“微機原理與系統(tǒng)設(shè)計”實踐課程教學(xué)改革探索

李欣榮，劉博，楊力，李江濤

（西安電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710126)

0 引言

“微機原理與系統(tǒng)設(shè)計”是高等院校計算機、電子信息、自動化等相關(guān)專業(yè)學(xué)生的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，是包含計算機硬件基礎(chǔ)、匯編語言以及計算機接口技術(shù)應(yīng)用等知識體系的綜合性課程[1-2]。課程的學(xué)習(xí)與掌握程度，對提高學(xué)生的計算機硬件應(yīng)用能力至關(guān)重要，同時也是學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程的重要基礎(chǔ)[3]。該課程概念抽象、實踐性強[4]，尤其強調(diào)理論到實踐的轉(zhuǎn)換和學(xué)生動手能力的培養(yǎng)。作為課堂理論教學(xué)的重要補充，配套的隨堂實驗和課程設(shè)計兩門實踐類課程環(huán)節(jié)是其他教學(xué)環(huán)節(jié)無法代替的。實踐課程的教學(xué)能使學(xué)生深入理解微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件組成與設(shè)計方法，鍛煉學(xué)生的程序設(shè)計及系統(tǒng)調(diào)試能力，提高學(xué)生的工程思維及綜合運用專業(yè)知識分析問題、解決問題的能力。

近些年，隨著國家和學(xué)校對實踐教學(xué)能力的重視，實驗教學(xué)質(zhì)量有了較大的改善，各大高校也陸續(xù)推出了各種新型實驗儀器和虛擬課堂形式用于教學(xué)，但是基于實驗的教學(xué)應(yīng)用還較少。國內(nèi)各個高校在微機原理相關(guān)實踐課程中也面臨著實驗設(shè)備陳舊、教學(xué)模式單一、教學(xué)方法落后等問題[5-6]。尤其是新冠疫情期間，很多學(xué)生無法到校學(xué)習(xí)，嚴(yán)重影響教學(xué)效果，亟待進行改革創(chuàng)新。為了保障課程教學(xué)效果，提高實踐教學(xué)質(zhì)量，相關(guān)院校也積極嘗試了多種改革。廣東藥科大學(xué)[7]使用Proteus與EMU8086聯(lián)合仿真，并配合實驗箱進行虛實結(jié)合的實驗教學(xué)，但沒有提及對實踐課程內(nèi)容的綜合項目優(yōu)化；浙江工業(yè)大學(xué)[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(tǒng)下匯編和C程序的混編，但沒有提及虛實結(jié)合的教學(xué)模式；西安航空學(xué)院[9]更換成了FPGS的SOC 技術(shù)的8086 系統(tǒng)，提高了教學(xué)效果和學(xué)生的工程實踐能力，但學(xué)習(xí)內(nèi)容和我?！拔C原理與系統(tǒng)設(shè)計”理論課程教學(xué)大綱不太契合。

為改善教學(xué)效果，本文依托西安電子科技大學(xué)計算機網(wǎng)絡(luò)與信息安全國家教學(xué)示范中心的實踐教學(xué)平臺，通過改善實踐教學(xué)軟硬件系統(tǒng)，利用學(xué)校的“學(xué)在西電”校內(nèi)信息平臺和多個公共網(wǎng)絡(luò)平臺，構(gòu)建“教學(xué)-虛擬課堂-虛擬仿真-實驗-綜合訓(xùn)練-考核”的閉環(huán)課程教學(xué)體系，加深學(xué)生對課程理論知識的理解，加強學(xué)生的實踐動手能力。

1 “微機原理與系統(tǒng)設(shè)計”實踐課程的教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 實驗軟硬件系統(tǒng)陳舊

以西安電子科技大學(xué)的實驗課程為例，“微機原理與系統(tǒng)設(shè)計”的實踐課程包括隨堂實驗和課程設(shè)計。隨堂實驗一般為16學(xué)時，主要包括4個必做的基礎(chǔ)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(shù)量有限，學(xué)生必須在專用實驗室完成所有實驗內(nèi)容。而受限于課程安排與實驗條件，學(xué)生無法在非授課時間進行實驗預(yù)習(xí)操作或創(chuàng)新設(shè)計。因此，在有限的課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，大部分同學(xué)只能完成四個必做實驗。而現(xiàn)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(tǒng)下使用，XP系統(tǒng)的開機速度和軟件的運行速度比較緩慢，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，無法在學(xué)生電腦端安裝使用，導(dǎo)致疫情期間相關(guān)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)無法進行，造成了教學(xué)資源的浪費，影響學(xué)校整體課程體系的教學(xué)計劃與安排。而“微機原理與系統(tǒng)設(shè)計”課程設(shè)計需要學(xué)生完成一個小型微機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)項目。受限于實驗條件和設(shè)備數(shù)量，課程設(shè)計可選題目數(shù)量有限，很難達到培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計能力和創(chuàng)新能力的效果。

1.2 教學(xué)模式單一，考核方式死板

現(xiàn)有“微機原理與系統(tǒng)設(shè)計”實踐教學(xué)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(xué)生使用軟件仿真并結(jié)合實驗箱進行實驗。由于理論知識復(fù)雜，而實踐教學(xué)資源有限，在規(guī)定的課時內(nèi)只有約5%的學(xué)生可以完成創(chuàng)新功能的設(shè)計或者選做實驗。課程設(shè)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(diào)動學(xué)生的主觀能動性。課程考核機制較為死板，缺乏對學(xué)生自主創(chuàng)新能力的考查，在一定程度上影響了實際的教學(xué)效果。

1.3 實踐課程教學(xué)內(nèi)容缺乏創(chuàng)新性

由于各種原因，“微機原理與系統(tǒng)設(shè)計”實踐課程教學(xué)內(nèi)容多年未更新，缺乏個性化的教學(xué)實踐課程內(nèi)容和結(jié)合最新前沿和先進技術(shù)的題目和實驗內(nèi)容，學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)，只能完成規(guī)定的實驗內(nèi)容，無法調(diào)動學(xué)生積極性和創(chuàng)新性。

2 “微機原理與系統(tǒng)設(shè)計”實踐課程的改革舉措

針對學(xué)校上述“微機原理與系統(tǒng)設(shè)計”實踐課程中存在的問題，為提高教學(xué)質(zhì)量和效果，本文提出如下改革舉措：首先，優(yōu)化實驗軟硬件平臺，改善實踐教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生實踐課程學(xué)習(xí)效率；其次，結(jié)合理論課程內(nèi)容，基于新的微機實驗系統(tǒng)，優(yōu)化實踐課程教學(xué)內(nèi)容，調(diào)整實驗和課程設(shè)計的課程內(nèi)容，建立“基本+綜合+創(chuàng)新”的實踐內(nèi)容題庫，豐富實踐教學(xué)內(nèi)容；最后，構(gòu)建“教學(xué)-虛擬課堂-虛擬仿真-實驗-綜合訓(xùn)練-考核”的閉環(huán)課程教學(xué)體系，有效利用課程資源，最大化地促進基礎(chǔ)理論與實驗的有機融合。上述舉措克服了現(xiàn)有實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的弊病，能夠使學(xué)生通過遞進式實驗教學(xué)內(nèi)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(yōu)化實踐課程軟硬件系統(tǒng)及教學(xué)內(nèi)容

“微機原理與系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)所具有的硬軟件結(jié)構(gòu)對用戶的實驗設(shè)計具有良好的開放特性，系統(tǒng)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(xué)生的硬件方案設(shè)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(xué)生的綜合設(shè)計能力。實驗箱“SUN ES86PCIU+實驗儀”提供了可無限升級的模塊化設(shè)計、兼容性強，支持二次開發(fā)；其星研集成環(huán)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(diào)試，可以在多種操作系統(tǒng)上進行安裝，并模擬仿真部分應(yīng)用案例。

結(jié)合“微機原理與系統(tǒng)設(shè)計”理論課程內(nèi)容和新的實驗系統(tǒng)，更新實踐課程教學(xué)項目，建立一個針對學(xué)生個性化教學(xué)的“基本+綜合+創(chuàng)新“實踐課題庫，提高學(xué)生的主動性與創(chuàng)新綜合能力。隨堂實驗課程內(nèi)容設(shè)置為遞進式的基礎(chǔ)匯編編程實驗項目和擴展性接口應(yīng)用實驗，由易到難，層層遞進，學(xué)生可自主學(xué)習(xí)簡單的實驗項目，在實驗中可從題庫自主選擇實驗內(nèi)容進行實驗及創(chuàng)新設(shè)計。課程設(shè)計提供經(jīng)典基礎(chǔ)案例，主要包括簡單的接口應(yīng)用項目，逐步引導(dǎo)學(xué)生掌握設(shè)計方法和實驗方法，設(shè)置難易不同，緊跟先進前沿應(yīng)用技術(shù)的題目，并形成綜合創(chuàng)新題庫，滿足不同層次學(xué)生的選擇。

“微機原理與系統(tǒng)設(shè)計”的“基本+綜合+創(chuàng)新”實踐課題庫內(nèi)容如下，根據(jù)教學(xué)效果和學(xué)生的反饋仍然在更新補充。其中，隨堂實驗的基礎(chǔ)項目包括：

1)數(shù)據(jù)傳送實驗；2)數(shù)碼轉(zhuǎn)換類實驗（十進制、二進制、十六進制和BCD碼之間轉(zhuǎn)換）；3)數(shù)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(huán)實驗；5)子程序?qū)嶒灒?)排序?qū)嶒灒?)散轉(zhuǎn)實驗。

擴展性接口應(yīng)用實驗包括：

1)輸入輸出程序設(shè)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(shù)器8254 實驗；6)LED 字幕顯示實驗；7)鍵盤掃描及數(shù)碼管顯示實驗；8)點陣式LCD 實驗；9)電子發(fā)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(shè)計的經(jīng)典基礎(chǔ)案例分析包括：

1)交通燈控制系統(tǒng)；2)步進電機控制系統(tǒng)。

綜合接口應(yīng)用項目包括：

1)步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)；2)數(shù)字時鐘與自動報時系統(tǒng)；3)常用函數(shù)波形發(fā)生器設(shè)計；4)公交站報站動態(tài)顯示系統(tǒng)；5)鍵盤電子樂器演奏程序設(shè)計；6)直流電機轉(zhuǎn)測測量與控制系統(tǒng)；7)矩陣式鍵盤數(shù)字密碼鎖設(shè)計；8)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)。

創(chuàng)新綜合項目包括：

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

利用優(yōu)化的軟硬件平臺，學(xué)生可以提前編程仿真基礎(chǔ)實驗項目，不受硬件資源和時空限制隨時隨地學(xué)習(xí)，根據(jù)自身情況進行選擇課題庫內(nèi)項目，從而引導(dǎo)學(xué)生自主創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新綜合動手能力。

2.2 構(gòu)建混合式實踐教學(xué)模式

為了更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，探索基于“發(fā)揮學(xué)生主體性，提升學(xué)生創(chuàng)新性”的“微機原理與系統(tǒng)設(shè)計”混合式課堂實驗教學(xué)模式。首先，借助多媒體技術(shù)、MOOC 和“學(xué)在西電”等網(wǎng)絡(luò)平臺，將實驗課程基礎(chǔ)理論知識點和操作指導(dǎo)以虛擬課堂的形式放在“學(xué)在西電平臺”，錄制相關(guān)視頻，讓學(xué)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(diào)試，從而有效解決由于設(shè)備和學(xué)時不足導(dǎo)致的實踐鍛煉不足的問題，根據(jù)學(xué)生的能力，充分發(fā)揮學(xué)生的主動性；其次，搭建實驗選排系統(tǒng)和學(xué)生交流的網(wǎng)絡(luò)平臺。為了促進學(xué)生個性化發(fā)展，學(xué)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(tǒng)，學(xué)生可以選擇不同的時間和教室進行實踐課程；利用“學(xué)在西電”和網(wǎng)絡(luò)群建立學(xué)生和老師隨時溝通的橋梁，讓學(xué)生不受時間與實驗室的限制，隨時進行學(xué)習(xí)，把更多的精力放在創(chuàng)新和綜合實驗上。實驗教學(xué)中心的實驗排課系統(tǒng)和“學(xué)在西電”課程平臺如圖2。第三，明確實驗教師的工作內(nèi)容與流程，設(shè)計在線信息交流方式，掌握教學(xué)平臺技巧，在實踐課程結(jié)束時使用匿名調(diào)查問卷，增加學(xué)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(xué)效果。

圖2 我校實驗教學(xué)中心實驗選排系統(tǒng)和“學(xué)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(gòu)建的混合式實踐教學(xué)模式，必須探索科學(xué)、有效和全面的多維實踐課程評價方法，來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率。首先，將“學(xué)在西電”平臺統(tǒng)計學(xué)生的線上學(xué)習(xí)情況列入成績評價內(nèi)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)授課的特點，讓學(xué)生填寫情況調(diào)查表代替簽到表，能更好地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并及時調(diào)整教學(xué)進度；其次，根據(jù)學(xué)生選擇不同難易程度的實驗內(nèi)容和學(xué)生參與交流的情況，增加對實驗過程的考核；再次，課程設(shè)計讓學(xué)生使用小組答辯的形式，每個同學(xué)介紹自己的思路和所做工作，并在組內(nèi)組外增加學(xué)生互評，主要增加演示講解和組內(nèi)貢獻的分值占比；最后，調(diào)整設(shè)計報告內(nèi)容，著重學(xué)生對結(jié)果分析和體會總結(jié)的占比。具體隨堂實驗和課程設(shè)計成績評定細則如表1所示：

表1 隨堂實驗和課程設(shè)計成績評定細則

通過探索科學(xué)化、細分化的評分標(biāo)準(zhǔn)，能夠保障學(xué)生實驗評分的綜合性和客觀性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和積極性。

3 總結(jié)

經(jīng)過近兩年“微機原理與系統(tǒng)設(shè)計”實踐教學(xué)反饋可以發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化軟硬件平臺和教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建“教學(xué)-虛擬課堂-虛擬仿真-實驗-綜合訓(xùn)練-考核”的閉環(huán)課程教學(xué)體系，能夠加強課堂理論教學(xué)內(nèi)容的聯(lián)系，加深學(xué)生對課程理論知識的理解，增強學(xué)生的實踐動手能力，讓學(xué)生從驗證性實驗的思維到創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)的思維轉(zhuǎn)變。在實踐響應(yīng)國家、學(xué)校以及實踐中心對于創(chuàng)新性應(yīng)用人才培養(yǎng)的要求，具有重要的價值和意義。