出方波信號，驅(qū)動對應(yīng)LED閃爍、蜂鳴器報(bào)警。

（5）實(shí)驗(yàn)五：利用8259A芯片實(shí)現(xiàn)緊急事件的報(bào)警

在實(shí)驗(yàn)五中，利用8259A中斷控制芯片實(shí)現(xiàn)緊急事件的報(bào)警。指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)中斷工作的原理、中斷向量表初始化、8259A芯片的初始化編程以及中斷服務(wù)程序如何編寫等知識點(diǎn)。

74LS138譯碼器Y6引腳作為8259A芯片的譯碼信號，其對應(yīng)地址為70H 和72H，電路連接，如圖6所示。當(dāng)發(fā)生緊急事件時(shí)，按下“緊急”按鈕，請求送入8259A芯片的引腳IR0，中斷請求被觸發(fā)。按下“復(fù)位”按鈕，請求送入8255A芯片的PC3引腳，緊急事件解除。

圖6 利用8259A芯片實(shí)現(xiàn)緊急事件中斷處理的電路圖Fig.6 Circuit Diagram of Emergency Interrupt Processing Using 8259A Chip

需要提醒學(xué)生的是，程序中8259A芯片的初始化、中斷向量表的定義需要編寫在主程序之前。為了能夠判斷何時(shí)退出當(dāng)前的中斷服務(wù)，要在中斷服務(wù)子程序中不斷檢測“復(fù)位”按鈕的狀態(tài)，若PC3口輸入為高電平時(shí)，保持當(dāng)前中斷服務(wù)狀態(tài)；當(dāng)輸入變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，則退出當(dāng)前的中斷服務(wù)。

在實(shí)驗(yàn)中，可充分利用Proteus仿真平臺資源豐富的優(yōu)勢，在掌握基本接口芯片使用方法的基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生嘗試其他接口芯片和元器件的使用或加入更多的功能，例如加入點(diǎn)陣、LCD顯示屏、增加不同的響鈴音調(diào)、閃燈頻率或燈光組合等，設(shè)計(jì)出更加完善的電壓報(bào)警系統(tǒng)。

5 結(jié)語

在高?！半p一流”建設(shè)過程中，研究性教學(xué)方法的應(yīng)用對一流人才培養(yǎng)至關(guān)重要。在研究性教學(xué)模式下，將教師角色定位為學(xué)習(xí)的組織者和引導(dǎo)者，設(shè)置了以問題為牽引的階梯遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，加強(qiáng)了師生互動和雙向交流。利用Proteus軟件開展研究性教學(xué)，向?qū)W生充分展示了系統(tǒng)硬件、軟件的設(shè)計(jì)以及調(diào)試過程，通過教師精心設(shè)計(jì)的研究性實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，充分激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，鼓勵學(xué)生對專業(yè)知識的自主探究。通過研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革，教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生學(xué)習(xí)興趣得到了明顯提升，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)研究思維和創(chuàng)新實(shí)踐精神，為實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型國家培養(yǎng)了高質(zhì)量人才。