基于新技術(shù)的微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究

楊志奇　何穎

摘要：《微機(jī)接口》實(shí)驗(yàn)教學(xué)是《微機(jī)接口》課程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)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(jī)接口》實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析、擬在實(shí)驗(yàn)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(yǔ)言完成《微機(jī)接口》實(shí)驗(yàn)、使用智慧教學(xué)工具提升實(shí)驗(yàn)的效果和水平共三個(gè)方面對(duì) 《微機(jī)接口》實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了探索，實(shí)踐證明上述改革措施切實(shí)可行，并取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)+；微機(jī)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(jìn)行，綜合國(guó)力競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈。國(guó)家實(shí)施“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展”、“中國(guó)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(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)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(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

為貫徹落實(shí)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》和《國(guó)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(shí)施意見(jiàn)》文件精神，深入推進(jìn)產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人，匯聚社會(huì)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(shí)施產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目，以產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展的最新需求推動(dòng)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(jì)算機(jī)課程中使用新技術(shù)成為擺在我們計(jì)算機(jī)教育工作者面前的一個(gè)重要的課題。

二、微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

我校是一所獨(dú)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(duì)學(xué)習(xí)沒(méi)有興趣。《微機(jī)原理與接口技術(shù)》（后簡(jiǎn)稱《微機(jī)接口》）是計(jì)算機(jī)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(jī)原理、嵌入式程序設(shè)計(jì)及微機(jī)接口技術(shù)，兼顧硬件和軟件2個(gè)方面，該課程的特點(diǎn)是概念抽象，實(shí)踐性強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于學(xué)生理解該課程內(nèi)容、培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力有著至關(guān)重要的作用。

作為我系計(jì)算機(jī)硬件綜合實(shí)驗(yàn)室的兼職管理人員和《微機(jī)接口》課程專職任課教師，通過(guò)多年的教學(xué)和管理工作，積累了大量《微機(jī)接口》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)《微機(jī)接口》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，主要包括以下幾個(gè)方面。

1.實(shí)驗(yàn)受到實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的制約

我系當(dāng)前主要使用實(shí)驗(yàn)箱來(lái)進(jìn)行《微機(jī)接口》實(shí)驗(yàn)。但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱上的芯片資源有限，且教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行多核處理器、多芯片組合的綜合型實(shí)驗(yàn)的條件。

《微機(jī)接口》實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也因芯片種類和實(shí)驗(yàn)臺(tái)架構(gòu)固定而不易調(diào)整，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)靈活性受限，難以發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.實(shí)驗(yàn)中硬件設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容有待增加

當(dāng)前《微機(jī)接口》的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重軟輕硬，實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)大都集中在匯編語(yǔ)言的編寫上，學(xué)生自主設(shè)計(jì)電路的時(shí)間和機(jī)會(huì)較少，這樣不利于對(duì)于學(xué)生硬件設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。

3.缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)的檢查手段，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性差

因?yàn)闆](méi)有對(duì)于實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)的檢查手段，大部分學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前都不進(jìn)行預(yù)習(xí)。導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生只會(huì)機(jī)械地按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書一步一步地做，而不關(guān)心實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮屯ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)所掌握的知識(shí)。

當(dāng)前《微機(jī)接口》實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容重點(diǎn)都集中在對(duì)于8086匯編語(yǔ)言的編寫上，因8086匯編語(yǔ)言應(yīng)用范圍較窄且內(nèi)容繁瑣，大部分學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)編寫匯編語(yǔ)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(jī)接口實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

顯然要解決上述《微機(jī)接口》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，僅僅進(jìn)行教學(xué)方法的改革是不夠的，采用新技術(shù)勢(shì)在必行。我們?cè)诮逃啃Ｆ髤f(xié)同單位—北京時(shí)代行云科技有限公司的大力支持、協(xié)助下，針對(duì)我系2015級(jí)學(xué)生實(shí)施了如下的改革措施：

1.引入FPGA技術(shù)

以左冬紅老師的《計(jì)算機(jī)組成原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程》為教學(xué)參考書，通過(guò)引入FPGA技術(shù)，借助其豐富的邏輯單元，用FPGA技術(shù)對(duì)微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)，滿足了設(shè)計(jì)復(fù)雜電路的需要。Xilinx公司的ISE和Vivado軟件都是針對(duì)FPGA的集成開(kāi)發(fā)軟件，它們能夠給用戶提供一個(gè)從設(shè)計(jì)輸入到綜合、布線、仿真、下載的全套解決方案，其工作流程無(wú)須借助任何第三方電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件[1]。

ISE，Vivado等仿真軟件的使用使得接口實(shí)驗(yàn)不再受限于時(shí)間、地點(diǎn)和固定設(shè)備。另外，通過(guò)簡(jiǎn)化以前芯片功能驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)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(shí)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，將更多的時(shí)間用在接口芯片電路的設(shè)計(jì)上[2]。

2.采用C語(yǔ)言完成《微機(jī)接口》實(shí)驗(yàn)

C語(yǔ)言誕生于1972年，具有高效、靈活、功能豐富、表達(dá)力強(qiáng)和較高的移植性等特點(diǎn)，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(yǔ)言。由于C語(yǔ)言在嵌入式編程中居于主導(dǎo)地位，掌握C語(yǔ)言嵌入式編程技術(shù)對(duì)學(xué)生將來(lái)就業(yè)有好處，因此在《微機(jī)接口》實(shí)驗(yàn)中主要采用C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)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(jì)”等課程打下基礎(chǔ)。

3.使用智慧教學(xué)工具提升實(shí)驗(yàn)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。“雨課堂”教學(xué)工具基于微信和PowerPoint 軟件平臺(tái)，教師可充分利用其兼具多屏互動(dòng)、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(gè)環(huán)節(jié)，予以學(xué)生全新的課堂體驗(yàn)[3]。通過(guò)使用“雨課堂”教學(xué)工具大大提升了《微機(jī)接口》實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果和水平，實(shí)施的具體步驟如下：

1）通過(guò)“雨課堂”對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)情況進(jìn)行檢查

首先制作《微機(jī)接口》實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)課件，并為每一頁(yè)課件錄音進(jìn)行講解，最后發(fā)布到上課班級(jí)。然后，教師將生成的實(shí)驗(yàn)課程二維碼和班級(jí)邀請(qǐng)碼公布在“微機(jī)接口”教學(xué)網(wǎng)，以便學(xué)生加入班級(jí)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

學(xué)生首先在微信端關(guān)注“雨課堂”，在“微機(jī)接口”教學(xué)網(wǎng)選擇將要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)后，再通過(guò)班級(jí)邀請(qǐng)碼進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)班進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)。教師通過(guò)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(jì)數(shù)據(jù)，客觀、實(shí)時(shí)地掌握學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，并及時(shí)對(duì)教學(xué)做出調(diào)整[4]。

2）通過(guò)“雨課堂”進(jìn)行互動(dòng)式教學(xué)

教師開(kāi)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(shí)驗(yàn)的一些操作視頻、動(dòng)畫資源等就可以被很好地利用。開(kāi)啟彈幕功能后，學(xué)生就可以在微信中提問(wèn)，教師可以根據(jù)學(xué)生反映的問(wèn)題進(jìn)行答疑。通過(guò)老師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的交流，實(shí)驗(yàn)的操作原理得到了更深層次的理解，學(xué)生也會(huì)在交流中思考和創(chuàng)新。

3）通過(guò)“雨課堂”快捷批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提高教學(xué)效率

以往的微機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師需要進(jìn)行布置實(shí)驗(yàn)報(bào)告、批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告、登記實(shí)驗(yàn)成績(jī)等一系列教學(xué)工作，而這些工作現(xiàn)在均可通過(guò)“雨課堂”來(lái)完成。實(shí)驗(yàn)完成后，教師只需要在實(shí)驗(yàn)班級(jí)發(fā)布一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板即可。教師可以限定學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的時(shí)間，學(xué)生提交后會(huì)顯示學(xué)生姓名、提交時(shí)間，教師批復(fù)后，每位學(xué)生的得分、教師的批復(fù)時(shí)間都會(huì)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示。學(xué)生在完成后還可以點(diǎn)擊“懂”或“不懂”等選項(xiàng)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行反饋，教師再根據(jù)學(xué)生的反饋情況通過(guò)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(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)這些資料，實(shí)現(xiàn)了碎片化學(xué)習(xí)。

四、教學(xué)改革成效

實(shí)踐證明，以上的教學(xué)改革方法在《微機(jī)接口》課程教學(xué)中是切實(shí)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(jī)接口》課程學(xué)生成績(jī)的情況：

如圖所示，改革后學(xué)生成績(jī)分布得到很大改善，具體來(lái)說(shuō)：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(shuō)明通過(guò)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(yǔ)

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(jì)算機(jī)課程中使用新技術(shù)無(wú)疑給計(jì)算機(jī)專業(yè)教師帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[5]。

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

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作者簡(jiǎn)介：

楊志奇（1966-），男，遼寧沈陽(yáng)人，天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教研室主任，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、模式識(shí)別等。何穎（1984-），女，四川遂寧人，天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)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(ài)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、圖像處理等。

基金項(xiàng)目：

課題名稱：基于新技術(shù)的微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)改革與實(shí)踐；課題編號(hào)：201702150023；立項(xiàng)單位：教育部北京時(shí)代行云科技有限公司校企協(xié)同項(xiàng)目.