《计算机硬件技术基础》虚拟仿真教学实验探索

谢志英　谢方方　杨素敏

摘要：《计算机硬件技术基础》是我院直通车专业理论与实践紧密结合的一门计算机基础课。传统的实验多为演示性、验证性的实验，使学员学习过程枯燥，缺少热情，无法充分理解计算机内部的工作原理。该文采用Protel和Emu8086软件相结合实现微机系统的硬件设计及软件编程的二维实验仿真，并且以Virtools仿真软件为平台实现了计算机内部硬件结构的三维动态虚拟仿真。通过设计多种形式的虚拟仿真实验，不仅弥补了硬件实验箱老旧、更新不及时等弊端，而且提高了学员自主学习的积极性。

关键词：计算机硬件技术基础；仿真教学实验；Proteus

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）14-0151-02

1 引言

《计算机硬件技术基础》课程是直通车专业科学文化必修课，是我院信息化素质培养课程体系核心课程之一。该课程主要讲授计算机硬件的基本构成、汇编语言程序设计及常用接口技术等内容，对于提高学员的计算机硬件工程实践能力具有重要作用。2013年重新修订课程标准后，总学时数变为40学时，其中实验10学时。经过2013年下半年一轮的教学实践，我们发现该课程存在以下问题：

1） 课时减少，难以高效地实施理论和实践教学。

本课程基础知识多、技术细节繁琐，在学时缩短20学时的情况下，理论内容多，实验课时少，且实验教学一般以知识传授为主，主要是对理论知识的验证，通常采用教员讲解示范的模式，教学方法、手段比较单一，教员在实验过程中缺少对学员进行启发、引导，不重视对学员进行探究学习能力、创新思维的培养。

2） 实验手段落后，难以满足学员能力培养的要求。

现有实验都是在实验箱上开展，实验内容和步骤都已设定好，教员对实验内容、实验原理、实验方法进行讲解后，学员按照实验讲义上的步骤按部就班即可完成实验内容，无法充分发挥学员的自主学习的潜能，也难以扩展新的实验项目。

3） 实验考试方法落后，难以实施量化考核方法。

现有实验箱的实验多为验证性实验，这些实验一般内容简单，实验步骤固定，无法有效考评学员的实验动手能力，而综合性实验工作量大，难度高，一般的学员难以在一定的时间内完成，教员不容易准确评定学员的实验成绩。因此，学员的实验成绩区分度小，考试分数主要由理论考试成绩确定。在这种情况下，学员往往重视理论学习和考试，轻视实验环节，没有真正激发出学员动手实践的内驱力。

4） 仪器设备陈旧，难以适应新形势下教学的需求。

目前计算机硬件实验室的实验箱老旧，实验项目陈旧、实验仪器严重破损，学员实验用时长，故障率高，上机时间固定，导致学员上硬件实验缺乏兴趣。

上述几个问题暴露出了计算机硬件技术基础课程实验环节的弊端，即目前的实验环境难以满足教学的需要，迫切需要改变实验环境。在现有实验教学资源不足、设备更新缓慢的情况下，本文拟采用动态虚拟仿真技术和虚拟实验教学相结合的方式解决上述问题。

2 二维仿真实验研究

将仿真软件引入到课程的教学过程当中，通过计算机仿真来“真实”地展现理论知识，提高学员的学习热情和积极性，变被动学习为主动学习。

2.1 基于EMU8086仿真实验

EMU8086是学习Intel 8086微型计算机的虚拟工具。它模拟真实微处理器的每一步骤，并显示内部寄存器、存储器、堆栈、变量和标志寄存器，而且其中任何一个值都可通过鼠标双击来改变。同时它还可虚拟I/0接口，以及屏幕、电机、红绿灯、LED等外部设备。EMU8086可以完成汇编语言实验、接口实验、硬件中断实验等，例如：以可编程的并行接口芯片8255A为例，利用虚拟外设——交通灯系统实现简单的交通灯演示实验，如下图1所示。

但是，EMU8086内部只自带了几个虚拟外设，包括液晶显示器、交通灯系统、机器人、打印机、步进电机等外设，可以完成基本的I/0实验，对于开关、按键等其他的虚拟外设可由任何语言，如JAVA， VB ， VC++， DELPHI， C#， .NET等来生成[1]，或由其他可访问文件的语言来生成，这对于非计算机专业学员来说，超出了他们的知识范围。

如果学员能够通过已学习的电路课的知识，画出满足特定功能的电路图，然后再将程序烧进去，这样不但能将多门课程内容有机的联系起来，而且锻炼了学员的动手能力，进一步提升了学员的学习热情。

2.2 基于Proteus的仿真实验

基于Proteus ISIS的仿真功能即能满足上述需求。Proteue ISIS软件由英国Labcenter Electronics公司开发，是目前世界上唯一将电路仿真、PCB设计和虚拟模型仿真合而为一的设计与仿真平台。学习者不必担心操作或使用不当引起器件、仪表的损坏，可以大胆实验，充分体验实验的乐趣[2]。如关于8255并口的实验，实现如下功能：8个按键中某个键按下后，数码管显示该键键值，并同时点亮相应端口的指示灯，如图2所示。

若用户设计的原理图比较复杂，涉及的元器件比较多，我们首先使用Protel软件绘制电路板；其次利用Emu8086软件完成程序的编写；最后在Proteus软件中完成硬件电路仿真调试。

通过这一系统的流程，给学员传输软、硬件的基本思想和设计流程，实现了以知识传授为主向能力培养为主的教学模式转变，提高了学员学习能力、实践能力和创新能力。

3 三维动态虚拟仿真实验研究

随着虚拟现实技术的发展，二维虚拟实验已经不能满足教学需要，具有较高沉浸感和较强交互性的三维虚拟实验已经成为虚拟实验发展的主要趋势[3]。法国VIRTOOLS公司开发的Virtools以其交互功能强大、操作可视化、灵活易用等特点为虚拟实验的开发提供了一个理想的平台。课程组利用此平台研发了硬件组装实验，如下图3所示。

通过三维虚拟实验，学员不受时空限制，能随时随地进入虚拟实验系统，所取得的学习和训练效果等价于甚至优于在真实实验环境中所取得的效果。

4 结论

通过将虚拟仿真实验应用到计算机硬件技术基础教学实践活动过程中，不仅成本低，而且使学员不受现有实验条件的限制，既能够进行自主实验，又能体验到对硬件器件操作的现实感受。使学员从理论和实践上建立计算机系统整机概念，真正具备利用计算机技术进行软硬件开发的能力。

参考文献：

[1] 冯博琴.微机原理与接口技术[M].北京：清华大学出版社，2006.

[2] 成怡，宋丽梅，修春波.《微机原理及应用》的仿真教字模式研究[J].科技信息，2013（4）：181-182.

[3] 曾令菊，颜亮.利用Virtools开发三维虚拟实验研究[J].桂林航天工业学院学报，2013（2）：133-136.