基于虛擬儀器技術的《微機原理與接口技術》教學改革探索

郭晶晶 劉伯運 梁英杰 史蓓蕾

摘要：隨著計算機技術、信息技術和網絡技術的發展，微機原理與接口技術及其應用也飛速發展。針對傳統的《微機原理與接口技術》難學、難懂、概念抽象、感性認識差等問題，開展基于虛擬儀器技術的《微機原理與接口技術》教學改革探索，從教學內容設計、教學方法實踐等方面探討計算機接口技術理論與實驗教學一體化實施的問題。虛擬儀器技術的應用，既做到了計算機接口技術理論聯系實際，又促進了教學水平的提高，取得了良好的效果。

關鍵詞：計算機接口技術；一體化教學；虛擬儀器

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）15-0134-03

《微機原理與接口技術》是計算機專業的主干課程，根據教學訓練大綱要求，在該專業學習過程中既要注重培養學員對專業基礎知識的理解和運用，又要注重實際運用和動手能力的培養，以達到全面提高參訓學員綜合素質和能力的目的。傳統《微機原理與接口技術》教學中的突出問題主要反映在兩個方面。一是教學內容陳舊，驗證性實驗為主，缺乏設計性、綜合性要求，與工程實踐脫節嚴重。二是教學方式單調枯燥，實驗手段和設備落伍，理論教學還是以PPT為媒體，以教師主講為主，以學生聽課為輔，這種單純的理論講授，學生感覺知識灌輸的枯燥乏味，課堂的參與度不高；而最能吸引學生的實驗課程往往由實驗教師自行組織，多數情況也是按照實驗指導書的步驟進行驗證性實驗，有時候會與理論教學脫節，實驗過程依葫蘆畫瓢，學生的完整知識結構體系無法統一構建，為此，計算機接口技術教學尤其是實踐性環節教學迫切需要改革創新。

此外對于軍事院校《微機原理與接口技術》教學對象及要求，需要仔細研究該專業課程內容，并且要廣泛了解本課程在艦船實際裝備中的應用范圍，使學員能夠通過學習為將來快速融入艦艇裝備保障管理中做好知識儲備，提高學員的興趣和培養學員創新精神。但目前該門課實驗教學方面，仍采用實驗芯片功能驗證性實驗為主，學員自主創新的實驗幾乎沒有；在課程設計方面，實驗指導書上有完全正確的程序、硬件的連線，學員只要按照步驟連接好各種線路，再錄入程序、然后調試、運行，觀察結果，最后寫出實驗報告。整個過程中，學生只是一個驗證工具，完全缺乏自主性，需要學生思考的地方也很少。

目前，該課程教學內容側重微機原理與接口技術的基礎理論，不可能開設大量的實踐課程，因此在有限的課時下，如何設計實踐教學環節，是提高教學質量迫切需要解決的問題。作者通過多年的教學經驗，對該課程的教學內容、教學方法和教學手段等方面進行思考和探索，以期充分發揮學生的積極性，促進教與學和諧發展，為學生后續專業課程的學習打下良好的基礎。作者根據自身的教學經驗，努力探索，采取先進的教學手段和方法，取得了良好的教學效果。下面談談該課程教學中應用虛擬儀器所進行的探索與經驗。

一、虛擬儀器技術及其在教學中的應用

虛擬儀器既可以是完全基于PC機的單機系統，也可以是基于STD、GPIB、VXI、USB等標準接口總線的測試系統，也可以是它們的混合系統。在完成硬件的設計后，可以通過編寫不同的軟件構成功能強大的虛擬儀器，軟件的基本結構可以分為三層，如圖1所示。

通過虛擬儀器平臺實現開放性實驗教學條件能力建設，學生不再受具體教學內容限制，完全可以自己選擇實驗項目、獨立設計、合作設計、調試和運行實驗系統。這種實驗教學方法可以完全發揮學生的主觀能動性，培養出學生敏銳的觀察力和提高分析問題、解決問題的能力。

二、《微機原理與接口技術》理論與實驗虛擬教學設計

軍事院校《微機原理與接口技術》教學以實際裝備為背景，為此，相應的教學內容應包含三種總線連接方式，即：PCI總線、USB總線和VXI總線。在虛擬儀器設計中，這三種接口都有相應的數據采集設備，以這三種數據采集設備為核心，實現多路A/D轉換單元、多路D/A轉換單元，在此基礎上，設置運放組合運算單元、開關量/頻率輸出單元、LED/LCD顯示單元、開關量/頻率輸入單元、多信號發生器等電路組成的接口信號電路。根據艦艇計算機監控系統構成，設計了溫度、壓力、流量等類型信號傳感器以及電動、氣動、液動執行器組成的實際控制模型。計算機接口模型設計時，根據控制邏輯關系，將計算機接口中常見的專業知識配合傳感器、信號轉換，通過計算機采樣、控制加以驗證。實驗程序采用面向對象語言編寫，利用LABVIEW虛擬儀器控件實現集成化實驗教學。虛擬實驗系統組成的邏輯框圖如圖2所示，虛擬硬件訪問流程如圖3所示。

虛擬硬件電路設計可以方便地將PC機、單片機仿真器與各類單元電路接口，通過編制相應的接口驅動程序，控制實際的工藝模型，使理論與實踐相結合；通過PC總線將PC機與實驗設備接口，利用運放組合運算單元構造模擬控制對象或由各類傳感器、執行器構造的實踐控制對象，經過A/D轉換單元采樣將對象特性數據送PC機，用集成環境提供的多種控制算法，進行算法控制、屏幕顯示、繪制曲線，經D/A轉換單元輸出控制對象，構成了閉環控制系統，整個控制過程的參數調整、控制效果以靈活、直觀、形象的形式展現給學生；利用A/D轉換單元及相關接口電路，使PC機工作在低頻多通道存儲示波器狀態，由運放組合運算單元模擬實現各類控制對象，通過PC機存儲示波器功能記錄有關數據，顯示波形，供學生分析、計算、調整參數。同時利用多信號發生器、A/D轉換單元構造采樣系統，完成采樣系統實驗。

實現對接口電路的虛擬主要是基于Windows虛擬機。Windows為了系統穩定性，對系統底層操作采取了屏蔽的策略，不允許應用程序直接訪問硬件設備和內存，必須通過編寫的虛擬設備驅動程序（VxD）來進行。因此，系統實現的途徑就是編寫相應的虛擬設備驅動程序（VxD），并用虛擬硬件電路來代替實環境中的硬件接口電路。

“虛擬硬件電路”仿真模型的建立，主要實現對接口芯片、外圍電路功能的仿真，包括外部引腳信號、內部控制字及功能邏輯、端口讀寫操作和觸發過程的時序關系等的邏輯模型和算法，仿真模型主要通過圖表形式來描述，并最終在軟件設計中給予實現，使其對實驗者的實驗程序而言是真實的，保證了虛擬實驗環境具有較高的逼真度和開放性，仿真模型描述的是一個過程。

利用上述實驗設備及集成化多媒體實驗教學軟件可以較好地完成理論與實踐的結合，充分發揮學生的主觀能動性，提高學生實際動手能力和想象力，合理利用實驗設備資源。

三、教學案例分析

院校培訓階段一方面需要加強學員對相關基礎性理論知識的認識；另一方面，也是為了學員到任職崗位后能更好地掌握裝備的專業職責分工、操作和工作流程。因此，對于該課程的學習，需要加強《微機原理與接口技術》演示性實驗教學。驗證及演示性實驗教學設計可以與基礎性理論知識進行良好的結合。例如，對于信號傳輸過程基本原理的講授，在該教學環節中，可以通過虛擬教學平臺，利用傳感器——信號采集器——計算機顯示界面，可非常直觀地顯示計算機接口工作過程。若要演示這一工作過程，把壓力應變片貼于氣球上，讓每個學員對著傳感器吹氣，同時把軟件界面投影到多媒體屏幕上，在界面上學員可以觀察到這樣一些現象：（1）傳感器可以感受到人往壓力接口吹氣時力的大小；（2）吹氣時所用的力越大，屏幕上顯示的壓力數值越大，模擬壓力表讀數也越大；（3）吹氣是壓力信號，輸出是電信號，而且可以被信號采集裝置所用。

根據這樣一個裝置，學員可以進行獨立思考、歸納數據接口和信號傳輸相關知識，也可以關聯其他類型計算機接口。

在《微機原理與接口技術》教學過程中，針對計算機集成控制、PLC、現場總線等內容還可以快速地設計一些現場演示教學環節。利用虛擬儀器技術，將學員帶入一個形象、具體的環境，使得枯燥的概念與理論，加入了感性元素，貼近裝備實際，彌補了傳統教學在直觀性、形象性方面的不足，可以激發學員的學習興趣，引導學員獨立思考，對于知識做到活學活用，使教學內容不再是死記硬背一些基礎知識、定義、概念，而真正成為實際裝備的基礎知識。

四、結論

在《微機原理與接口技術》課程的實驗中，虛擬儀器的使用使得該門課程教學易學、易懂、概念具體。以上對于該課程教學方法的探討，在教學中取得了良好的效果，增加學員學習的興趣和動力，減少畏難情緒，培養和鍛煉了學員的創新能力，使他們成為滿足任職崗位需要，具有創新能力的人才。

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