基于新技術的微機接口實驗教學的研究

楊志奇　何穎

摘要：《微機接口》實驗教學是《微機接口》課程的一個重要環節，對于學生牢固掌握該課程內容具有重要作用。文章從《微機接口》實驗教學現狀分析、擬在實驗中采用的新技術的介紹入手，并從引入FPGA技術，使用仿真軟件、采用C語言完成《微機接口》實驗、使用智慧教學工具提升實驗的效果和水平共三個方面對 《微機接口》實驗教學進行了探索，實踐證明上述改革措施切實可行，并取得了較好的效果。

關鍵詞：互聯網+；微機接口；FPGA；仿真軟件；嵌入式編程；雨課堂

一、引言

當前，世界范圍內新一輪科技革命和產業變革加速進行，綜合國力競爭愈加激烈。國家實施“創新驅動發展”、“中國制造2025”、“互聯網+”、“一帶一路”等重大戰略，以新技術、新業態、新產業為特點的新經濟蓬勃發展，要求工程科技人才具備更高的創新創業能力和跨界整合能力，加快新工科建設，助力經濟轉型升級。

為貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》和《國務院辦公廳關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》文件精神，深入推進產學合作協同育人，匯聚社會資源支持高校專業綜合改革和創新創業教育，自2014年起，教育部高教司實施產學合作協同育人項目，以產業和技術發展的最新需求推動高校人才培養改革。

隨著產學合作協同育人教學模式的不斷推廣，如何在傳統的計算機課程中使用新技術成為擺在我們計算機教育工作者面前的一個重要的課題。

二、微機接口實驗教學現狀分析

我校是一所獨立學院，學生學習的基礎薄弱，相當部分學生對學習沒有興趣?！段C原理與接口技術》（后簡稱《微機接口》）是計算機及電子信息類理工科的一門重要專業課。內容涵蓋微機原理、嵌入式程序設計及微機接口技術，兼顧硬件和軟件2個方面，該課程的特點是概念抽象，實踐性強。實驗教學對于學生理解該課程內容、培養學生動手能力有著至關重要的作用。

作為我系計算機硬件綜合實驗室的兼職管理人員和《微機接口》課程專職任課教師，通過多年的教學和管理工作，積累了大量《微機接口》實驗教學的經驗，并發現《微機接口》實驗教學中存在的問題，主要包括以下幾個方面。

1.實驗受到實驗環境與實驗內容的制約

我系當前主要使用實驗箱來進行《微機接口》實驗。但傳統實驗箱上的芯片資源有限，且教學實驗內容完全停留在8位接口芯片層面，與現在業界廣泛使用的32位64位接口有所脫節，不具備進行多核處理器、多芯片組合的綜合型實驗的條件。

《微機接口》實驗內容也因芯片種類和實驗臺架構固定而不易調整，學生的實驗靈活性受限，難以發揮學生的創新能力。

2.實驗中硬件設計方面的內容有待增加

當前《微機接口》的實驗內容重軟輕硬，實驗重點大都集中在匯編語言的編寫上，學生自主設計電路的時間和機會較少，這樣不利于對于學生硬件設計能力的培養。

3.缺乏對實驗前預習的檢查手段，學生學習積極性差

因為沒有對于實驗前預習的檢查手段，大部分學生在實驗前都不進行預習。導致在實驗中，學生只會機械地按照實驗指導書一步一步地做，而不關心實驗目的和通過實驗所掌握的知識。

當前《微機接口》實驗的內容重點都集中在對于8086匯編語言的編寫上，因8086匯編語言應用范圍較窄且內容繁瑣，大部分學生對于學習編寫匯編語言程序并不感興趣，因此學習的積極性不高。

三、基于新技術的微機接口實驗教學探索

顯然要解決上述《微機接口》實驗教學中存在的問題，僅僅進行教學方法的改革是不夠的，采用新技術勢在必行。我們在教育部校企協同單位—北京時代行云科技有限公司的大力支持、協助下，針對我系2015級學生實施了如下的改革措施：

1.引入FPGA技術

以左冬紅老師的《計算機組成原理與接口技術實驗教程》為教學參考書，通過引入FPGA技術，借助其豐富的邏輯單元，用FPGA技術對微機接口實驗平臺進行改進，滿足了設計復雜電路的需要。Xilinx公司的ISE和Vivado軟件都是針對FPGA的集成開發軟件，它們能夠給用戶提供一個從設計輸入到綜合、布線、仿真、下載的全套解決方案，其工作流程無須借助任何第三方電子設計自動化軟件[1]。

ISE，Vivado等仿真軟件的使用使得接口實驗不再受限于時間、地點和固定設備。另外，通過簡化以前芯片功能驗證的實驗，學生通過軟件仿真可以很清楚的了解接口芯片和總線接口的工作時序，不用硬件連線便可以得到接口芯片各方式下的波形，從而縮短芯片功能驗證實驗的時間，將更多的時間用在接口芯片電路的設計上[2]。

2.采用C語言完成《微機接口》實驗

C語言誕生于1972年，具有高效、靈活、功能豐富、表達力強和較高的移植性等特點，在程序員中備受青睞，是最近25年中使用最為廣泛的編程語言。由于C語言在嵌入式編程中居于主導地位，掌握C語言嵌入式編程技術對學生將來就業有好處，因此在《微機接口》實驗中主要采用C語言來進行編程，從而增加了學生學習的興趣，也為“畢業設計”等課程打下基礎。

3.使用智慧教學工具提升實驗的效果和水平

“雨課堂”教學工具由清華大學在線教育辦公室和學堂在線共同推出，是教育部在線教育研究中心的研究成果?！坝暾n堂”教學工具基于微信和PowerPoint 軟件平臺，教師可充分利用其兼具多屏互動、答疑彈幕、大數據分析等功能，覆蓋課前、課上、課后的每一個環節，予以學生全新的課堂體驗[3]。通過使用“雨課堂”教學工具大大提升了《微機接口》實驗的教學效果和水平，實施的具體步驟如下：

1）通過“雨課堂”對學生實驗的預習情況進行檢查

首先制作《微機接口》實驗預習課件，并為每一頁課件錄音進行講解，最后發布到上課班級。然后，教師將生成的實驗課程二維碼和班級邀請碼公布在“微機接口”教學網，以便學生加入班級進行學習。

學生首先在微信端關注“雨課堂”，在“微機接口”教學網選擇將要進行的實驗后，再通過班級邀請碼進入到實驗班進行實驗預習。教師通過查看教師微信端所顯示完成預習的學生數量、查看課件的學生數量、答題的正確率等統計數據，客觀、實時地掌握學生的預習情況，并及時對教學做出調整[4]。

2）通過“雨課堂”進行互動式教學

教師開啟雨課堂授課，學生除了像傳統課堂可以看到課件投影外，還可以掃描屏幕二維碼，將課件同步到微信，這樣實驗的一些操作視頻、動畫資源等就可以被很好地利用。開啟彈幕功能后，學生就可以在微信中提問，教師可以根據學生反映的問題進行答疑。通過老師與學生、學生與學生之間的交流，實驗的操作原理得到了更深層次的理解，學生也會在交流中思考和創新。

3）通過“雨課堂”快捷批改實驗報告，提高教學效率

以往的微機實驗結束后，教師需要進行布置實驗報告、批改實驗報告、登記實驗成績等一系列教學工作，而這些工作現在均可通過“雨課堂”來完成。實驗完成后，教師只需要在實驗班級發布一份實驗報告模板即可。教師可以限定學生完成實驗報告的時間，學生提交后會顯示學生姓名、提交時間，教師批復后，每位學生的得分、教師的批復時間都會有相應的數據顯示。學生在完成后還可以點擊“懂”或“不懂”等選項對實驗內容進行反饋，教師再根據學生的反饋情況通過微信推送相應的學習資料。學生可以利用課下任何片段時間來學習這些資料，實現了碎片化學習。

四、教學改革成效

實踐證明，以上的教學改革方法在《微機接口》課程教學中是切實可行的，并收到了較好的教學效果。圖3-1顯示了教學改革前（2016-2017（2）學期，上圖）與教學改革后（2017-2018（2）學期，下圖）在試題難度不變的情況下《微機接口》課程學生成績的情況：

如圖所示，改革后學生成績分布得到很大改善，具體來說：90分以上學生人數由占學生總數的8%上升到占9%，80分以上學生人數由占學生總數的20%上升到占25%，70分以上學生人數由占學生總數的22%上升到占28%，60分以上學生人數由占總數的37%下降到占31%，不及格學生人數由占總數的13%下降到占7%。說明通過改革，不及格及60多分的學生所占比例明顯下降，而70分以上學生所占比例明顯上升，改革收到了顯著的成效。

四、結束語

隨著各類新技術的不斷出現、產學合作協同育人教學模式的不斷推廣，如何在傳統的計算機課程中使用新技術無疑給計算機專業教師帶來了新的挑戰[5]。

實踐證明，以上的教學改革方法在《微機接口》課程教學中是切實可行的，并收到了較好的教學效果?？傊?，在“互聯網+”時代，新技術的不斷發展為教育帶來了新的變革和發展機遇，合理利用先進的新技術和新工具，必將使得計算機課程教學變得更加生機煥發、充滿活力。

參考文獻：

[1]左冬紅.計算機組成原理與接口技術實驗教程[M]. 北京：清華大學出版社，2014：1-40.

[2]廉玉欣，侯博雅，王猛，侯云鵬. 基于Xilinx Vivado 的數字邏輯實驗教程[M]. 北京：電子工業出版社，2016：1-23.

[3]程義軍，樓國紅.基于微課翻轉課堂的DSP 實驗教學的研究[J]. 西部素質教育，2017，15：169-170.

[4]呂俏，張智. 雨課堂在大學物理實驗教學中的應用[J]. 中國信息技術教育， 2017，05：96-98.

[5]劉君. “互聯網+ 教育”背景下“雨課堂”的教學實踐--以“計算機網絡”課程教學為例[J]. 廈門城市職業學院學報，2017，19（1）：44-48.

作者簡介：

楊志奇（1966-），男，遼寧沈陽人，天津大學仁愛學院計算機科學與技術系，計算機科學與技術教研室主任，副教授，研究方向為計算機應用、模式識別等。何穎（1984-），女，四川遂寧人，天津大學仁愛學院計算機科學與技術系，講師，研究方向為計算機應用、圖像處理等。李春閣（1981-），女，河北衡水人，天津大學仁愛學院計算機科學與技術系，講師，研究方向為計算機應用、圖像處理等。

基金項目：

課題名稱：基于新技術的微機接口實驗改革與實踐；課題編號：201702150023；立項單位：教育部北京時代行云科技有限公司校企協同項目.