基于自制實驗平臺的微機原理實驗教學(xué)探索與實踐

苗曙光,馬玉紅,邵丹,樊強，趙慶平，李淮江

(淮北師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 淮北 235000)

當(dāng)前，隨著信息技術(shù)迅猛發(fā)展及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，在長三角一體化的大背景下，應(yīng)用型復(fù)合型人才越來越受到企業(yè)的青睞.對于以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主的電子信息類專業(yè)，微機原理是相當(dāng)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，可以系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生微處理器設(shè)計思想，使學(xué)生具備根據(jù)工程需要進(jìn)行軟硬件開發(fā)的能力，并為后繼課程(如單片機原理，F(xiàn)PGA和STM32嵌入式系統(tǒng)等課程)的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)[1].作為理論聯(lián)系實踐的重要環(huán)節(jié)，微機原理實驗教學(xué)的重要性不言而喻.但是傳統(tǒng)的微機原理實驗教學(xué)多采用功能繁瑣，體積笨重的實驗箱，實驗箱上大部分實驗資源和實驗大綱匹配度不好，有些資源甚至超出實驗大綱要求.另外，這種實驗箱的價格昂貴，不利于實驗室開放和隨身攜帶，導(dǎo)致很多實驗室無法做到開放性和實驗平臺外借[2-3].針對微機原理實驗教學(xué)存在的問題，根據(jù)該課程的實驗教學(xué)大綱要求，我們對實驗平臺進(jìn)行了重新設(shè)計，獨立開發(fā)出了一款口袋式USB口可編程的微機原理實驗平臺，達(dá)到更好地服務(wù)于微機原理實驗教學(xué)的目的.

1 傳統(tǒng)的微機原理實驗教學(xué)存在的問題

1.1 實驗箱體積笨重，不便攜帶

傳統(tǒng)的微機原理實驗平臺一般多設(shè)計成尺寸較大的電路板，外加鋁合金外殼，這種設(shè)計使得實驗箱比較笨重，而且價格昂貴，不便于攜帶.因此傳統(tǒng)的實驗箱很難滿足新的教學(xué)方法需求(如翻轉(zhuǎn)課堂和項目驅(qū)動式教學(xué)等)，另外，考慮到實驗室安全及管理問題，除了實驗課時間段實驗室開放，其他大部分時間試驗箱都是處于閑置狀態(tài)，開放實驗室更是無從談起[4-5].因此，開發(fā)一款體積小、性價比高、口袋式便攜型的實驗平臺是我們亟待解決的問題.

1.2 實驗教學(xué)方法機械

傳統(tǒng)的微機原理實驗教學(xué)一般是教師按照實驗?zāi)康?、實驗設(shè)備、實驗原理、實驗內(nèi)容及步驟等幾部分講解，然后現(xiàn)場演示一遍，學(xué)生按照教師的接線和實驗代碼驗證一下，實驗就算做完了.但是這種教學(xué)方法使得學(xué)生失去獨立思考、獨立完成的機會，導(dǎo)致很多學(xué)生對實驗缺少興趣，嚴(yán)重影響實驗教學(xué)效果.

1.3 擴(kuò)展性實驗少，實驗考核不夠靈活

傳統(tǒng)的微機原理實驗項目以驗證性實驗為主，而擴(kuò)展實驗幾乎沒有，難以照顧到不同程度的學(xué)生.而驗證性實驗，操作簡單，很多學(xué)生模仿教師的硬件連線，直接復(fù)制粘貼代碼，很快就完成實驗，導(dǎo)致實驗大部分課時學(xué)生處在無所事事狀態(tài)，因此有必要改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法.通過增加實驗擴(kuò)展部分，讓學(xué)生墊墊腳才能完成[6].另外，傳統(tǒng)的考核方式主要是學(xué)生的實驗過程成績和實驗報告成績之和構(gòu)成，最后對各次實驗總成績求平均就是學(xué)生實驗課成績，這導(dǎo)致很多學(xué)生為了完成實驗而實驗，缺少思考和創(chuàng)新性.

2 自制“口袋式”實驗平臺的教學(xué)改革與實踐

通過以上分析，針對當(dāng)前微機原理實驗課程存在的問題，結(jié)合近年來微機原理教學(xué)改革的一些創(chuàng)新實踐做法，本文主要探索以下改革和實踐方法：1、優(yōu)化實驗項目，重新編排實驗大綱，出版實驗教材；2、根據(jù)新教材大綱要求，自主設(shè)計實驗教學(xué)平臺，滿足實驗平臺的開放性和便攜性的需求.

2.1 出版實驗教材，增加擴(kuò)展實驗

考慮到我院學(xué)科結(jié)構(gòu)和微機原理教學(xué)的實際情況，綜合了微機原理、單片機原理、自動控制原理和DSP技術(shù)等實驗課程，作者參與編寫了 《電子信息類專業(yè)實驗教程》計算機控制分冊教材，并于2018年2月在中國科技大學(xué)出版社出版(圖1).

考慮到學(xué)生動手能力不同，該實驗教材在原有的實驗講義基礎(chǔ)上，增加了實驗思考題和擴(kuò)展部分，對于動手能力強的同學(xué)可以選做擴(kuò)展實驗，滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，實驗結(jié)束后還可以針對思考題，進(jìn)行創(chuàng)新型實驗，因此該實驗教材編排更加合理，體現(xiàn)差異化.

2.2 自制實驗室平臺設(shè)計

根據(jù)新實驗教材優(yōu)化后的實驗項目，實驗平臺核心CPU選用兼容8086的8088CPU，實驗板包括流水燈模塊、8253定時計數(shù)器、8255并行口模塊、8259中斷模塊、開關(guān)模塊、脈沖信號模塊和USB接口程序下載資源等，另外考慮到實驗平臺的可擴(kuò)展性需求，又對所有IO口以及VCC、GND接口進(jìn)行了擴(kuò)展，這樣學(xué)生可以方便進(jìn)行各種相關(guān)開發(fā)模塊擴(kuò)展，比如AD模塊、傳感器模塊，顯示模塊等等，方便學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計和微項目實踐，甚至學(xué)生參加學(xué)科競賽可以直接使用該開發(fā)實驗平臺進(jìn)行[7].8088最小系統(tǒng)電路原理，如圖2所示.

圖1 出版的微機原理實驗教材

圖2 8088最小系統(tǒng)原理圖

考慮到實驗室開放和實驗操作的便利性，該實驗板采用USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340G設(shè)計ISP程序在線下載功能，如圖3所示.學(xué)生在做實驗的時候，只要電腦安裝好CH340驅(qū)動和軟件開發(fā)環(huán)境，然后通過一條USB線，就可以實現(xiàn)實驗平臺的供電、程序下載和串口通信等功能.對于開放型實驗項目，學(xué)生可以外借該平臺，自備筆記本電腦就可以做到隨時隨地開發(fā)，真正體現(xiàn)口袋便攜式開發(fā).

考慮到開發(fā)板的便攜性和口袋實驗室的要求，實驗板的體積不能太大，因此在進(jìn)行設(shè)計的時候?qū)嶒灠遒Y源進(jìn)行了大膽優(yōu)化，只保留實驗教材需要的資源.同時考慮擴(kuò)展性，板子IO口進(jìn)行了單獨擴(kuò)展，從而保證了實驗板小巧而且緊湊.考慮到學(xué)生焊接實訓(xùn)的需要，電路設(shè)計的時候電阻電容以及主要芯片選用直插元件.經(jīng)過學(xué)生實訓(xùn)焊接，圖4為我院自主設(shè)計的便攜式單片機實驗板成品.該實驗平臺尺寸為30 cm×20 cm，并絲印我校LOGO,板上包括8088最小系統(tǒng)電路，擴(kuò)展所有IO口，兩排LED燈，8255模塊，獨立開關(guān)，8253模塊和存儲模塊等.最主要特點是支持USB口供電下載一體化設(shè)計，真正做到一條USB線搞定開發(fā)的目的.

為了配合硬件實驗板使用，本套開發(fā)平臺采用emu8086作為軟件開發(fā)平臺，該軟件集編輯、編譯、仿真和具有除錯等功能于一體，它具有強大的軟件調(diào)試功能，生成程序代碼速度快，所需要的存儲空間小，是目前8086/8088開發(fā)中最常用的軟件之一[7].同時該軟件還集成了文件編輯處理、編譯、仿真，軟件模擬器及虛擬儀器功能，如圖5所示：

圖3 USB口ISP程序下載電路原理圖

圖4 自制口袋式微機原理實驗平臺

3 自制微機原理實驗平臺的優(yōu)勢

3.1 便攜口袋式，方便線上開放式實驗教學(xué)

由于新冠疫情影響，“停課不停學(xué)”期間，很多高校實驗教學(xué)都搬到線上開展，普通的試驗箱由于體積較大，價格昂貴，無法郵寄給學(xué)生，但是采用自制便攜式實驗平臺非常方便郵寄，方便線上開放式教學(xué).2012年，TI公司提出了“口袋實驗室”理念.口袋實驗室主要特點就是便攜性，接口豐富和方便學(xué)生二次開發(fā)[8-9].本文所設(shè)計的便攜式微機原理實驗板，具有體積小，功能齊全，支持ISP程序下載和二次開發(fā)，可以較好地滿足口袋實驗室的建設(shè)需求.另外，由于口袋實驗平臺采用自主設(shè)計，相比較傳統(tǒng)的試驗箱可以極大地降低成本，支持學(xué)生外借，只要學(xué)生有筆記本電腦或者臺式電腦，就可以隨時隨地進(jìn)行開發(fā)學(xué)習(xí)，能夠真正做到實驗室的開放.

3.2 學(xué)生實訓(xùn)焊接能力得到提高

采用自制口袋式微機原理實驗板，需要經(jīng)過PCB設(shè)計、電路板制作、元器件采購、焊接調(diào)試等全過程，這個過程恰恰是鍛煉電子信息類學(xué)生的最好方式.通過電子實訓(xùn)，學(xué)生不僅找到了電路CAD實訓(xùn)課題，而且鍛煉了電路板焊接能力、調(diào)試能力和解決問題的能力，調(diào)試好的實驗板又可以為實驗教學(xué)提供平臺，達(dá)到了一舉多得的目的.

3.3 自制“口袋實驗室”性價比高

傳統(tǒng)的實驗箱動輒2000-3000元/套，價格昂貴，而且容易出故障，一旦出了故障需要等待廠家維修，這樣導(dǎo)致很多學(xué)生需要共用一套實驗箱，實驗效果不理想.而采用自制的微機原理實驗平臺，設(shè)備成本只有不到原來的十分之一，極大地降低實驗板的成本.由于成本的降低，基本可以保障學(xué)生和實驗設(shè)備1∶2配套，這樣學(xué)生可以獨立操作一臺實驗板，能夠極大提高學(xué)生獨立完成實驗的能力，而且維修方便及時，能夠保證實驗的效果.另外，支持實驗平臺外借，學(xué)生方便進(jìn)行開放性項目設(shè)計.

圖5 emu8086軟件開發(fā)環(huán)境界面

圖6 實驗教學(xué)效果問卷調(diào)查結(jié)果

4 自制實驗平臺實施效果

與傳統(tǒng)的實驗箱教學(xué)方式相比，自制實驗平臺教學(xué)效果較好，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)創(chuàng)新了教學(xué)模式.自制口袋實驗室的特點就是便攜，由于成本低，學(xué)生可以做到人手一套，教師可以進(jìn)行線上講解，演示，學(xué)生自己結(jié)合開發(fā)板，利用一條USB線就可以完成供電下載的全過程.實驗平臺支持外借，開放實驗室才能落到實處，使得實驗資源得到極大利用，教師設(shè)計好項目題目，學(xué)生可以在宿舍或者圖書館獨立完成，很好地滿足項目驅(qū)動教學(xué)的需要.

(2)考核方式更加靈活.通過超星學(xué)習(xí)通建立線上課程，學(xué)生自主登錄課程并按照教師要求完成相應(yīng)的任務(wù)，包括實驗預(yù)習(xí)，實驗操作，代碼編寫和實驗調(diào)試全過程，由于超星學(xué)習(xí)通強大的大數(shù)據(jù)分析能力，學(xué)生的操作全過程都有記錄，設(shè)置好課程分值，最后就可以得到學(xué)生實驗課的綜合成績，考核方式更加靈活.

(3)學(xué)生的動手實踐能力得到了提高.這種方式的實驗教學(xué)容易實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂，以具體項目為基礎(chǔ)，學(xué)生可以自由組隊，完成具體項目，然后線上演示，學(xué)生參與討論.通過這個過程，學(xué)生能夠充分鍛煉團(tuán)隊協(xié)作、問題分析和項目實踐能力，使得學(xué)生的動手實踐能力得到提高.

為了解學(xué)生實驗操作的掌握情況，本課程利用問卷星發(fā)布課程問卷調(diào)查，班級人數(shù)80人，實際參與問卷人數(shù)74人，參與問卷調(diào)查占班級總?cè)藬?shù)的92.5%，問卷結(jié)果如圖6所示.從反饋結(jié)果可以看出，90.54%同學(xué)選擇完全掌握實驗的要求，9.46%同學(xué)選擇基本掌握.結(jié)果表明，學(xué)生對實驗操作的總體掌握情況較好，采用自制口袋實驗室能夠達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo).

5 結(jié)束語

微機原理是一門實踐性很強的課程，如果僅靠教師課堂上去講解，由于很多知識點都比較抽象，學(xué)生很難對8086/8088的結(jié)構(gòu)有深刻的了解和掌握，因此實驗教學(xué)作為理論聯(lián)系實際的重要環(huán)節(jié)，顯得非常重要.在分析了傳統(tǒng)微機原理實驗教學(xué)存在問題后，結(jié)合電子信息專業(yè)微機原理實驗教學(xué)的實際，對實驗大綱進(jìn)行了優(yōu)化，增加了實驗擴(kuò)展內(nèi)容，出版相應(yīng)的實驗教材.同時針對教材自制了一款資源豐富，體積小，性價比高，而且支持USB供電和ISP下載的便攜型口袋式的實驗平臺.實踐教學(xué)表明，采用自制口袋實驗室可以提高學(xué)生實驗的興趣，增強學(xué)生學(xué)習(xí)微機原理的信心，提高實驗教學(xué)效果.