基于虛擬仿真環(huán)境的微機原理與接口技術(shù)課堂教學(xué)改革與實踐

黃景濤+徐迎曦+邱聯(lián)奎+曹哲

摘要：鑒于微機原理與接口技術(shù)課程內(nèi)容抽象、知識點瑣碎、難以理解的特點，探索基于虛擬仿真環(huán)境的課堂教學(xué)改革實踐。借助虛擬仿真平臺EMU8086，充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢，設(shè)計教學(xué)案例，有效利用虛擬仿真環(huán)境進行教學(xué)設(shè)計，以更加直觀、形象的方式講解微型計算機的工作原理和指令執(zhí)行過程，提高學(xué)生興趣，提高課堂教學(xué)效果，有助于達成使學(xué)生初步具備軟、硬件系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)能力的課程教學(xué)目標。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;EMU8086;微機原理及接口技術(shù);課堂教學(xué)

中圖分類號：TP36 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）06-0108-02

一、引言

《微機原理與接口技術(shù)》課程是電氣信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)核心課程之一，是電氣工程及其自動化、自動化、計算機科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程、信息工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等本科專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。作為學(xué)習(xí)計算機硬件原理與指令系統(tǒng)及其應(yīng)用最主要的課程之一，對提高學(xué)生的計算機硬件應(yīng)用能力至關(guān)重要，是學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程的重要基礎(chǔ)。

微機原理與接口技術(shù)實踐性強，而教學(xué)內(nèi)容卻高度抽象，長期以來，存在著教師難教、學(xué)生難學(xué)的現(xiàn)象。實際課堂教學(xué)中演示實驗設(shè)備匱乏，當前實驗教學(xué)大多以集成實驗箱為實驗平臺，不便于課堂理論教學(xué)過程中演示互動。在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，開設(shè)的實驗綜合性不夠，往往忽視硬件設(shè)計、軟件調(diào)試過程的協(xié)同，且有實驗過程“操作化”的趨勢，相當一部分學(xué)生僅僅簡單模仿，知其然而不知其所以然。久而久之，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性隨著教學(xué)過程的進行而降低，將這門實踐性很強的課程也視為普通理論課，課程教學(xué)效果不夠理想。為此，不少教師在教學(xué)過程中也進行了一些改革探索[1-5]。

隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，在課堂上進行實踐演示成為可能。借助于計算機仿真技術(shù)將微型計算機內(nèi)部編程結(jié)構(gòu)、工作原理、指令系統(tǒng)及外圍接口技術(shù)等抽象內(nèi)容以圖形化方式動態(tài)展示，通過課堂現(xiàn)場演示，學(xué)生更易接受，從而加深對微型計算機系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、工作原理及指令執(zhí)行過程的理解，掌握其特點和規(guī)律。

EMU8086仿真環(huán)境有機集成了匯編語言程序設(shè)計和接口技術(shù)，界面友好，適合作為課堂教學(xué)輔助手段。通過在課堂理論教學(xué)中融入虛擬仿真實驗案例，也彌補了實驗教學(xué)環(huán)節(jié)在實驗場地、時間安排方面的不足，可有效改善理論教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)間的互動。學(xué)生在課堂理論教學(xué)過程中通過虛擬實驗過程便可了解相應(yīng)理論知識在實際微機系統(tǒng)中的作用與用法。虛擬仿真環(huán)境的引入，借助合適的教學(xué)案例，以問題為導(dǎo)向，逐步實現(xiàn)課堂教學(xué)向著以學(xué)生分析解決問題能力提高為目標的模式轉(zhuǎn)變。

二、微機系統(tǒng)虛擬仿真環(huán)境

EMU8086（Micro- processor Emulator）集成了源程序編輯、代碼編譯、Debug等功能，是一款運行于Windows環(huán)境下的16位微處理器8086虛擬仿真器。該仿真器具有豐富的幫助文檔，是一個學(xué)習(xí)微型計算機內(nèi)部工作原理、理解計算機工作過程的高效輔助工具。

程序可在仿真器中單步執(zhí)行或連續(xù)執(zhí)行，其可視化的人機交互方式讓使用者操作更容易。在指令執(zhí)行過程中，用戶可觀察CPU內(nèi)部各寄存器、標志以及相關(guān)存儲器中的內(nèi)容隨指令執(zhí)行的變化情況。仿真器中執(zhí)行的程序運行于軟件虛擬的系統(tǒng)中，可有效避免指令執(zhí)行時影響到運行EMU8086的計算機硬件系統(tǒng)。而且該虛擬仿真環(huán)境完全兼容Intel系列微處理器，不受實際計算機硬件配置的限制，便于在課堂教學(xué)中演示，以更直觀地展現(xiàn)CPU的工作原理和指令的執(zhí)行過程。

三、基于虛擬仿真環(huán)境的課堂教學(xué)與實踐

基于虛擬仿真環(huán)境EMU8086，以解決問題為導(dǎo)向，結(jié)合實際應(yīng)用設(shè)計教學(xué)案例，將相關(guān)知識點融合貫通，更符合人的認知過程。從解決問題出發(fā)，可引導(dǎo)學(xué)生明確思路，在解決問題的過程中學(xué)習(xí)知識，能有效激發(fā)學(xué)習(xí)主動性，使學(xué)生學(xué)習(xí)過程更有成就感。隨著問題的解決，自然而然地加深了對相關(guān)知識的理解和掌握，切實提高學(xué)生運用所學(xué)知識解決問題的能力。

1.指令執(zhí)行過程剖析。《微機原理及接口技術(shù)》課程教學(xué)內(nèi)容主要包括硬件原理、指令系統(tǒng)和接口技術(shù)三大部分內(nèi)容，主要內(nèi)容概念抽象、難以理解，導(dǎo)致學(xué)生厭學(xué)。虛擬仿真技術(shù)可形象地將抽象的概念以直觀的形式展現(xiàn)，基于EMU8086這一虛擬仿真工具，結(jié)合實際應(yīng)用設(shè)計教學(xué)案例，使學(xué)生在解決問題中學(xué)習(xí)知識、掌握概念、總結(jié)規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生主動分析問題、解決問題的能力，通過虛擬仿真實驗提供學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，進一步使學(xué)生建立面向問題的系統(tǒng)化思維模式。

在指令系統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生對于指令往往采取死記硬背的方式，缺乏面向解決問題的思維方法，一方面指令系統(tǒng)顯得零散難記，另一方面，即便背下了指令及語法，也難以在需要時正確使用。長期這樣，會使學(xué)生對課程失去興趣。而借助虛擬仿真環(huán)境，可將這一過程系統(tǒng)化、形象化，便于將看似零散的知識點串起來。比如，微處理器中實現(xiàn)表達式“6-8+7”的處理過程，如圖1所示，借助仿真環(huán)境EMU8086，在課堂上演示源程序編輯、匯編、鏈接、指令的單步運行，學(xué)生可觀察任何一條指令執(zhí)行過程中，CPU內(nèi)部所有寄存器、標志位的動態(tài)變化情況，從而理解狀態(tài)標志的作用。

在觀察指令執(zhí)行過程時，可同時看到指令匯編后對應(yīng)的十六進制機器碼，以及指令、操作數(shù)在存儲器中的存儲情況，能夠直觀形象地展示微型計算機工作過程。在實際課堂教學(xué)中，教師只需以合適的案例提出問題，引導(dǎo)學(xué)生分析問題，通過課堂問答逐步形成解決方案，并在教師機上進行現(xiàn)場仿真實驗。

2.接口技術(shù)抽象概念直觀化。“實踐、認識、再實踐、再認識”是人們認識與解決問題的基本方法和規(guī)律。基于虛擬仿真環(huán)境，構(gòu)建問題模型，設(shè)計實驗項目，通過課堂演示使抽象內(nèi)容形象化，再現(xiàn)知識形成的過程。引導(dǎo)學(xué)生主動思考，探尋解決問題的思路方法，在這個過程中，掌握重點、理解難點。

以典型的模擬交通燈仿真實驗為例，傳統(tǒng)的實驗方法是基于物理實驗箱，需要在特定的時間、特定實驗室進行專門的實驗操作，由于多數(shù)實驗箱的集成度高，實驗過程對于學(xué)生來說往往只是接幾根線、運行一下程序而已，難以達到使學(xué)生理解掌握利用計算機通過接口電路實現(xiàn)對外圍設(shè)備的控制這一教學(xué)目標。而且難以在課堂教學(xué)中適時地進行演示。

而借助虛擬仿真環(huán)境，可方便地在課堂上進行仿真實驗，通過對仿真實驗過程的分析，對比源程序，更利于學(xué)生理解設(shè)計系統(tǒng)時“軟”、“硬”配合的思想。如圖2所示，仿真實驗中能動態(tài)顯示十字路口交通燈的亮滅情況，同時源程序、機器碼、CPU內(nèi)部寄存器、接口電路內(nèi)寄存器等的實時狀態(tài)可方便地進行對比分析。借助于虛擬仿真環(huán)境，學(xué)生可直觀地理解微機解決實際問題的方法，可直接觀察接口電路在實現(xiàn)CPU與外設(shè)交換信息中的作用過程，使學(xué)生更好地理解計算機與外設(shè)交換信息的方式，將涉及到的知識點相互關(guān)聯(lián)，使學(xué)生建立面向解決問題的思維方式，學(xué)以致用，樹立微機系統(tǒng)軟件與硬件必須協(xié)同配合才能實現(xiàn)預(yù)期目標的系統(tǒng)設(shè)計思想。

通過實際案例，使顯得零碎的知識得到融合，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中知其然且知其所以然。利于培養(yǎng)學(xué)生以解決問題為導(dǎo)向，將所學(xué)知識付諸實踐。培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用微機解決問題的初步分析能力和系統(tǒng)設(shè)計能力。

四、結(jié)論

借助虛擬仿真技術(shù)，可更好地將《微機原理與接口技術(shù)》課程中碎片化的知識融會貫通。通過案例化虛擬仿真實驗演示，一方面可切實提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，活躍課堂氣氛;另一方面，通過抽象內(nèi)容的形象化展現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，培養(yǎng)學(xué)生掌握分析問題、解決問題的方法。教學(xué)過程以幫助學(xué)生運用相關(guān)知識解決實際問題為目標，使學(xué)生在問題解決的過程中獲得現(xiàn)實體驗，而不僅僅是抽象的程序、結(jié)論，探索實踐以學(xué)生為中心的教學(xué)模式。教學(xué)實踐表明，基于虛擬仿真環(huán)境，可有效提升課堂教學(xué)效果，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提供實踐動手能力。

參考文獻：

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