“微机原理与系统设计”实践课程教学改革探索

李欣荣，刘博，杨力，李江涛

（西安电子科技大学计算机科学与技术学院，陕西西安 710126)

0 引言

“微机原理与系统设计”是高等院校计算机、电子信息、自动化等相关专业学生的必修专业基础课，是包含计算机硬件基础、汇编语言以及计算机接口技术应用等知识体系的综合性课程[1-2]。课程的学习与掌握程度，对提高学生的计算机硬件应用能力至关重要，同时也是学习后续专业课程的重要基础[3]。该课程概念抽象、实践性强[4]，尤其强调理论到实践的转换和学生动手能力的培养。作为课堂理论教学的重要补充，配套的随堂实验和课程设计两门实践类课程环节是其他教学环节无法代替的。实践课程的教学能使学生深入理解微型计算机应用系统的硬件组成与设计方法，锻炼学生的程序设计及系统调试能力，提高学生的工程思维及综合运用专业知识分析问题、解决问题的能力。

近些年，随着国家和学校对实践教学能力的重视，实验教学质量有了较大的改善，各大高校也陆续推出了各种新型实验仪器和虚拟课堂形式用于教学，但是基于实验的教学应用还较少。国内各个高校在微机原理相关实践课程中也面临着实验设备陈旧、教学模式单一、教学方法落后等问题[5-6]。尤其是新冠疫情期间，很多学生无法到校学习，严重影响教学效果，亟待进行改革创新。为了保障课程教学效果，提高实践教学质量，相关院校也积极尝试了多种改革。广东药科大学[7]使用Proteus与EMU8086联合仿真，并配合实验箱进行虚实结合的实验教学，但没有提及对实践课程内容的综合项目优化；浙江工业大学[8]使用西安唐都科教仪器公司的TO-PITE微机实验平台，全面支持多种操作系统下汇编和C程序的混编，但没有提及虚实结合的教学模式；西安航空学院[9]更换成了FPGS的SOC 技术的8086 系统，提高了教学效果和学生的工程实践能力，但学习内容和我校“微机原理与系统设计”理论课程教学大纲不太契合。

为改善教学效果，本文依托西安电子科技大学计算机网络与信息安全国家教学示范中心的实践教学平台，通过改善实践教学软硬件系统，利用学校的“学在西电”校内信息平台和多个公共网络平台，构建“教学-虚拟课堂-虚拟仿真-实验-综合训练-考核”的闭环课程教学体系，加深学生对课程理论知识的理解，加强学生的实践动手能力。

1 “微机原理与系统设计”实践课程的教学现状

1.1 实验软硬件系统陈旧

以西安电子科技大学的实验课程为例，“微机原理与系统设计”的实践课程包括随堂实验和课程设计。随堂实验一般为16学时，主要包括4个必做的基础实验和7个选做实验，由于实验箱价格昂贵、容易损坏、维修周期长等原因，实验箱数量有限，学生必须在专用实验室完成所有实验内容。而受限于课程安排与实验条件，学生无法在非授课时间进行实验预习操作或创新设计。因此，在有限的课程实践教学环节，大部分同学只能完成四个必做实验。而现有课程配套的编程软件通用性差，QTC-PCI 软件只能在Windows XP系统下使用，XP系统的开机速度和软件的运行速度比较缓慢，影响学生的学习效率，无法在学生电脑端安装使用，导致疫情期间相关实践教学环节无法进行，造成了教学资源的浪费，影响学校整体课程体系的教学计划与安排。而“微机原理与系统设计”课程设计需要学生完成一个小型微机应用系统的开发项目。受限于实验条件和设备数量，课程设计可选题目数量有限，很难达到培养学生自主设计能力和创新能力的效果。

1.2 教学模式单一，考核方式死板

现有“微机原理与系统设计”实践教学模式比较单一，随堂实验是采用“理论+实验”形式，实验教师讲述理论部分，学生使用软件仿真并结合实验箱进行实验。由于理论知识复杂，而实践教学资源有限，在规定的课时内只有约5%的学生可以完成创新功能的设计或者选做实验。课程设计采用小组形式完成所选项目，由于题目多年未更新、可选项有限，无法调动学生的主观能动性。课程考核机制较为死板，缺乏对学生自主创新能力的考查，在一定程度上影响了实际的教学效果。

1.3 实践课程教学内容缺乏创新性

由于各种原因，“微机原理与系统设计”实践课程教学内容多年未更新，缺乏个性化的教学实践课程内容和结合最新前沿和先进技术的题目和实验内容，学生在有限的学时内，只能完成规定的实验内容，无法调动学生积极性和创新性。

2 “微机原理与系统设计”实践课程的改革举措

针对学校上述“微机原理与系统设计”实践课程中存在的问题，为提高教学质量和效果，本文提出如下改革举措：首先，优化实验软硬件平台，改善实践教学环境，提高学生实践课程学习效率；其次，结合理论课程内容，基于新的微机实验系统，优化实践课程教学内容，调整实验和课程设计的课程内容，建立“基本+综合+创新”的实践内容题库，丰富实践教学内容；最后，构建“教学-虚拟课堂-虚拟仿真-实验-综合训练-考核”的闭环课程教学体系，有效利用课程资源，最大化地促进基础理论与实验的有机融合。上述举措克服了现有实践教学环节中的弊病，能够使学生通过递进式实验教学内容，充分掌握课程理论知识，提升实际操作能力，课程改革整体思路如图1所示。

图1 实践课程改革整体思路

2.1 优化实践课程软硬件系统及教学内容

“微机原理与系统设计”实践课程在2021 年开始使用星研公司的实验平台，实验系统所具有的硬软件结构对用户的实验设计具有良好的开放特性，系统总线及各种外围接口器件都可由用户来操作连接，极大提高了学生的硬件方案设计和实际操作能力，避免了单纯验证式实验方式的弊病，增强了学生的综合设计能力。实验箱“SUN ES86PCIU+实验仪”提供了可无限升级的模块化设计、兼容性强，支持二次开发；其星研集成环境软件平台易于上手，支持汇编、C、PLM 语言，多种语言多模块混合调试，可以在多种操作系统上进行安装，并模拟仿真部分应用案例。

结合“微机原理与系统设计”理论课程内容和新的实验系统，更新实践课程教学项目，建立一个针对学生个性化教学的“基本+综合+创新“实践课题库，提高学生的主动性与创新综合能力。随堂实验课程内容设置为递进式的基础汇编编程实验项目和扩展性接口应用实验，由易到难，层层递进，学生可自主学习简单的实验项目，在实验中可从题库自主选择实验内容进行实验及创新设计。课程设计提供经典基础案例，主要包括简单的接口应用项目，逐步引导学生掌握设计方法和实验方法，设置难易不同，紧跟先进前沿应用技术的题目，并形成综合创新题库，满足不同层次学生的选择。

“微机原理与系统设计”的“基本+综合+创新”实践课题库内容如下，根据教学效果和学生的反馈仍然在更新补充。其中，随堂实验的基础项目包括：

1)数据传送实验；2)数码转换类实验（十进制、二进制、十六进制和BCD码之间转换）；3)数值运算类实验（二进制双精度加法运算；十进制减法运算；十进制乘法运算）；4)分支循环实验；5)子程序实验；6)排序实验；7)散转实验。

扩展性接口应用实验包括：

1)输入输出程序设计实验；2)输入输出程序扩展实验；3)存储器扩读写实验；4)可编程中断控制器8259实验；5)可编程定时器/计数器8254 实验；6)LED 字幕显示实验；7)键盘扫描及数码管显示实验；8)点阵式LCD 实验；9)电子发声实验；10)可编程通信8250 实验；11)并行DA实验；12)并行AD实验；13)红外通信实验；14)继电器控制实验。

课程设计的经典基础案例分析包括：

1)交通灯控制系统；2)步进电机控制系统。

综合接口应用项目包括：

1)步进电机开环控制系统；2)数字时钟与自动报时系统；3)常用函数波形发生器设计；4)公交站报站动态显示系统；5)键盘电子乐器演奏程序设计；6)直流电机转测测量与控制系统；7)矩阵式键盘数字密码锁设计；8)数据采集与监视系统。

创新综合项目包括：

1)光敏电阻测量光照强度系统；2)人体脉搏检测系统；3)智能交通灯控制系统；4)照明控制系统；5)模拟出租车计价器设计；6)自主设计系统设计。

利用优化的软硬件平台，学生可以提前编程仿真基础实验项目，不受硬件资源和时空限制随时随地学习，根据自身情况进行选择课题库内项目，从而引导学生自主创新，培养学生的创新综合动手能力。

2.2 构建混合式实践教学模式

为了更好地激发学生的学习兴趣，探索基于“发挥学生主体性，提升学生创新性”的“微机原理与系统设计”混合式课堂实验教学模式。首先，借助多媒体技术、MOOC 和“学在西电”等网络平台，将实验课程基础理论知识点和操作指导以虚拟课堂的形式放在“学在西电平台”，录制相关视频，让学生在没有硬件的条件下，掌握汇编程序编程流程和操作步骤，熟悉电路的搭建和程序的调试，从而有效解决由于设备和学时不足导致的实践锻炼不足的问题，根据学生的能力，充分发挥学生的主动性；其次，搭建实验选排系统和学生交流的网络平台。为了促进学生个性化发展，学生都是“一人一课表”，实践课程的时间安排比较灵活，利用实验选排系统，学生可以选择不同的时间和教室进行实践课程；利用“学在西电”和网络群建立学生和老师随时沟通的桥梁，让学生不受时间与实验室的限制，随时进行学习，把更多的精力放在创新和综合实验上。实验教学中心的实验排课系统和“学在西电”课程平台如图2。第三，明确实验教师的工作内容与流程，设计在线信息交流方式，掌握教学平台技巧，在实践课程结束时使用匿名调查问卷，增加学生的反馈途径，建立高效反馈机制，逐步完善和修正实践过程，提高教学效果。

图2 我校实验教学中心实验选排系统和“学在西电”课程平台

2.3 探索实践课程多维成绩评定方法

基于构建的混合式实践教学模式，必须探索科学、有效和全面的多维实践课程评价方法，来提高学生的学习积极性和学习效率。首先，将“学在西电”平台统计学生的线上学习情况列入成绩评价内，根据网络授课的特点，让学生填写情况调查表代替签到表，能更好地反映学生的学习情况，并及时调整教学进度；其次，根据学生选择不同难易程度的实验内容和学生参与交流的情况，增加对实验过程的考核；再次，课程设计让学生使用小组答辩的形式，每个同学介绍自己的思路和所做工作，并在组内组外增加学生互评，主要增加演示讲解和组内贡献的分值占比；最后，调整设计报告内容，着重学生对结果分析和体会总结的占比。具体随堂实验和课程设计成绩评定细则如表1所示：

表1 随堂实验和课程设计成绩评定细则

通过探索科学化、细分化的评分标准，能够保障学生实验评分的综合性和客观性，提高学生的学习自主性和积极性。

3 总结

经过近两年“微机原理与系统设计”实践教学反馈可以发现，通过优化软硬件平台和教学内容，构建“教学-虚拟课堂-虚拟仿真-实验-综合训练-考核”的闭环课程教学体系，能够加强课堂理论教学内容的联系，加深学生对课程理论知识的理解，增强学生的实践动手能力，让学生从验证性实验的思维到创新自主学习的思维转变。在实践响应国家、学校以及实践中心对于创新性应用人才培养的要求，具有重要的价值和意义。