基于研究性教學的接口技術實驗設計

秦金磊,朱有產

(華北電力大學(保定) 計算機系,河北 保定 071003)

研究性教學是提高高校教學質量、培養高層次創新型人才的必然選擇。國內外的眾多高校都進行了研究性教學的實踐[1-6]。接口技術實驗是微機原理與接口技術課程的重要實驗,學生通過該實驗能深刻理解計算機接口的工作原理,掌握各種接口技術,但由于接口部分涉及的硬件系統關系復雜、內容抽象、枯燥,一直存在教師難教、學生難學的問題。盡管已經有一些高校對此進行了教學實踐改革[7-9],但仍然缺乏一個系統融合各個接口芯片使用技術的實踐環節。為此,在深刻理解研究性教學的內涵基礎上,以循序漸進的理念設計接口技術實驗,激發學生的研究興趣,提高學生硬件設計水平及創新能力,為接口技術的實踐教學提供新的思路。

1 研究性教學的實施要點

研究性教學是一種在教師指導組織下,學生開展自主學習、自主實踐的教學模式[10]。其核心在于通過學生自主學習、自主實踐的過程,獲得新知識、新技能,進而培養學生的創新素質[11-12]。為切實提高研究性教學的效果,應著力解決好以下幾個問題:

首先,教學內容的科學取舍。研究性教學和傳統的灌輸式教學的最大區別在于學生自主學習來獲得知識。因此,對于學生能夠看得懂的內容、很容易找到答案的內容,不應該在課堂上講授,作為預習內容留給學生在課外時間自行解決。

其次,問題情境的合理設計。研究性教學應當把呈現問題、解決問題作為探究新知識的切入點。在學生已有知識的基礎上,引導學生發現新問題,學生通過分析問題、解決問題自主構建新的知識。這就要求教師要具有良好的教學設計能力,主要包括與學習主題相關的情境創設、必要信息資源的提供、合作學習的組織和探究性學習方法的指導等。

再次,教師角色的徹底改變。在研究性教學實踐過程中,教師的職責發生重大變化。教師不再對內容詳細講授,而是側重講基本理論、基本技能和基本方法。更重要的是,教師在教學過程中起組織者和引導者的作用,要在推動學生自主學習、組織學生調查研究、給予學生幫助和點評、成績評價等方面做出詳細規劃并實施。教師主導的作用發揮得越恰當、越充分,學生的學習主體地位就越鞏固,學生學習的主動性和興趣就越易被激發,對新知識的探究欲望就會越強烈。

2 接口技術的教學特點

接口技術主要包含以8086微處理器為核心的I/O技術、中斷技術及可編程中斷控制器8259A、定時/計數器8253和并行接口8255A等芯片的使用。通過培養學生應用計算機硬件和軟件基礎知識的能力,達到能夠利用外圍I/O接口芯片設計、開發小規模計算機應用系統的目的。在該部分內容的教學過程中,學生對I/O接口芯片與CPU連接方式、I/O與CPU之間以中斷方式進行信息交換以及可編程接口芯片的復雜內部工作方式的設定等內容感到難以掌握。除了應在教學過程中采用研究性教學方法外,在實踐教學環節還存在如下問題：

首先,實驗設施陳舊。接口技術要求學生要具備扎實的硬件知識基礎,并通過實踐才能深刻理解接口技術的原理。目前多數高校以集成接口實驗箱的形式提供給學生使用,由于元器件老化、設計缺陷等原因使得故障率較高。另外，像示波器、開發板、仿真器等設備,由于資金需求大、建設周期長等原因未能及時配備。欠缺的硬件教輔設備和故障率較高的實驗箱,使學生學習硬件知識變得更加抽象、乏味，尤其是對于基礎較差的學生而言,會造成很大的學習困難,從而導致缺乏學習的信心和興趣。

其次,實驗內容脫節。接口技術實驗既包含對單個芯片功能的簡單驗證,還要求掌握對多個芯片構成的系統綜合設計應用。但現在多數高校所采用的集成實驗箱,學生簡單地按照既定的接線方式、輸入固定的程序來完成驗證實驗,無法體會其內部的構成及信號的變化過程,不利于學生的自主創新能力和創新欲望的培養。對綜合設計實驗,學生更是一頭霧水,對譯碼電路的設計、芯片功能的選擇等無從下手,最終導致抄襲現象的發生。

3 接口技術實驗教學設計

3.1 設計目標及思路

針對上述在接口技術實驗中存在的問題,將研究性教學方法應用于接口技術實驗的教學過程中。充分運用問題探究、情境設定等方法,引導學生學習和領會接口技術的原理及本質,培養和提高學生的綜合運用計算機接口技術的能力,為更好地利用接口技術解決實際問題奠定基礎。

由于仿真軟件不僅可以提供豐富的設備，而且便于學生使用,故采用廣泛應用的Proteus仿真平臺[13]，以交通信號燈控制系統的實現為目標,將接口技術實踐環節需要掌握的各種芯片及技術融合到該系統中。學生通過完成該系統的學習實踐,既可實現對單個接口芯片功能的學習,還能培養具有多個接口芯片的計算機系統綜合設計能力。

3.2 實驗目的及任務

實驗目的:要求掌握8086CPU與常用I/O接口芯片的連接方式、地址譯碼、常用I/O技術、可編程接口芯片8255A、8253及8259A等的使用方法。

實驗任務:利用Proteus仿真平臺搭建基于8086CPU的交通信號燈控制系統。注意,該系統的實現應當按照逐步利用簡單I/O技術、8255A、8253以及8259A的順序來實現。

3.3 實驗設計與實施

在明確實驗目的和任務之后,教師應該利用研究性教學方法，設計合理的問題情景來呈現實驗內容,通過分析問題、解決問題引導學生自主探究并掌握新的知識。在每次實驗過程中,教師要引導學生分析實驗任務和需要具備的知識點,將研究性教學的方法滲透到整個實驗教學過程中。

3.3.1 實驗一:利用簡單接口技術實現交通信號燈控制系統

本次實驗作為接口基礎實驗,實現原理簡單,但需要具備較多的知識點:鎖存器接口芯片74LS373與CPU地址線的連接方式及地址鎖存原理、74LS273作為輸出接口芯片的應用、利用74LS138譯碼器進行地址譯碼選擇的應用、LED燈及虛擬儀器邏輯分析儀、示波器等的使用等。

圖1 簡單接口交通信號燈控制系統

該實驗中涉及的代碼較簡單,主體為循環結構。循環體內順序改變南北方向和東西方向的紅、黃、綠燈信號即可實現仿真效果,其中的延時可由軟件完成。

3.3.2 實驗二:利用并行接口芯片8255A實現交通信號燈控制系統

本次實驗,著重培養學生對8255A的使用,教師需要引導學生理解8255A可編程芯片的工作方式、初始化編程等知識點。

圖2 8255A芯片的連接方式

在主體代碼結構不變的前提下,僅需要將74LS273的輸出改為8255A輸出即可。學生應注意的是,由于可編程接口芯片的特殊性,在使用之前需要先完成對8255A的初始化編程，即首先指明8255A的各個端口的工作方式、數據的傳送方向(輸入還是輸出),然后再利用8255A的A口輸出信號到LED燈。

3.3.3 實驗三:利用8253實現交通信號燈控制系統中的精確定時

為引導學生如何理解精確定時,應當指出利用軟件方法實現的延時盡管方法簡單,但時間不夠精確。為此,需要組織學生探究如何利用8253實現精確定時。通過在系統中加入8253,不僅可以激發學生掌握8253的初始化編程、常用的工作式等內容外,還可以理解一個系統中存在多個芯片時如何確定各個芯片的譯碼地址。

利用圖 2中74LS138譯碼器的Y1輸出端作為8253的譯碼信號,可以確定出8253的計數器0、1、2和控制字寄存器端口分別共占用9000H、9002H、9004H和9006H。由于選擇計數器0的方式0作為精確計時的輸出波形,可將計數器0的輸出端Out輸入到8255A的PC7,通過方式0計數結束在PC7端上產生的高電平信號作為精確計時結束的依據。為此,需要設置8255A的C口高4位用于輸入接口。該部分的電路連接如圖 3所示。

圖3 8253用于精確計時的電路連接圖

代碼方面,需要在主程序開始前分別完成8255A和8253的初始化編程。在延時子程序中,通過查詢方式不斷地檢測PC7上的電平信號是否為高,作為精確計時結束的依據。

3.3.4 實驗四:利用8259A實現緊急事件的處理

以實際生活中遇到的交通管制等特殊事件為例,組織學生開展中斷技術和8259A中斷控制芯片的學習。在實驗三的基礎上,引導學生理解掌握中斷的基本過程、中斷向量表的初始化、8259A的初始化編程和中斷服務程序的編寫等知識點。

在圖 3中增加對8259A芯片的譯碼選擇,其對應的2個地址分別為0A00H和0A002H。緊急事件的請求由“緊急”按鈕觸發,送入8259A的引腳IR7,8255A的PC4口作為解除緊急事件的輸入,電路設計如圖 4所示。

由于中斷技術的特點,需要在主程序開始前分別完成8259A的初始化編程、中斷向量表的初始化、開中斷等環節。根據電路原理設計,在中斷服務子程序中需要利用查詢方式不斷檢測“解除”按鈕的狀態,以判斷是否退出當前中斷服務子程序。若在PC4口輸入低電平,則退出當前的中斷服務；否則,一直處于中斷服務狀態。

該接口技術實踐環節,具有較好的開放性。學生在掌握了基本的接口技術和常用芯片外,還可以增加對其他接口設備的使用,如七段數碼管、點陣等,設計出功能更加完善的交通信號燈控制系統。

通過以上的研究性教學實踐環節,教師精心設計實踐任務,指導學生利用Proteus仿真平臺完成實踐任務要求。在教師的引導下學生不僅可以開展自主學習,還可以讓學生分組討論,闡述自己對知識點的理解

和求解問題的思路。最后再由教師歸納、總結,強化學生的獲得感、成就感,提高學生運用接口技術解決實際問題的能力。

4 結語

利用研究性教學理念開展教學是提高教學質量、培養學生自主學習和創新能力的必然選擇。接口技術實驗的設計更是切實提高學生實踐能力的重要保障。針對學生在學習接口技術時存在的問題,將研究性教學的思想融入到接口技術實驗的各個環節,有助于培養學生自主學習和創新的能力。隨著研究性教學的不斷實施,學生的自主學習和自主創新能力不斷提高,在大學生創新創業訓練計劃項目及各種計算機硬件技術大賽中取得了優異的成績。

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