刘丽娟 刘娜
DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.046
摘 要：文章以一流本科课程建设的“两性一度”基本原则为宗旨，以Proteus虚拟仿真实验内容为依托，对“微机接口技术”课程实践环节进行改革，构建了“基础验证性+开放设计性+综合创新性”的三层次实验教学模式，使实验课程教学在经典性的基础上，融入现代先进信息技术，提升高阶性，结合项目驱动式可自由选择的设计内容，突出创新性。层次化实验教学模式和虚拟仿真实验教学内容增强了对于教师和学生的挑战度，同时为线上实验教学提供了有力支撑。
关键词：“微机接口技术”课程;两性一度;三层次;虚拟仿真实验
中图分类号：TP368.1;G434 文献标志码：A 文章编号：2096-4706（2021）09-0179-06
Experimental Teaching Reform of “Microcomputer Interface Technology” Based on Proteus
LIU Lijuan，LIU Na
（Xian University of Technology，Xian 710048，China）
Abstract：In this paper，based on the basic principle of “Two Properties and One Criteria” of the construction of first-class undergraduate courses and the Proteus virtual reality experimental content，the practice link of “Microcomputer Interface Technology” course is reformed and a three-level experimental teaching model of “basic verification+open design+comprehensive innovation” is constructed. So that the experimental course teaching is integrated into modern advanced information technology on the basis of classics and its higher order is improved，combined with project driven design content that can be freely selected and its innovation is highlighted. Hierarchical experimental teaching mode and virtual reality experimental teaching content enhance the challenge to teachers and students. It provides strong support for online experimental teaching at the same time.
Keywords：“Microcomputer Interface Technology” course;two properties and one criteria;three-level;virtual realilty experiment
0 引 言
教育部《关于一流本科课程建设的实施意见》中明确提出，建设一流本科课程的基本原则是提升高阶性、突出创新性和增加挑战度，简称“两性一度”[1]。微型计算机接口技术已经涉及许多工业应用领域和科研领域，是测控技术与仪器专业的一门专业课。“微机接口技术”课程的实验教学环节目的是让学生掌握微型计算机接口技术及应用的编程、调试及应用的基本步骤，培养学生动手能力和研究相关领域问题的能力，通过实验讲解，使学生更深入地掌握课程中的基本理论，通过实验操作，培养学生理论联系实际以及解决复杂工程问题的能力，能够用汇编语言编写接口电路程序，掌握接口电路特点和接口芯片功能和使用方法。
在“微机接口技术”课程的实践环节中融入“两性一度”的原则是此次课题改革的目的，因此，在坚持以学生发展为中心的前提下，为了提升实验课程的“两性一度”，必须利用科学的教学理论与实践重构教学模式和利用先进的现代信息技术重置教学内容，将该原则深度贯穿到实验教学中，使学生从中受益，更好地培养学生勇于创新的精神，增强学生收获知识和提升能力的成就感。
1 层次化实验教学模式
根据“两性一度”基本原则，结合课程的重难点，重新构建了“微机接口技术”的实践教学，创立了基于Proteus虚拟仿真实验内容的三层次实验教学模式，具体的实验结构如图1所示，该教学模式结构包括基础验证性实验、开放设计性实验和综合创新性实验三部分，分别从经典性、高阶性和创新性三方面来打造符合一流本科课程要求的实践环节。针对课程的基本理论知识，设计了两个验证性实验，包括I/O端口地址译码实验和8253定时/计数器实验。地址译码实验主要让学生了解译码电路的作用，掌握固定式单端口地址译码电路和固定式多端口地址译码电路的组成、译码原理、地址译码模拟选通、实时读写译码选通、带置位/复位的D触发器的使用、搭接电路观察读写选通过程。8253定时/计数器实验主要为了让学生掌握8253定时/计数器接口芯片的外部特性和内部逻辑、编程命令、8253芯片的六种工作方式特点及其区别和联系，使用实验观察法，对比每一种工作方式下时序图的区别，编程并用示波器观察方波发生器输出，掌握两个定时/计数器的级联方法。在验证性实验环节中，学生依照实验要求，根据教师提供的仿真电路图模板，完成原理图中未连接的重要接口线路，然后对实验指导书中给出的有问题的汇编程序进行修改和完善，完成实验内容，最后根据实验现象解释分析原因，完成实验报告。
在验证性实验设计基础上，在实验教学内容具备一定经典性的前提下，该教学模式重点增加了开放设计性和综合创新性实验。在开放设计性实验方面，安排了交通灯实验，该实验利用8255A并行接口芯片，编程实现基本交通灯的功能，在此基础上，让学生改变硬件电路和软件程序，实现可响应紧急情况交通灯模式，通过该实验使学生熟悉8255A的外部特性和内部结构、编程命令和三种工作方式，掌握8255A基本输入输出的实验方法，在紧急交通灯设计环节，需要学生根据设计指标，给出自己的设计方案、实验方案和实验设备的选定，教师进行指导，并对实验难点和重点进行提示。该环节培养了学生解决复杂问题的能力和思维，课程内容强调深度，培养学生深度分析的精神，提升了实验教学的高阶性，增强了挑战度。在创新性实验方面，以实际应用为主线，以项目驱动为载体，设置了信号发生器、数字电压表等题目，学生可自行选择或者自拟题目，该部分实验的设置主要让学生根据已学理论知识设计具有某种功能的接口电路，利用教师提供的初始虚拟仿真资源，进行微机接口系统的拓展设计，逐步实现从验证性实验到创新设计性实验的层次性转化，在该环节中使用虚拟仿真软件，学生可以根据硬件库中的元件任意选择所需芯片，有利于二次开发，改变了原有硬件实验箱系统“黑盒子”操作和无法自由设计的弊端，提升学生创新设计能力，突出实验教学的创新性，添加实验教学的趣味性[2-4]。这种项目式的设计思路可以培养学生的探究式和个性化学习能力，发挥学生的个性特征，达到创新性的效果。
2 虚拟仿真实验介绍
层次化实验教学模式，依托虚拟仿真实验项目的设计，有效改善实验教学受场地和时间限制的缺陷，实现了教师和学生“随时随地”可讲授可学习的教学模式，同时可应用在课程的线上实验教学中[2]。虚拟仿真实验项目基于Proteus软件，学生在该软件中进行实验原理图的绘制，汇编程序的编写，使实验装置和操作更加灵活便捷，并且可扩展性强，在创新设计性实验环节中，学生可以根据自己的喜好，选择实验项目的名称，丰富实验教学内容[5-6]。这种将现代信息技术与教学深度融合的方式突出了课程建设的创新性，增强了实验教学的先进性和互动性。虚拟仿真实验通过实验内容和实验操作步骤来具体介绍。
2.1 虚拟仿真实验内容设计
2.1.1 基础验证性实验
2.1.1.1 I/O端口地址译码实验
该实验使用8255A芯片的PC0、PC1、PC2控制74HC 138的数据输入端，通过译码产生8选1的选通信号，轮流点亮8个LED指示灯。该实验的设计主要目的是让学生掌握8255A与8086的电路连接，在以往的实验箱中，这一部分由厂商直接封装在箱子内部，学生无法看到具体的原理图，而利用Proteus仿真软件，可以直观展示各个芯片每个端口的连接以及设置。在实验最后还设置了去掉延时，通过译码电路之后的实验现象，模拟计算机在高速运行下对外部设备选择的情况。
2.1.1.2 8253定时/计数器实验
该实验主要让学生掌握8253的6种工作方式下电路连接、程序编写和结果验证。以方式0和方式5为例，实际操作中，学生需要完成电路图的连接、汇编程序的编写，然后用Proteus软件自带的逻辑分析仪观察实验现象，从实验结果中可以看到在方式0时，门控信号GATE0端为高电平时，程序运行之后，定时计数器就开始计数，6个计数脉冲之后，输出端OUT0由低电平变为高电平。方式5时，当门控信号GATE0一直为低电平时，时钟信号给6个周期之后，OUT0没有产生跳变，只有当门控信号GATE0有一个脉冲之后，定时计数器才开始计时，当6个脉冲之后，OUT0出现一个跳变。通过6种工作方式的仿真设计，让学生明确当定时计数器在计数时，硬件启动与软件启动的区别，定时和计数之间的联系。
2.1.2 开放设计性实验
开放设计性实验主要任务是用8255A芯片设计一个模拟十字路口交通灯的电路，要求其电路逻辑符合常见的交通灯，在此基础上，学生还需要增加紧急情况处理功能，即在检测到有紧急信号时，将两个方向的红灯点亮，社会车辆一律禁止通行，紧急车辆可闯红灯通行，待紧急信号撤销后，恢复正常交通秩序，其中一种参考电路的设计示例如图2、3所示。
在硬件原理图上，图3在图2的基础上增加了椭圆框中的电路部分，一个单刀双掷开关SW1、一个电源VCC和一个地GND，将SW1接到8255A的PC0口，用SW1开关接通到VCC端代表正常情况，用SW1开关接通到GND端代表紧急情况，然后在Proteus的Source Code窗口添加对应的紧急情况检测程序、紧急情况交通灯红灯全亮的状态程序等相关程序代码，程序运行之后，学生通过控制SW1开关与GND和VCC的连接情况模拟进入和退出紧急交通灯的情况。在该设计性实验中，学生不仅需要思考硬件电路的连接方式和8255A输入输出端口的设置，还需要在软件编程中考虑交通灯的逻辑状态，紧急情况下的交通灯状态，如何对紧急情况信号进行检测，如何在该信号撤销后继续返回原始交通灯状态，对学生的逻辑判断能力、硬件设计和软件设计能力得到综合训练。
2.1.3 综合创新性实验
综合创新性实验主要为了培养学生的自主性和创新性，学生自由选择任务，根据选择的设计任务，查找相关资料，完成硬件原理图的设计。然后根据设计任务，画出相关程序流程图，结合硬件电路编写程序。最后进行硬件软件调试，完成预期目标。图4为数字电压表的设计实例，该设计中以8086最小系统为基础，用ADC0809进行数模转换，然后通过8255A芯片将电压值显示在数码管上，通过有规律地改变RV1电阻的阻值，可以观察AC Volts电压表中的电压值和数码管中显示电压值之间的关系并画出拟合曲线，将“微机接口技术”课程与误差理论课程联系起来，达到学科交叉的目的，使学生将所学知识融会贯通。
2.2 虚拟仿真实验操作步骤
该实践环节的实验操作步骤要求学生全程在Proteus软件中完成，在实验之前，需要在软件中配置好汇编语言编写调试所用的MASM编辑器，配置成功后，按照图5的操作步骤进行实验。对于验证性实验部分，以I/O端口地址译码实验为例，教师提供实验的最初始电路原理图，如图6所示，该电路原理图中8086最小系统、地址/数据锁存模块、8255A连线部分已经画好，学生需要将8255A与74HC138、led灯和限流电阻部分连接好，连线操作需要学生用鼠标点击需要连接的两个端口，连接好的电路如图7所示，对于设计性和创新性实验，需要学生根据实验要求设计硬件电路图，然后在软件中点击图8椭圆圈所选的源代码编译图标，打开Source Code窗口进行对应汇编程序编写，设计好的汇编程序如图8所示。最后点击图9左下角椭圆所圈的三角形图标，进行软硬件的调试运行，如果运行出现错误，需要学生重新修改硬件电路和汇编程序，如果运行正常，则需要学生直接观察或者借助于Proteus自带的虚拟仿真仪器（比如示波器等），观察实验结果，该实验的结果如图9所示，由图看出，使用74HC138芯片选中led灯D4，根据软件实验结果，让学生分析实验现象并解释原因。
3 结 论
为了打造适合一流本科课程的实践环节，文章从“微机接口技术”的实验教学模式和教学内容两方面进行改革，将“两性一度”的原则贯穿始终，打造出三层次的虚拟仿真实验教学，其中基础验证性实验使教学具备经典性，开放设计性实验提升了教学的高阶性和挑战度，综合创新性实验使教学达到创新性的目的，可以将这种改革方法推广到仪器类和计算机类相关实践环节的线上教学中。
参考文献：
[1] 中华人民共和国教育部.教育部关于一流本科课程建设的实施意见 [R/OL].（2019-10-30）.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html.
[2] 刘丽娟，寇科，张祖漪.“微机接口技术”课程线上实验教学模式构建与应用 [J].现代信息科技，2020，4（24）：178-181.
[3] 包空军，孙占锋.基于“两性一度”标准的VB课程建设研究与实践 [J].无线互联科技，2021，18（4）：154-156.
[4] 吴宁，薄钧戈，崔舒宁，等.大数据时代计算机基础教学改革实践与思考 [J].中国大学教学，2020（Z1）：42-45.
[5] 李珍香，李全福.Proteus仿真软件在微机原理与接口技术课程实验教学中的应用 [J].计算机教育，2015（9）：56-60.
[6] 许雪林.微机原理接口技术仿真实验平台设计及应用 [J].福建电脑，2020，36（4）：85-87.
作者简介：刘丽娟（1989—），女，汉族，陕西渭南人，助理工程师，硕士，研究方向：微机原理、嵌入式等实验教学;刘娜（1989 —），女，汉族，陕西咸阳人，助理实验师，硕士，研究方向：计算机系统结构。
收稿日期：2021-04-05
基金项目：西安理工大学2020年校级教育教学改革研究项目（xjy2021）
