“微機原理與系統設計”實踐課程教學改革探索

李欣榮，劉博，楊力，李江濤

（西安電子科技大學計算機科學與技術學院，陜西西安 710126)

0 引言

“微機原理與系統設計”是高等院校計算機、電子信息、自動化等相關專業學生的必修專業基礎課，是包含計算機硬件基礎、匯編語言以及計算機接口技術應用等知識體系的綜合性課程[1-2]。課程的學習與掌握程度，對提高學生的計算機硬件應用能力至關重要，同時也是學習后續專業課程的重要基礎[3]。該課程概念抽象、實踐性強[4]，尤其強調理論到實踐的轉換和學生動手能力的培養。作為課堂理論教學的重要補充，配套的隨堂實驗和課程設計兩門實踐類課程環節是其他教學環節無法代替的。實踐課程的教學能使學生深入理解微型計算機應用系統的硬件組成與設計方法，鍛煉學生的程序設計及系統調試能力，提高學生的工程思維及綜合運用專業知識分析問題、解決問題的能力。

近些年，隨著國家和學校對實踐教學能力的重視，實驗教學質量有了較大的改善，各大高校也陸續推出了各種新型實驗儀器和虛擬課堂形式用于教學，但是基于實驗的教學應用還較少。國內各個高校在微機原理相關實踐課程中也面臨著實驗設備陳舊、教學模式單一、教學方法落后等問題[5-6]。尤其是新冠疫情期間，很多學生無法到校學習，嚴重影響教學效果，亟待進行改革創新。為了保障課程教學效果，提高實踐教學質量，相關院校也積極嘗試了多種改革。廣東藥科大學[7]使用Proteus與EMU8086聯合仿真，并配合實驗箱進行虛實結合的實驗教學，但沒有提及對實踐課程內容的綜合項目優化；浙江工業大學[8]使用西安唐都科教儀器公司的TO-PITE微機實驗平臺，全面支持多種操作系統下匯編和C程序的混編，但沒有提及虛實結合的教學模式；西安航空學院[9]更換成了FPGS的SOC 技術的8086 系統，提高了教學效果和學生的工程實踐能力，但學習內容和我校“微機原理與系統設計”理論課程教學大綱不太契合。

為改善教學效果，本文依托西安電子科技大學計算機網絡與信息安全國家教學示范中心的實踐教學平臺，通過改善實踐教學軟硬件系統，利用學校的“學在西電”校內信息平臺和多個公共網絡平臺，構建“教學-虛擬課堂-虛擬仿真-實驗-綜合訓練-考核”的閉環課程教學體系，加深學生對課程理論知識的理解，加強學生的實踐動手能力。

1 “微機原理與系統設計”實踐課程的教學現狀

1.1 實驗軟硬件系統陳舊

以西安電子科技大學的實驗課程為例，“微機原理與系統設計”的實踐課程包括隨堂實驗和課程設計。隨堂實驗一般為16學時，主要包括4個必做的基礎實驗和7個選做實驗，由于實驗箱價格昂貴、容易損壞、維修周期長等原因，實驗箱數量有限，學生必須在專用實驗室完成所有實驗內容。而受限于課程安排與實驗條件，學生無法在非授課時間進行實驗預習操作或創新設計。因此，在有限的課程實踐教學環節，大部分同學只能完成四個必做實驗。而現有課程配套的編程軟件通用性差，QTC-PCI 軟件只能在Windows XP系統下使用，XP系統的開機速度和軟件的運行速度比較緩慢，影響學生的學習效率，無法在學生電腦端安裝使用，導致疫情期間相關實踐教學環節無法進行，造成了教學資源的浪費，影響學校整體課程體系的教學計劃與安排。而“微機原理與系統設計”課程設計需要學生完成一個小型微機應用系統的開發項目。受限于實驗條件和設備數量，課程設計可選題目數量有限，很難達到培養學生自主設計能力和創新能力的效果。

1.2 教學模式單一，考核方式死板

現有“微機原理與系統設計”實踐教學模式比較單一，隨堂實驗是采用“理論+實驗”形式，實驗教師講述理論部分，學生使用軟件仿真并結合實驗箱進行實驗。由于理論知識復雜，而實踐教學資源有限，在規定的課時內只有約5%的學生可以完成創新功能的設計或者選做實驗。課程設計采用小組形式完成所選項目，由于題目多年未更新、可選項有限，無法調動學生的主觀能動性。課程考核機制較為死板，缺乏對學生自主創新能力的考查，在一定程度上影響了實際的教學效果。

1.3 實踐課程教學內容缺乏創新性

由于各種原因，“微機原理與系統設計”實踐課程教學內容多年未更新，缺乏個性化的教學實踐課程內容和結合最新前沿和先進技術的題目和實驗內容，學生在有限的學時內，只能完成規定的實驗內容，無法調動學生積極性和創新性。

2 “微機原理與系統設計”實踐課程的改革舉措

針對學校上述“微機原理與系統設計”實踐課程中存在的問題，為提高教學質量和效果，本文提出如下改革舉措：首先，優化實驗軟硬件平臺，改善實踐教學環境，提高學生實踐課程學習效率；其次，結合理論課程內容，基于新的微機實驗系統，優化實踐課程教學內容，調整實驗和課程設計的課程內容，建立“基本+綜合+創新”的實踐內容題庫，豐富實踐教學內容；最后，構建“教學-虛擬課堂-虛擬仿真-實驗-綜合訓練-考核”的閉環課程教學體系，有效利用課程資源，最大化地促進基礎理論與實驗的有機融合。上述舉措克服了現有實踐教學環節中的弊病，能夠使學生通過遞進式實驗教學內容，充分掌握課程理論知識，提升實際操作能力，課程改革整體思路如圖1所示。

圖1 實踐課程改革整體思路

2.1 優化實踐課程軟硬件系統及教學內容

“微機原理與系統設計”實踐課程在2021 年開始使用星研公司的實驗平臺，實驗系統所具有的硬軟件結構對用戶的實驗設計具有良好的開放特性，系統總線及各種外圍接口器件都可由用戶來操作連接，極大提高了學生的硬件方案設計和實際操作能力，避免了單純驗證式實驗方式的弊病，增強了學生的綜合設計能力。實驗箱“SUN ES86PCIU+實驗儀”提供了可無限升級的模塊化設計、兼容性強，支持二次開發；其星研集成環境軟件平臺易于上手，支持匯編、C、PLM 語言，多種語言多模塊混合調試，可以在多種操作系統上進行安裝，并模擬仿真部分應用案例。

結合“微機原理與系統設計”理論課程內容和新的實驗系統，更新實踐課程教學項目，建立一個針對學生個性化教學的“基本+綜合+創新“實踐課題庫，提高學生的主動性與創新綜合能力。隨堂實驗課程內容設置為遞進式的基礎匯編編程實驗項目和擴展性接口應用實驗，由易到難，層層遞進，學生可自主學習簡單的實驗項目，在實驗中可從題庫自主選擇實驗內容進行實驗及創新設計。課程設計提供經典基礎案例，主要包括簡單的接口應用項目，逐步引導學生掌握設計方法和實驗方法，設置難易不同，緊跟先進前沿應用技術的題目，并形成綜合創新題庫，滿足不同層次學生的選擇。

“微機原理與系統設計”的“基本+綜合+創新”實踐課題庫內容如下，根據教學效果和學生的反饋仍然在更新補充。其中，隨堂實驗的基礎項目包括：

1)數據傳送實驗；2)數碼轉換類實驗（十進制、二進制、十六進制和BCD碼之間轉換）；3)數值運算類實驗（二進制雙精度加法運算；十進制減法運算；十進制乘法運算）；4)分支循環實驗；5)子程序實驗；6)排序實驗；7)散轉實驗。

擴展性接口應用實驗包括：

1)輸入輸出程序設計實驗；2)輸入輸出程序擴展實驗；3)存儲器擴讀寫實驗；4)可編程中斷控制器8259實驗；5)可編程定時器/計數器8254 實驗；6)LED 字幕顯示實驗；7)鍵盤掃描及數碼管顯示實驗；8)點陣式LCD 實驗；9)電子發聲實驗；10)可編程通信8250 實驗；11)并行DA實驗；12)并行AD實驗；13)紅外通信實驗；14)繼電器控制實驗。

課程設計的經典基礎案例分析包括：

1)交通燈控制系統；2)步進電機控制系統。

綜合接口應用項目包括：

1)步進電機開環控制系統；2)數字時鐘與自動報時系統；3)常用函數波形發生器設計；4)公交站報站動態顯示系統；5)鍵盤電子樂器演奏程序設計；6)直流電機轉測測量與控制系統；7)矩陣式鍵盤數字密碼鎖設計；8)數據采集與監視系統。

創新綜合項目包括：

1)光敏電阻測量光照強度系統；2)人體脈搏檢測系統；3)智能交通燈控制系統；4)照明控制系統；5)模擬出租車計價器設計；6)自主設計系統設計。

利用優化的軟硬件平臺，學生可以提前編程仿真基礎實驗項目，不受硬件資源和時空限制隨時隨地學習，根據自身情況進行選擇課題庫內項目，從而引導學生自主創新，培養學生的創新綜合動手能力。

2.2 構建混合式實踐教學模式

為了更好地激發學生的學習興趣，探索基于“發揮學生主體性，提升學生創新性”的“微機原理與系統設計”混合式課堂實驗教學模式。首先，借助多媒體技術、MOOC 和“學在西電”等網絡平臺，將實驗課程基礎理論知識點和操作指導以虛擬課堂的形式放在“學在西電平臺”，錄制相關視頻，讓學生在沒有硬件的條件下，掌握匯編程序編程流程和操作步驟，熟悉電路的搭建和程序的調試，從而有效解決由于設備和學時不足導致的實踐鍛煉不足的問題，根據學生的能力，充分發揮學生的主動性；其次，搭建實驗選排系統和學生交流的網絡平臺。為了促進學生個性化發展，學生都是“一人一課表”，實踐課程的時間安排比較靈活，利用實驗選排系統，學生可以選擇不同的時間和教室進行實踐課程；利用“學在西電”和網絡群建立學生和老師隨時溝通的橋梁，讓學生不受時間與實驗室的限制，隨時進行學習，把更多的精力放在創新和綜合實驗上。實驗教學中心的實驗排課系統和“學在西電”課程平臺如圖2。第三，明確實驗教師的工作內容與流程，設計在線信息交流方式，掌握教學平臺技巧，在實踐課程結束時使用匿名調查問卷，增加學生的反饋途徑，建立高效反饋機制，逐步完善和修正實踐過程，提高教學效果。

圖2 我校實驗教學中心實驗選排系統和“學在西電”課程平臺

2.3 探索實踐課程多維成績評定方法

基于構建的混合式實踐教學模式，必須探索科學、有效和全面的多維實踐課程評價方法，來提高學生的學習積極性和學習效率。首先，將“學在西電”平臺統計學生的線上學習情況列入成績評價內，根據網絡授課的特點，讓學生填寫情況調查表代替簽到表，能更好地反映學生的學習情況，并及時調整教學進度；其次，根據學生選擇不同難易程度的實驗內容和學生參與交流的情況，增加對實驗過程的考核；再次，課程設計讓學生使用小組答辯的形式，每個同學介紹自己的思路和所做工作，并在組內組外增加學生互評，主要增加演示講解和組內貢獻的分值占比；最后，調整設計報告內容，著重學生對結果分析和體會總結的占比。具體隨堂實驗和課程設計成績評定細則如表1所示：

表1 隨堂實驗和課程設計成績評定細則

通過探索科學化、細分化的評分標準，能夠保障學生實驗評分的綜合性和客觀性，提高學生的學習自主性和積極性。

3 總結

經過近兩年“微機原理與系統設計”實踐教學反饋可以發現，通過優化軟硬件平臺和教學內容，構建“教學-虛擬課堂-虛擬仿真-實驗-綜合訓練-考核”的閉環課程教學體系，能夠加強課堂理論教學內容的聯系，加深學生對課程理論知識的理解，增強學生的實踐動手能力，讓學生從驗證性實驗的思維到創新自主學習的思維轉變。在實踐響應國家、學校以及實踐中心對于創新性應用人才培養的要求，具有重要的價值和意義。