“微机原理与接口技术”课程实践教学改革探索——以西安航空学院计算机学院为例

李海玲，孟 虎

(西安航空学院 计算机学院，西安 710077)

0 引言

“微机原理与接口技术”是一门重要的专业基础课程，在计算机、通信工程、自动化专业及相关专业都有开设[1]，该门课程对培养学生系统设计能力、软件编程能力和创新发明能力都非常重要[2]。课程内容抽象，学习难度较大，要求学生具有扎实的基础知识和较强的综合能力。西安航空学院计算机学院开设的“微机原理与接口技术”课程，授课内容以Intel 8086/8088为模型机，实验设备是2005年购置的由启东市微机应用研究所开发的QTH-8086B 16位微机原理与接口技术实验仪，经过十多年的使用，设备陈旧损坏，严重影响教学效果。

国内其它高校在“微机原理与接口技术”课程教学中也同样存在教学内容陈旧、实验设备落后、学生学习的积极性和主动性不高等问题，一些院校也一直在尝试改革。西北农林科技大学[3]和运城学院[4]等沿用已有的实验设备，在实验内容设计、考核方式等方面进行改革；广东药科大学[5]等引入EMU8086和Proteus仿真软件，进行虚拟仿真实验教学；常州大学[6]等采用基于FPGA平台和Proteus平台的实验教学方法，但没有把两者融合到一起。

西安航空学院计算机学院“微机原理与接口技术”课程教学团队结合计算机科学与技术专业的培养方案和学生情况，对该门课程进行了实践教学改革。从修改大纲、改变教学方法和考核方式入手，变更了教材，更换了传统的实验设备，购置了基于现场可编程门阵列(Fielcl-Programmable Gate Array,FPGA)的SOC技术的8086实验系统，因为SOC技术可以有效降低电子/信息系统产品的开发成本，缩短开发周期，提高产品的竞争力。

经过对两届学生的教学实践，成效显著。学生在机器人大赛、单片机大赛、智能车大赛等各类竞赛中取得了较好的成绩，极大地提高了计算机科学与技术专业学生的计算机系统设计和工程实践能力。

1 基于FPGA平台的SOC技术的微机原理与接口技术实践教学改革

1.1 微机原理与接口技术实践教学情况

西安航空学院自1983年计算机应用专业成立就开设了“微机原理与接口技术”课程，主要以Zilog公司的Z80微机作为实践教学内容，后来逐渐过渡到Intel的16位8086/8088模型机，现在的实践教学内容仍然是16位处理器，且教学情况如下所述。

第一，实验设备项目比较多，损坏情况严重。尤其是做接口实验部分，学生首先在实验箱上连接硬件电路，然后编写程序运行。如果是硬件连接问题导致错误的结果，需要插拔导线进行再调试。通常在实验过程中，学生会多次改变硬件电路，甚至带电进行这些操作，因此实验箱特别容易损坏，实验室管理人员难以及时维修更换。另外，随着设计功能的增加，电路的连接也越来越复杂，使得学生排错变得愈加困难，很容易引起他们的畏难情绪。

第二，实验设备陈旧，不能适应新的教学形式和要求。目前使用的实验设备是2005年购置的由启东市微机应用研究所开发的QTH-8086B 16位微机原理与接口技术实验仪，经过十多年的使用，完全没有问题的实验仪少之又少，导致原本每生1台的配置变为多人共用1套，严重影响学生学习的积极性和主动性，不能满足应用型创新人才的培养需要。

随着社会经济和科技的快速发展，社会对各类技术人才的需求量日益增大，特别是西安航空学院自2012年升格为本科院校后，实验现状难以满足计算机科学与技术本科专业的要求，改革迫在眉睫。

随着大规模集成电路技术的快速发展，人们可以把自己的设计实现于FPGA中，从而高效地完成产品的开发。因为FPGA器件具有研发周期短、编程灵活、可靠性高、接线少等优点，片内拥有丰富的逻辑单元资源，能够满足设计复杂电路的需要，而且FPGA允许无限次编程，尤其是SOC技术的出现，设计出性能价格比很高的片上系统已经实现，给微电子及其应用行业带来了革命性的变革[7]，也明确了“微机原理与接口技术”课程实践教学改革的方向。

1.2 微机原理与接口技术实践教学改革现状

将现代科技应用到计算机实践教学过程中，让学生接触当今计算机发展最前沿的科研成果和先进技术，培养他们创造性的思维能力。2015年，课程教学团队着手对计算机科学与技术专业6个本科班的课程教学进行了改革。修改了教学大纲、改变了传统的教学方法和考核方式，变更了教材，更换了旧的实验设备，购置了新的实验系统，教改前后情况对比如表1所示。

表1 教学改革前后情况对比

课程教学团队按照改革后的规划对目前计算机学院两届本科生实施教学，在教学内容中注入FPGA和SOC技术，实现了现代技术方法在“微机原理与接口技术”课程中的应用，从而更广泛和深层次的提升了课程的学习效果和学生应用新知识、新方法、新技术、新工具的能力，锻炼了他们的工程实践和创新能力。

1.3 实践教学具体实施方法

在引进了KX-DN9型模块化微机原理与接口技术SOC实验系统后，课程教学团队对该课程的实践教学环节采取了一系列的改革举措。

第一，将课程扩充为软件开发和硬件电路设计两个部分。软件开发部分采用汇编语言，由于实验室是新建的，PC机都是64位的Windows操作系统，在原来32位系统中使用正常的汇编语言编译器或汇编软件包，在64位操作系统上只能编辑，不能运行。课程教学团队经过多次研究实践，解决了上机环境的搭建问题[8]。硬件电路设计部分主要介绍各种硬件接口电路技术，新的实验系统是基于FPGA平台的，采用的是SOC技术，SOC技术中最关键的是IP核[9]。目前对于“微机原理与接口技术”课程中的微处理器、存储器、并行接口、定时/计数器、中断、串行接口、DMA等传统内容，都有相应的IP核支持，如8088IP、RAM IP、8255IP、8254IP、8259IP、16550IP、8237IP等等，学生可以致力于整机系统设计，有助于培养他们的系统设计能力。软件开发和硬件电路设计两部分相辅相成，缺一不可。

第二，增加了集中实训课程。集中实训课程为时一周，课程教学团队提前设计出二十多套难度不同、分值有别的题目，以任务书的形式派发给学生，让他们2人一组自由组合并选择完成1道题，每组选择都不相同，先选先定，定后不改，题目扎堆选择的再进行调整，同时也鼓励学生自己提出新的题目。

第三，调整了考核方式。课程教学团队在考核方式上更加注重学生的实践操作能力和设计效果，采用“设计过程+程序+答辩+报告”相结合的办法，其中设计过程占总成绩的30%，程序占30%，答辩占20%，报告占20%。透明的考核方式充分调动了学生学习的积极性和主动性，并且真实地反映出每位同学的实际水平。

第四，增大了实践部分的比例。因为第一届学生10个学时的课内实验非常紧张，所以在第二届本科生实际授课过程中，理论部分减少了4个学时，实验部分增加了4个学时。通过增大实践学时，学生的动手能力进一步增强。

第五，采用了“由浅入深，先易后难，先软后硬、软硬结合、层层递进”的教学策略，学生既要学习课程新内容，又要把新技术应用到课程中，难度非常大。在实践教学中，课程教学团队提前给出上机内容及要求，让学生有独立思考的过程，预先编好程序备用。硬件电路部分通过电路设计自动化工具Quartus软件，从基于FPGA的最小系统实现做起，然后再逐步增加接口，直至完成更复杂的设计[10]。硬件电路刚开始是完全提供给学生的，逐步让学生自行修改部分电路，根据需要增加模块，最后实现由学生本人设计整个硬件电路。不论系统复杂还是简单，主要操作都是在Quartus软件里，相比传统实验仪，它的真实连线非常少，几乎所有功能模块都集成在一个芯片中，从而缩小了体积，降低了功耗和成本，并提高了系统的可靠性和整机设计效率，可以反复使用。设计者可以更多地考虑系统结构，不必深陷于模块实现，降低了系统设计的复杂性[11]。

通过以上改革举措，经过对两届学生的教学实践，成效显著。近两年，西安航空学院计算机科学与技术本科专业学生在各类竞赛中成绩大幅提高，并取得了较好的奖项，创新及工程实践能力进一步增强。两年来学生参加各类竞赛及获奖情况如表2所示。

表2 2016-2017年学生竞赛获奖情况

2 结语

通过“微机原理与接口技术”课程实践教学改革过程，从教学大纲、教学方法、考核方式、教材、实验装置更新，上机环境搭建，到最小系统形成、更复杂系统的形成，直至鼓励学生自主设计实践方案，在使用新技术诠释传统内容的具体实施过程中，整个流程不但让学生完整、高效、深入地学习和掌握相关原理知识，更重要的是通过实践，学生掌握了现代SOC数字系统设计的先进技术，实现了现代技术方法在原理课程实践教学中的应用，对于准备采用基于FPGA平台的SOC技术实践教学的院校具有一定的借鉴意义。随着科技进步和高校学科建设的不断发展，国家对各类高技能人才培养的要求不断提高，教学改革工作将是一项长期的系统工程。“微机原理与接口技术”课程经过短期内的实践教学改革，实验内容在各种基本微机IO接口基础上，增加了步进电机、直流电机、动态数码管、串行静态数码管、LED点阵等IO接口。下一步准备将红外感应、压力、光敏、声控、温、湿度传感器等内容加入到微机接口实验系统，不断更新扩展，开发出更高水平的实验，为学生创新能力培养助力。

[1] 田辉,徐惠民.“微机原理与接口技术”课程体系与内容探讨[J].中国大学教学,2010(4)：35-36.

[2] 吴琼,周昕.基于应用型人才培养的微机原理课程实践教学改革[J].西部素质教育,2017,3(14):160.

[3] 蒲攀,张建峰.微机原理与应用课程教学改革与探索[J].管理观察,2009(7):96-97.

[4] 王晓丽.《微机原理及接口技术》的教学改革与实践[J].福建电脑,2017,33(10):174-175.

[5] 何永玲,余华芳.“微机原理与接口技术”课程综合改革[J].电气电子教学学报,2017,39(3):98-100,104.

[6] 万军,衡雪永,屈霞.微机原理课程实验教学方法探讨[J].电脑知识与技术,2015,11(10):138-140.

[7] 林学龙.SOC技术的现状、水平和发展趋势(上)[J].单片机与嵌入式系统应用,2002(4):5-8,61.

[8] 李海玲,孟虎.64位操作系统下8086环境搭建方案探究[J].西安航空学院学报,2017,35(3):91-93.

[9] 何立民.以SOC为中心的多学科融合与渗透[J].单片机及嵌入式系统设计,2001(5):5-6,11.

[10] 潘松,潘明,黄继业.微机原理与接口技术：基基本原理、实用技术和基于FPGA的SOC技术[M].北京：清华大学出版社,2015:1-11.

[11] 马国俊.SOC技术及设计方法研究[J].自动化与仪器仪表,2012,159(1):6-8.