基于虚拟仪器技术的《微机原理与接口技术》教学改革探索

郭晶晶 刘伯运 梁英杰 史蓓蕾

摘要：随着计算机技术、信息技术和网络技术的发展，微机原理与接口技术及其应用也飞速发展。针对传统的《微机原理与接口技术》难学、难懂、概念抽象、感性认识差等问题，开展基于虚拟仪器技术的《微机原理与接口技术》教学改革探索，从教学内容设计、教学方法实践等方面探讨计算机接口技术理论与实验教學一体化实施的问题。虚拟仪器技术的应用，既做到了计算机接口技术理论联系实际，又促进了教学水平的提高，取得了良好的效果。

关键词：计算机接口技术；一体化教学；虚拟仪器

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）15-0134-03

《微机原理与接口技术》是计算机专业的主干课程，根据教学训练大纲要求，在该专业学习过程中既要注重培养学员对专业基础知识的理解和运用，又要注重实际运用和动手能力的培养，以达到全面提高参训学员综合素质和能力的目的。传统《微机原理与接口技术》教学中的突出问题主要反映在两个方面。一是教学内容陈旧，验证性实验为主，缺乏设计性、综合性要求，与工程实践脱节严重。二是教学方式单调枯燥，实验手段和设备落伍，理论教学还是以PPT为媒体，以教师主讲为主，以学生听课为辅，这种单纯的理论讲授，学生感觉知识灌输的枯燥乏味，课堂的参与度不高；而最能吸引学生的实验课程往往由实验教师自行组织，多数情况也是按照实验指导书的步骤进行验证性实验，有时候会与理论教学脱节，实验过程依葫芦画瓢，学生的完整知识结构体系无法统一构建，为此，计算机接口技术教学尤其是实践性环节教学迫切需要改革创新。

此外对于军事院校《微机原理与接口技术》教学对象及要求，需要仔细研究该专业课程内容，并且要广泛了解本课程在舰船实际装备中的应用范围，使学员能够通过学习为将来快速融入舰艇装备保障管理中做好知识储备，提高学员的兴趣和培养学员创新精神。但目前该门课实验教学方面，仍采用实验芯片功能验证性实验为主，学员自主创新的实验几乎没有；在课程设计方面，实验指导书上有完全正确的程序、硬件的连线，学员只要按照步骤连接好各种线路，再录入程序、然后调试、运行，观察结果，最后写出实验报告。整个过程中，学生只是一个验证工具，完全缺乏自主性，需要学生思考的地方也很少。

目前，该课程教学内容侧重微机原理与接口技术的基础理论，不可能开设大量的实践课程，因此在有限的课时下，如何设计实践教学环节，是提高教学质量迫切需要解决的问题。作者通过多年的教学经验，对该课程的教学内容、教学方法和教学手段等方面进行思考和探索，以期充分发挥学生的积极性，促进教与学和谐发展，为学生后续专业课程的学习打下良好的基础。作者根据自身的教学经验，努力探索，采取先进的教学手段和方法，取得了良好的教学效果。下面谈谈该课程教学中应用虚拟仪器所进行的探索与经验。

一、虚拟仪器技术及其在教学中的应用

虚拟仪器既可以是完全基于PC机的单机系统，也可以是基于STD、GPIB、VXI、USB等标准接口总线的测试系统，也可以是它们的混合系统。在完成硬件的设计后，可以通过编写不同的软件构成功能强大的虚拟仪器，软件的基本结构可以分为三层，如图1所示。

通过虚拟仪器平台实现开放性实验教学条件能力建设，学生不再受具体教学内容限制，完全可以自己选择实验项目、独立设计、合作设计、调试和运行实验系统。这种实验教学方法可以完全发挥学生的主观能动性，培养出学生敏锐的观察力和提高分析问题、解决问题的能力。

二、《微机原理与接口技术》理论与实验虚拟教学设计

军事院校《微机原理与接口技术》教学以实际装备为背景，为此，相应的教学内容应包含三种总线连接方式，即：PCI总线、USB总线和VXI总线。在虚拟仪器设计中，这三种接口都有相应的数据采集设备，以这三种数据采集设备为核心，实现多路A/D转换单元、多路D/A转换单元，在此基础上，设置运放组合运算单元、开关量/频率输出单元、LED/LCD显示单元、开关量/频率输入单元、多信号发生器等电路组成的接口信号电路。根据舰艇计算机监控系统构成，设计了温度、压力、流量等类型信号传感器以及电动、气动、液动执行器组成的实际控制模型。计算机接口模型设计时，根据控制逻辑关系，将计算机接口中常见的专业知识配合传感器、信号转换，通过计算机采样、控制加以验证。实验程序采用面向对象语言编写，利用LABVIEW虚拟仪器控件实现集成化实验教学。虚拟实验系统组成的逻辑框图如图2所示，虚拟硬件访问流程如图3所示。

虚拟硬件电路设计可以方便地将PC机、单片机仿真器与各类单元电路接口，通过编制相应的接口驱动程序，控制实际的工艺模型，使理论与实践相结合；通过PC总线将PC机与实验设备接口，利用运放组合运算单元构造模拟控制对象或由各类传感器、执行器构造的实践控制对象，经过A/D转换单元采样将对象特性数据送PC机，用集成环境提供的多种控制算法，进行算法控制、屏幕显示、绘制曲线，经D/A转换单元输出控制对象，构成了闭环控制系统，整个控制过程的参数调整、控制效果以灵活、直观、形象的形式展现给学生；利用A/D转换单元及相关接口电路，使PC机工作在低频多通道存储示波器状态，由运放组合运算单元模拟实现各类控制对象，通过PC机存储示波器功能记录有关数据，显示波形，供学生分析、计算、调整参数。同时利用多信号发生器、A/D转换单元构造采样系统，完成采样系统实验。

实现对接口电路的虚拟主要是基于Windows虚拟机。Windows为了系统稳定性，对系统底层操作采取了屏蔽的策略，不允许应用程序直接访问硬件设备和内存，必须通过编写的虚拟设备驱动程序（VxD）来进行。因此，系统实现的途径就是编写相应的虚拟设备驱动程序（VxD），并用虚拟硬件电路来代替实环境中的硬件接口电路。

“虚拟硬件电路”仿真模型的建立，主要实现对接口芯片、外围电路功能的仿真，包括外部引脚信号、内部控制字及功能逻辑、端口读写操作和触发过程的时序关系等的逻辑模型和算法，仿真模型主要通过图表形式来描述，并最终在软件设计中给予实现，使其对实验者的实验程序而言是真实的，保证了虚拟实验环境具有较高的逼真度和开放性，仿真模型描述的是一个过程。

利用上述实验设备及集成化多媒体实验教学软件可以较好地完成理论与实践的结合，充分发挥学生的主观能动性，提高学生实际动手能力和想象力，合理利用实验设备资源。

三、教学案例分析

院校培训階段一方面需要加强学员对相关基础性理论知识的认识；另一方面，也是为了学员到任职岗位后能更好地掌握装备的专业职责分工、操作和工作流程。因此，对于该课程的学习，需要加强《微机原理与接口技术》演示性实验教学。验证及演示性实验教学设计可以与基础性理论知识进行良好的结合。例如，对于信号传输过程基本原理的讲授，在该教学环节中，可以通过虚拟教学平台，利用传感器——信号采集器——计算机显示界面，可非常直观地显示计算机接口工作过程。若要演示这一工作过程，把压力应变片贴于气球上，让每个学员对着传感器吹气，同时把软件界面投影到多媒体屏幕上，在界面上学员可以观察到这样一些现象：（1）传感器可以感受到人往压力接口吹气时力的大小；（2）吹气时所用的力越大，屏幕上显示的压力数值越大，模拟压力表读数也越大；（3）吹气是压力信号，输出是电信号，而且可以被信号采集装置所用。

根据这样一个装置，学员可以进行独立思考、归纳数据接口和信号传输相关知识，也可以关联其他类型计算机接口。

在《微机原理与接口技术》教学过程中，针对计算机集成控制、PLC、现场总线等内容还可以快速地设计一些现场演示教学环节。利用虚拟仪器技术，将学员带入一个形象、具体的环境，使得枯燥的概念与理论，加入了感性元素，贴近装备实际，弥补了传统教学在直观性、形象性方面的不足，可以激发学员的学习兴趣，引导学员独立思考，对于知识做到活学活用，使教学内容不再是死记硬背一些基础知识、定义、概念，而真正成为实际装备的基础知识。

四、结论

在《微机原理与接口技术》课程的实验中，虚拟仪器的使用使得该门课程教学易学、易懂、概念具体。以上对于该课程教学方法的探讨，在教学中取得了良好的效果，增加学员学习的兴趣和动力，减少畏难情绪，培养和锻炼了学员的创新能力，使他们成为满足任职岗位需要，具有创新能力的人才。

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