基于自制实验平台的微机原理实验教学探索与实践

苗曙光,马玉红,邵丹,樊强，赵庆平，李淮江

(淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000)

当前，随着信息技术迅猛发展及产业结构的调整，在长三角一体化的大背景下，应用型复合型人才越来越受到企业的青睐.对于以培养应用型人才为主的电子信息类专业，微机原理是相当重要的专业基础课程，可以系统地培养学生微处理器设计思想，使学生具备根据工程需要进行软硬件开发的能力，并为后继课程(如单片机原理，FPGA和STM32嵌入式系统等课程)的学习打下坚实的基础[1].作为理论联系实践的重要环节，微机原理实验教学的重要性不言而喻.但是传统的微机原理实验教学多采用功能繁琐，体积笨重的实验箱，实验箱上大部分实验资源和实验大纲匹配度不好，有些资源甚至超出实验大纲要求.另外，这种实验箱的价格昂贵，不利于实验室开放和随身携带，导致很多实验室无法做到开放性和实验平台外借[2-3].针对微机原理实验教学存在的问题，根据该课程的实验教学大纲要求，我们对实验平台进行了重新设计，独立开发出了一款口袋式USB口可编程的微机原理实验平台，达到更好地服务于微机原理实验教学的目的.

1 传统的微机原理实验教学存在的问题

1.1 实验箱体积笨重，不便携带

传统的微机原理实验平台一般多设计成尺寸较大的电路板，外加铝合金外壳，这种设计使得实验箱比较笨重，而且价格昂贵，不便于携带.因此传统的实验箱很难满足新的教学方法需求(如翻转课堂和项目驱动式教学等)，另外，考虑到实验室安全及管理问题，除了实验课时间段实验室开放，其他大部分时间试验箱都是处于闲置状态，开放实验室更是无从谈起[4-5].因此，开发一款体积小、性价比高、口袋式便携型的实验平台是我们亟待解决的问题.

1.2 实验教学方法机械

传统的微机原理实验教学一般是教师按照实验目的、实验设备、实验原理、实验内容及步骤等几部分讲解，然后现场演示一遍，学生按照教师的接线和实验代码验证一下，实验就算做完了.但是这种教学方法使得学生失去独立思考、独立完成的机会，导致很多学生对实验缺少兴趣，严重影响实验教学效果.

1.3 扩展性实验少，实验考核不够灵活

传统的微机原理实验项目以验证性实验为主，而扩展实验几乎没有，难以照顾到不同程度的学生.而验证性实验，操作简单，很多学生模仿教师的硬件连线，直接复制粘贴代码，很快就完成实验，导致实验大部分课时学生处在无所事事状态，因此有必要改变传统的教学方法.通过增加实验扩展部分，让学生垫垫脚才能完成[6].另外，传统的考核方式主要是学生的实验过程成绩和实验报告成绩之和构成，最后对各次实验总成绩求平均就是学生实验课成绩，这导致很多学生为了完成实验而实验，缺少思考和创新性.

2 自制“口袋式”实验平台的教学改革与实践

通过以上分析，针对当前微机原理实验课程存在的问题，结合近年来微机原理教学改革的一些创新实践做法，本文主要探索以下改革和实践方法：1、优化实验项目，重新编排实验大纲，出版实验教材；2、根据新教材大纲要求，自主设计实验教学平台，满足实验平台的开放性和便携性的需求.

2.1 出版实验教材，增加扩展实验

考虑到我院学科结构和微机原理教学的实际情况，综合了微机原理、单片机原理、自动控制原理和DSP技术等实验课程，作者参与编写了 《电子信息类专业实验教程》计算机控制分册教材，并于2018年2月在中国科技大学出版社出版(图1).

考虑到学生动手能力不同，该实验教材在原有的实验讲义基础上，增加了实验思考题和扩展部分，对于动手能力强的同学可以选做扩展实验，满足不同层次学生的学习需求，实验结束后还可以针对思考题，进行创新型实验，因此该实验教材编排更加合理，体现差异化.

2.2 自制实验室平台设计

根据新实验教材优化后的实验项目，实验平台核心CPU选用兼容8086的8088CPU，实验板包括流水灯模块、8253定时计数器、8255并行口模块、8259中断模块、开关模块、脉冲信号模块和USB接口程序下载资源等，另外考虑到实验平台的可扩展性需求，又对所有IO口以及VCC、GND接口进行了扩展，这样学生可以方便进行各种相关开发模块扩展，比如AD模块、传感器模块，显示模块等等，方便学生进行创新设计和微项目实践，甚至学生参加学科竞赛可以直接使用该开发实验平台进行[7].8088最小系统电路原理，如图2所示.

图1 出版的微机原理实验教材

图2 8088最小系统原理图

考虑到实验室开放和实验操作的便利性，该实验板采用USB转串口芯片CH340G设计ISP程序在线下载功能，如图3所示.学生在做实验的时候，只要电脑安装好CH340驱动和软件开发环境，然后通过一条USB线，就可以实现实验平台的供电、程序下载和串口通信等功能.对于开放型实验项目，学生可以外借该平台，自备笔记本电脑就可以做到随时随地开发，真正体现口袋便携式开发.

考虑到开发板的便携性和口袋实验室的要求，实验板的体积不能太大，因此在进行设计的时候对实验板资源进行了大胆优化，只保留实验教材需要的资源.同时考虑扩展性，板子IO口进行了单独扩展，从而保证了实验板小巧而且紧凑.考虑到学生焊接实训的需要，电路设计的时候电阻电容以及主要芯片选用直插元件.经过学生实训焊接，图4为我院自主设计的便携式单片机实验板成品.该实验平台尺寸为30 cm×20 cm，并丝印我校LOGO,板上包括8088最小系统电路，扩展所有IO口，两排LED灯，8255模块，独立开关，8253模块和存储模块等.最主要特点是支持USB口供电下载一体化设计，真正做到一条USB线搞定开发的目的.

为了配合硬件实验板使用，本套开发平台采用emu8086作为软件开发平台，该软件集编辑、编译、仿真和具有除错等功能于一体，它具有强大的软件调试功能，生成程序代码速度快，所需要的存储空间小，是目前8086/8088开发中最常用的软件之一[7].同时该软件还集成了文件编辑处理、编译、仿真，软件模拟器及虚拟仪器功能，如图5所示：

图3 USB口ISP程序下载电路原理图

图4 自制口袋式微机原理实验平台

3 自制微机原理实验平台的优势

3.1 便携口袋式，方便线上开放式实验教学

由于新冠疫情影响，“停课不停学”期间，很多高校实验教学都搬到线上开展，普通的试验箱由于体积较大，价格昂贵，无法邮寄给学生，但是采用自制便携式实验平台非常方便邮寄，方便线上开放式教学.2012年，TI公司提出了“口袋实验室”理念.口袋实验室主要特点就是便携性，接口丰富和方便学生二次开发[8-9].本文所设计的便携式微机原理实验板，具有体积小，功能齐全，支持ISP程序下载和二次开发，可以较好地满足口袋实验室的建设需求.另外，由于口袋实验平台采用自主设计，相比较传统的试验箱可以极大地降低成本，支持学生外借，只要学生有笔记本电脑或者台式电脑，就可以随时随地进行开发学习，能够真正做到实验室的开放.

3.2 学生实训焊接能力得到提高

采用自制口袋式微机原理实验板，需要经过PCB设计、电路板制作、元器件采购、焊接调试等全过程，这个过程恰恰是锻炼电子信息类学生的最好方式.通过电子实训，学生不仅找到了电路CAD实训课题，而且锻炼了电路板焊接能力、调试能力和解决问题的能力，调试好的实验板又可以为实验教学提供平台，达到了一举多得的目的.

3.3 自制“口袋实验室”性价比高

传统的实验箱动辄2000-3000元/套，价格昂贵，而且容易出故障，一旦出了故障需要等待厂家维修，这样导致很多学生需要共用一套实验箱，实验效果不理想.而采用自制的微机原理实验平台，设备成本只有不到原来的十分之一，极大地降低实验板的成本.由于成本的降低，基本可以保障学生和实验设备1∶2配套，这样学生可以独立操作一台实验板，能够极大提高学生独立完成实验的能力，而且维修方便及时，能够保证实验的效果.另外，支持实验平台外借，学生方便进行开放性项目设计.

图5 emu8086软件开发环境界面

图6 实验教学效果问卷调查结果

4 自制实验平台实施效果

与传统的实验箱教学方式相比，自制实验平台教学效果较好，具体表现在以下几个方面：

(1)创新了教学模式.自制口袋实验室的特点就是便携，由于成本低，学生可以做到人手一套，教师可以进行线上讲解，演示，学生自己结合开发板，利用一条USB线就可以完成供电下载的全过程.实验平台支持外借，开放实验室才能落到实处，使得实验资源得到极大利用，教师设计好项目题目，学生可以在宿舍或者图书馆独立完成，很好地满足项目驱动教学的需要.

(2)考核方式更加灵活.通过超星学习通建立线上课程，学生自主登录课程并按照教师要求完成相应的任务，包括实验预习，实验操作，代码编写和实验调试全过程，由于超星学习通强大的大数据分析能力，学生的操作全过程都有记录，设置好课程分值，最后就可以得到学生实验课的综合成绩，考核方式更加灵活.

(3)学生的动手实践能力得到了提高.这种方式的实验教学容易实现翻转课堂，以具体项目为基础，学生可以自由组队，完成具体项目，然后线上演示，学生参与讨论.通过这个过程，学生能够充分锻炼团队协作、问题分析和项目实践能力，使得学生的动手实践能力得到提高.

为了解学生实验操作的掌握情况，本课程利用问卷星发布课程问卷调查，班级人数80人，实际参与问卷人数74人，参与问卷调查占班级总人数的92.5%，问卷结果如图6所示.从反馈结果可以看出，90.54%同学选择完全掌握实验的要求，9.46%同学选择基本掌握.结果表明，学生对实验操作的总体掌握情况较好，采用自制口袋实验室能够达到预期教学目标.

5 结束语

微机原理是一门实践性很强的课程，如果仅靠教师课堂上去讲解，由于很多知识点都比较抽象，学生很难对8086/8088的结构有深刻的了解和掌握，因此实验教学作为理论联系实际的重要环节，显得非常重要.在分析了传统微机原理实验教学存在问题后，结合电子信息专业微机原理实验教学的实际，对实验大纲进行了优化，增加了实验扩展内容，出版相应的实验教材.同时针对教材自制了一款资源丰富，体积小，性价比高，而且支持USB供电和ISP下载的便携型口袋式的实验平台.实践教学表明，采用自制口袋实验室可以提高学生实验的兴趣，增强学生学习微机原理的信心，提高实验教学效果.