結(jié)合工程教育認(rèn)證的硬件系列課程教學(xué)改革＊

劉彩虹，林 強(qiáng)，滿正行，紀(jì)金水

（西北民族大學(xué)，甘肅 蘭州 730030）

1 引言

《華盛頓協(xié)議》是最有影響力的工程教育學(xué)位互認(rèn)協(xié)議，中國加入了該協(xié)議，加入該協(xié)議意味著中國工程專業(yè)本科學(xué)位將有一部分得到國際認(rèn)可，當(dāng)然也對中國工程教育體系提出了新的要求——按照國際標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)、切實(shí)提高工程技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量。依據(jù)《工程教育認(rèn)證辦法》和《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》，學(xué)習(xí)領(lǐng)會(huì)工程教育認(rèn)證的本質(zhì)內(nèi)涵和總體要求，按照認(rèn)證要求推進(jìn)專業(yè)建設(shè)。

工程教育認(rèn)證要求學(xué)習(xí)并使用現(xiàn)代的各種工具。面對各種各樣的工程問題，適當(dāng)合理地運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)工具，預(yù)測和模擬復(fù)雜的工程問題，能夠及時(shí)了解復(fù)雜工程的局限性。應(yīng)熟練了解現(xiàn)代工具的原理和方法，現(xiàn)代工具主要包括儀器、工程工具和各種工程模擬軟件；了解如何選擇合適的現(xiàn)代工具和專業(yè)模擬軟件，對工程中的各類問題進(jìn)行詳細(xì)分析，并借助工具進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)用工具進(jìn)行工程設(shè)計(jì)；面對具體的工程對象，選用恰當(dāng)?shù)默F(xiàn)代工具，對專業(yè)問題進(jìn)行模擬，并作出適當(dāng)?shù)念A(yù)測，并理解如何分析其局限性。能力的培養(yǎng)是一個(gè)復(fù)雜、系統(tǒng)化的過程，主要通過一定數(shù)量和質(zhì)量的課程，構(gòu)成課程體系，相輔相成，理論和實(shí)踐相結(jié)合去學(xué)習(xí)，最終實(shí)現(xiàn)能力的提高。

2 Multisim 介紹及應(yīng)用

Multisim 是一個(gè)廣泛用于各類仿真的工具，特別適合模擬電路和數(shù)字電路的模擬和設(shè)計(jì)工作。本模擬軟件支持多種輸入方法，如原理圖圖形輸入、VHDL、AHDL 等多種硬件描述語言的輸入，具有非常強(qiáng)大的仿真電路和分析電路的能力。搭建電路原理圖的工作也可以借助本軟件完成，搭建過程簡單，使用方便，搭建完成后不需要做移植，直接進(jìn)行仿真即可。本模擬軟件適合電子學(xué)方面課程的學(xué)習(xí)。運(yùn)用Multisim，專業(yè)教師完成從理論學(xué)習(xí)到仿真，再到具體設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)和測試，真正完成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)過程。

硬件相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)課主要有“電路分析”“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”等。這些課程任務(wù)是奠定學(xué)生的基礎(chǔ)理論，掌握電子技術(shù)方面的基本知識(shí)，培養(yǎng)電子技術(shù)方面的基本技能，為后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。通常，這些課程的教學(xué)是由理論教學(xué)、課程實(shí)驗(yàn)等教學(xué)環(huán)節(jié)構(gòu)成的。電路分析、模擬電子和數(shù)字電子都可以用Multisim 進(jìn)行仿真，這樣避免花時(shí)間學(xué)習(xí)多個(gè)仿真軟件。數(shù)字電路里的競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象如圖1 所示。

圖1 競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象

3 Proteus 介紹及應(yīng)用

Proteus 支持比較全面的仿真功能，除了常見的基本電路的仿真，還能進(jìn)行單片機(jī)、8086 等各種處理器及其外圍器件的仿真。尤其在仿真單片機(jī)及其外圍器件方面具有很大的優(yōu)勢。本軟件是真正的一款從概念到產(chǎn)品的仿真軟件。首先設(shè)計(jì)原理圖，原理圖的設(shè)計(jì)方法跟其他設(shè)計(jì)軟件類似，不需要單獨(dú)學(xué)習(xí)；代碼調(diào)試有兩種方法，可以借助其他調(diào)試工具進(jìn)行調(diào)試，將編譯完的可執(zhí)行文件直接加載到原理圖的處理器中，也可以通過對Proteus 的設(shè)置，在Proteus 中直接進(jìn)行代碼調(diào)試；設(shè)計(jì)好原理圖、代碼調(diào)試完成，就可以實(shí)現(xiàn)處理器與外圍電路的仿真。Proteus 是綜合性的設(shè)計(jì)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)電路仿真、PCB 設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真，其處理器模型支持8051、8086 和DSP 等多種處理器，其他系列處理器模型還在繼續(xù)增加。Proteus 仿真軟件支持IAR、Keil 等多種編譯器。

硬件相關(guān)的專業(yè)課主要有“計(jì)算機(jī)組成原理”“匯編語言”“微機(jī)原理與接口技術(shù)”“單片機(jī)原理及其應(yīng)用”“嵌入式系統(tǒng)與設(shè)計(jì)”等，這些課程都可以用Proteus 進(jìn)行仿真，Proteus 也可以應(yīng)用于專業(yè)實(shí)踐課。

8086 控制數(shù)碼管閃爍硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，8086 作為主控制器，數(shù)碼管各個(gè)段的輸入接D 觸發(fā)器的輸出Q，8086的WR 和M/IO 的或運(yùn)算結(jié)果作為D 觸發(fā)器的復(fù)位控制端R的輸入，8086 的RD 和M/IO 的或運(yùn)算結(jié)果作為D 觸發(fā)器的置位控制端S的輸入。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖2，R有效即R=0 時(shí)，Q輸出0，七段數(shù)碼管全滅，S有效即S=0 時(shí)，Q輸出1 時(shí)，七段數(shù)碼管全亮。也就是通過程序控制R和S輪流等于0，就實(shí)現(xiàn)了對數(shù)碼管的閃爍控制。R=0 和S=0，通過IO 端口進(jìn)行寫和讀操作。根據(jù)以上思路，數(shù)碼管閃爍控制的程序設(shè)計(jì)如下：

mov dx,200h ；設(shè)置端口地址lp:out dx,al ；寫端口

call delay ；調(diào)用延時(shí)子程序

in al,dx ；讀端口

call delay ；調(diào)用延時(shí)子程序

jmp lp ；跳轉(zhuǎn)循環(huán)執(zhí)行

end

原理圖設(shè)計(jì)完成后，編寫對應(yīng)的程序，將編譯得到的可執(zhí)行文件加載到8086，然后進(jìn)行仿真，就能觀察到數(shù)碼管的閃爍。通過硬件和程序設(shè)計(jì)，并進(jìn)行仿真，觀察到閃爍現(xiàn)象，幫助學(xué)生理解軟硬件協(xié)同工作的思路，提升學(xué)生的分析設(shè)計(jì)能力，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

4 現(xiàn)代工具應(yīng)用于教學(xué)過程的實(shí)施方案

仿真的過程需要建立各種電路，然后進(jìn)行仿真，隨著電路復(fù)雜度的增加，電路輸入需要大量的時(shí)間。針對以上問題，制定了師生共建仿真實(shí)例庫的計(jì)劃：申請一個(gè)網(wǎng)盤，保存和共享仿真實(shí)例；教師通過演示，教會(huì)學(xué)生如何建立仿真電路；學(xué)生分組負(fù)責(zé)不同章節(jié)仿真圖的建立和整理。仿真實(shí)例庫可以在每一年級傳承，逐步完善。為了培養(yǎng)學(xué)生的糾錯(cuò)能力，也可以保留一些典型的出錯(cuò)設(shè)計(jì)，專門建立一個(gè)錯(cuò)誤庫，讓學(xué)生參與修改。

5 結(jié)語

做實(shí)驗(yàn)可培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)能鞏固課堂理論教學(xué)內(nèi)容，使理論和實(shí)踐相結(jié)合，真正理解相關(guān)的知識(shí)。硬件課程的實(shí)驗(yàn)依賴于具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，一般需要在特定時(shí)間特定地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。借助現(xiàn)代工具模擬軟件，可以在教學(xué)或做作業(yè)的過程中隨時(shí)進(jìn)行模擬仿真，通過仿真能更深入理解相關(guān)的知識(shí)，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。但是仿真也具有局限性，跟實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比不夠直觀，參與感有限，仿真作為實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充不能替代設(shè)備上的實(shí)驗(yàn)。