基于新技術(shù)的微機接口實驗教學(xué)的研究

楊志奇　何穎

摘要：《微機接口》實驗教學(xué)是《微機接口》課程的一個重要環(huán)節(jié)，對于學(xué)生牢固掌握該課程內(nèi)容具有重要作用。文章從《微機接口》實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析、擬在實驗中采用的新技術(shù)的介紹入手，并從引入FPGA技術(shù)，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(xué)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(xué)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(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)+；微機接口；FPGA；仿真軟件；嵌入式編程；雨課堂

一、引言

當(dāng)前，世界范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速進行，綜合國力競爭愈加激烈。國家實施“創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”、“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“一帶一路”等重大戰(zhàn)略，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)為特點的新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，要求工程科技人才具備更高的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界整合能力，加快新工科建設(shè)，助力經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級。

為貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》和《國務(wù)院辦公廳關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》文件精神，深入推進產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人，匯聚社會資源支持高校專業(yè)綜合改革和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，自2014年起，教育部高教司實施產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目，以產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展的最新需求推動高校人才培養(yǎng)改革。

隨著產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人教學(xué)模式的不斷推廣，如何在傳統(tǒng)的計算機課程中使用新技術(shù)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(xué)現(xiàn)狀分析

我校是一所獨立學(xué)院，學(xué)生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)薄弱，相當(dāng)部分學(xué)生對學(xué)習(xí)沒有興趣?！段C原理與接口技術(shù)》（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(yè)課。內(nèi)容涵蓋微機原理、嵌入式程序設(shè)計及微機接口技術(shù)，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(xué)對于學(xué)生理解該課程內(nèi)容、培養(yǎng)學(xué)生動手能力有著至關(guān)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(xué)和管理工作，積累了大量《微機接口》實驗教學(xué)的經(jīng)驗，并發(fā)現(xiàn)《微機接口》實驗教學(xué)中存在的問題，主要包括以下幾個方面。

1.實驗受到實驗環(huán)境與實驗內(nèi)容的制約

我系當(dāng)前主要使用實驗箱來進行《微機接口》實驗。但傳統(tǒng)實驗箱上的芯片資源有限，且教學(xué)實驗內(nèi)容完全停留在8位接口芯片層面，與現(xiàn)在業(yè)界廣泛使用的32位64位接口有所脫節(jié)，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(nèi)容也因芯片種類和實驗臺架構(gòu)固定而不易調(diào)整，學(xué)生的實驗靈活性受限，難以發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.實驗中硬件設(shè)計方面的內(nèi)容有待增加

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

3.缺乏對實驗前預(yù)習(xí)的檢查手段，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性差

因為沒有對于實驗前預(yù)習(xí)的檢查手段，大部分學(xué)生在實驗前都不進行預(yù)習(xí)。導(dǎo)致在實驗中，學(xué)生只會機械地按照實驗指導(dǎo)書一步一步地做，而不關(guān)心實驗?zāi)康暮屯ㄟ^實驗所掌握的知識。

當(dāng)前《微機接口》實驗的內(nèi)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(yīng)用范圍較窄且內(nèi)容繁瑣，大部分學(xué)生對于學(xué)習(xí)編寫匯編語言程序并不感興趣，因此學(xué)習(xí)的積極性不高。

三、基于新技術(shù)的微機接口實驗教學(xué)探索

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

1.引入FPGA技術(shù)

以左冬紅老師的《計算機組成原理與接口技術(shù)實驗教程》為教學(xué)參考書，通過引入FPGA技術(shù)，借助其豐富的邏輯單元，用FPGA技術(shù)對微機接口實驗平臺進行改進，滿足了設(shè)計復(fù)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(fā)軟件，它們能夠給用戶提供一個從設(shè)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(shè)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(shè)備。另外，通過簡化以前芯片功能驗證的實驗，學(xué)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(shè)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(dá)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(dǎo)地位，掌握C語言嵌入式編程技術(shù)對學(xué)生將來就業(yè)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(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，也為“畢業(yè)設(shè)計”等課程打下基礎(chǔ)。

3.使用智慧教學(xué)工具提升實驗的效果和水平

“雨課堂”教學(xué)工具由清華大學(xué)在線教育辦公室和學(xué)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(xué)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(shù)據(jù)分析等功能，覆蓋課前、課上、課后的每一個環(huán)節(jié)，予以學(xué)生全新的課堂體驗[3]。通過使用“雨課堂”教學(xué)工具大大提升了《微機接口》實驗的教學(xué)效果和水平，實施的具體步驟如下：

1）通過“雨課堂”對學(xué)生實驗的預(yù)習(xí)情況進行檢查

首先制作《微機接口》實驗預(yù)習(xí)課件，并為每一頁課件錄音進行講解，最后發(fā)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(xué)網(wǎng)，以便學(xué)生加入班級進行學(xué)習(xí)。

學(xué)生首先在微信端關(guān)注“雨課堂”，在“微機接口”教學(xué)網(wǎng)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(yù)習(xí)。教師通過查看教師微信端所顯示完成預(yù)習(xí)的學(xué)生數(shù)量、查看課件的學(xué)生數(shù)量、答題的正確率等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，客觀、實時地掌握學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，并及時對教學(xué)做出調(diào)整[4]。

2）通過“雨課堂”進行互動式教學(xué)

教師開啟雨課堂授課，學(xué)生除了像傳統(tǒng)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(xué)生就可以在微信中提問，教師可以根據(jù)學(xué)生反映的問題進行答疑。通過老師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的交流，實驗的操作原理得到了更深層次的理解，學(xué)生也會在交流中思考和創(chuàng)新。

3）通過“雨課堂”快捷批改實驗報告，提高教學(xué)效率

以往的微機實驗結(jié)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(xué)工作，而這些工作現(xiàn)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(fā)布一份實驗報告模板即可。教師可以限定學(xué)生完成實驗報告的時間，學(xué)生提交后會顯示學(xué)生姓名、提交時間，教師批復(fù)后，每位學(xué)生的得分、教師的批復(fù)時間都會有相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示。學(xué)生在完成后還可以點擊“懂”或“不懂”等選項對實驗內(nèi)容進行反饋，教師再根據(jù)學(xué)生的反饋情況通過微信推送相應(yīng)的學(xué)習(xí)資料。學(xué)生可以利用課下任何片段時間來學(xué)習(xí)這些資料，實現(xiàn)了碎片化學(xué)習(xí)。

四、教學(xué)改革成效

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

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

四、結(jié)束語

隨著各類新技術(shù)的不斷出現(xiàn)、產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人教學(xué)模式的不斷推廣，如何在傳統(tǒng)的計算機課程中使用新技術(shù)無疑給計算機專業(yè)教師帶來了新的挑戰(zhàn)[5]。

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

參考文獻：

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

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

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

[4]呂俏，張智. 雨課堂在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 中國信息技術(shù)教育， 2017，05：96-98.

[5]劉君. “互聯(lián)網(wǎng)+ 教育”背景下“雨課堂”的教學(xué)實踐--以“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程教學(xué)為例[J]. 廈門城市職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2017，19（1）：44-48.

作者簡介：

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

基金項目：

課題名稱：基于新技術(shù)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(xié)同項目.