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摘要：《微机接口》实验教学是《微机接口》课程的一个重要环节，对于学生牢固掌握该课程内容具有重要作用。文章从《微机接口》实验教学现状分析、拟在实验中采用的新技术的介绍入手，并从引入FPGA技术，使用仿真软件、采用C语言完成《微机接口》实验、使用智慧教学工具提升实验的效果和水平共三个方面对 《微机接口》实验教学进行了探索，实践证明上述改革措施切实可行，并取得了较好的效果。
关键词：互联网+；微机接口；FPGA；仿真软件；嵌入式编程；雨课堂
一、引言
当前，世界范围内新一轮科技革命和产业变革加速进行，综合国力竞争愈加激烈。国家实施“创新驱动发展”、“中国制造2025”、“互联网+”、“一带一路”等重大战略，以新技术、新业态、新产业为特点的新经济蓬勃发展，要求工程科技人才具备更高的创新创业能力和跨界整合能力，加快新工科建设，助力经济转型升级。
为贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要》和《国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》文件精神，深入推进产学合作协同育人，汇聚社会资源支持高校专业综合改革和创新创业教育，自2014年起，教育部高教司实施产学合作协同育人项目，以产业和技术发展的最新需求推动高校人才培养改革。
随着产学合作协同育人教学模式的不断推广，如何在传统的计算机课程中使用新技术成为摆在我们计算机教育工作者面前的一个重要的课题。
二、微机接口实验教学现状分析
我校是一所独立学院，学生学习的基础薄弱，相当部分学生对学习没有兴趣。《微机原理与接口技术》（后简称《微机接口》）是计算机及电子信息类理工科的一门重要专业课。内容涵盖微机原理、嵌入式程序设计及微机接口技术，兼顾硬件和软件2个方面，该课程的特点是概念抽象，实践性强。实验教学对于学生理解该课程内容、培养学生动手能力有着至关重要的作用。
作为我系计算机硬件综合实验室的兼职管理人员和《微机接口》课程专职任课教师，通过多年的教学和管理工作，积累了大量《微机接口》实验教学的经验，并发现《微机接口》实验教学中存在的问题，主要包括以下几个方面。
1.实验受到实验环境与实验内容的制约
我系当前主要使用实验箱来进行《微机接口》实验。但传统实验箱上的芯片资源有限，且教学实验内容完全停留在8位接口芯片层面，与现在业界广泛使用的32位64位接口有所脱节，不具备进行多核处理器、多芯片组合的綜合型实验的条件。
《微机接口》实验内容也因芯片种类和实验台架构固定而不易调整，学生的实验灵活性受限，难以发挥学生的创新能力。
2.实验中硬件设计方面的内容有待增加
当前《微机接口》的实验内容重软轻硬，实验重点大都集中在汇编语言的编写上，学生自主设计电路的时间和机会较少，这样不利于对于学生硬件设计能力的培养。
3.缺乏对实验前预习的检查手段，学生学习积极性差
因为没有对于实验前预习的检查手段，大部分学生在实验前都不进行预习。导致在实验中，学生只会机械地按照实验指导书一步一步地做，而不关心实验目的和通过实验所掌握的知识。
当前《微机接口》实验的内容重点都集中在对于8086汇编语言的编写上，因8086汇编语言应用范围较窄且内容繁琐，大部分学生对于学习编写汇编语言程序并不感兴趣，因此学习的积极性不高。
三、基于新技术的微机接口实验教学探索
显然要解决上述《微机接口》实验教学中存在的问题，仅仅进行教学方法的改革是不够的，采用新技术势在必行。我们在教育部校企协同单位—北京时代行云科技有限公司的大力支持、协助下，针对我系2015级学生实施了如下的改革措施：
1.引入FPGA技术
以左冬红老师的《计算机组成原理与接口技术实验教程》为教学参考书，通过引入FPGA技术，借助其丰富的逻辑单元，用FPGA技术对微机接口实验平台进行改进，满足了设计复杂电路的需要。Xilinx公司的ISE和Vivado软件都是针对FPGA的集成开发软件，它们能够给用户提供一个从设计输入到综合、布线、仿真、下载的全套解决方案，其工作流程无须借助任何第三方电子设计自动化软件[1]。
ISE，Vivado等仿真软件的使用使得接口实验不再受限于时间、地点和固定设备。另外，通过简化以前芯片功能验证的实验，学生通过软件仿真可以很清楚的了解接口芯片和总线接口的工作时序，不用硬件连线便可以得到接口芯片各方式下的波形，从而缩短芯片功能验证实验的时间，将更多的时间用在接口芯片电路的设计上[2]。
2.采用C语言完成《微机接口》实验
C语言诞生于1972年，具有高效、灵活、功能丰富、表达力强和较高的移植性等特点，在程序员中备受青睐，是最近25年中使用最为广泛的编程语言。由于C语言在嵌入式编程中居于主导地位，掌握C语言嵌入式编程技术对学生将来就业有好处，因此在《微机接口》实验中主要采用C语言来进行编程，从而增加了学生学习的兴趣，也为“毕业设计”等课程打下基础。
3.使用智慧教学工具提升实验的效果和水平
“雨课堂”教学工具由清华大学在线教育办公室和学堂在线共同推出，是教育部在线教育研究中心的研究成果。“雨课堂”教学工具基于微信和PowerPoint 软件平台，教师可充分利用其兼具多屏互动、答疑弹幕、大数据分析等功能，覆盖课前、课上、课后的每一个环节，予以学生全新的课堂体验[3]。通过使用“雨课堂”教学工具大大提升了《微机接口》实验的教学效果和水平，实施的具体步骤如下：
1）通过“雨课堂”对学生实验的预习情况进行检查
首先制作《微机接口》实验预习课件，并为每一页课件录音进行讲解，最后发布到上课班级。然后，教师将生成的实验课程二维码和班级邀请码公布在“微机接口”教学网，以便学生加入班级进行学习。 学生首先在微信端关注“雨课堂”，在“微机接口”教学网选择将要进行的实验后，再通过班级邀请码进入到实验班进行实验预习。教师通过查看教师微信端所显示完成预习的学生数量、查看课件的学生数量、答题的正确率等统计数据，客观、实时地掌握学生的预习情况，并及时对教学做出调整[4]。
2）通过“雨课堂”进行互动式教学
教师开启雨课堂授课，学生除了像传统课堂可以看到课件投影外，还可以扫描屏幕二维码，将课件同步到微信，这样实验的一些操作视频、动画资源等就可以被很好地利用。开启弹幕功能后，学生就可以在微信中提问，教师可以根据学生反映的问题进行答疑。通过老师与学生、学生与学生之间的交流，实验的操作原理得到了更深层次的理解，学生也会在交流中思考和创新。
3）通过“雨课堂”快捷批改实验报告，提高教学效率
以往的微机实验结束后，教师需要进行布置实验报告、批改实验报告、登记实验成绩等一系列教学工作，而这些工作现在均可通过“雨课堂”来完成。实验完成后，教师只需要在实验班级发布一份实验报告模板即可。教师可以限定学生完成实验报告的时间，学生提交后会显示学生姓名、提交时间，教师批复后，每位学生的得分、教师的批复时间都会有相应的数据显示。学生在完成后还可以点击“懂”或“不懂”等选项对实验内容进行反馈，教师再根据学生的反馈情况通过微信推送相应的学习资料。学生可以利用课下任何片段时间来学习这些资料，实现了碎片化学习。
四、教学改革成效
实践证明，以上的教学改革方法在《微机接口》课程教学中是切实可行的，并收到了较好的教学效果。图3-1显示了教学改革前（2016-2017（2）学期，上图）与教学改革后（2017-2018（2）学期，下图）在试题难度不变的情况下《微机接口》课程学生成绩的情况：
如图所示，改革后学生成绩分布得到很大改善，具体来说：90分以上学生人数由占学生总数的8%上升到占9%，80分以上学生人数由占学生总数的20%上升到占25%，70分以上学生人数由占学生总数的22%上升到占28%，60分以上学生人数由占总数的37%下降到占31%，不及格学生人数由占总数的13%下降到占7%。说明通过改革，不及格及60多分的学生所占比例明显下降，而70分以上学生所占比例明显上升，改革收到了显著的成效。
四、结束语
随着各类新技术的不断出现、产学合作协同育人教学模式的不断推广，如何在传统的计算机课程中使用新技术无疑给计算机专业教师带来了新的挑战[5]。
实践证明，以上的教学改革方法在《微机接口》课程教学中是切实可行的，并收到了较好的教学效果。总之，在“互联网+”时代，新技术的不断发展为教育带来了新的变革和发展机遇，合理利用先进的新技术和新工具，必将使得计算机课程教学变得更加生机焕发、充满活力。
参考文献：
[1]左冬红.计算机组成原理与接口技术实验教程[M]. 北京：清华大学出版社，2014：1-40.
[2]廉玉欣，侯博雅，王猛，侯云鹏. 基于Xilinx Vivado 的數字逻辑实验教程[M]. 北京：电子工业出版社，2016：1-23.
[3]程义军，楼国红.基于微课翻转课堂的DSP 实验教学的研究[J]. 西部素质教育，2017，15：169-170.
[4]吕俏，张智. 雨课堂在大学物理实验教学中的应用[J]. 中国信息技术教育， 2017，05：96-98.
[5]刘君. “互联网+ 教育”背景下“雨课堂”的教学实践--以“计算机网络”课程教学为例[J]. 厦门城市职业学院学报，2017，19（1）：44-48.
作者简介：
杨志奇（1966-），男，辽宁沈阳人，天津大学仁爱学院计算机科学与技术系，计算机科学与技术教研室主任，副教授，研究方向为计算机应用、模式识别等。何颖（1984-），女，四川遂宁人，天津大学仁爱学院计算机科学与技术系，讲师，研究方向为计算机应用、图像处理等。李春阁（1981-），女，河北衡水人，天津大学仁爱学院计算机科学与技术系，讲师，研究方向为计算机应用、图像处理等。
基金项目：
课题名称：基于新技术的微机接口实验改革与实践；课题编号：201702150023；立项单位：教育部北京时代行云科技有限公司校企协同项目.
关键词：互联网+；微机接口；FPGA；仿真软件；嵌入式编程；雨课堂
一、引言
当前，世界范围内新一轮科技革命和产业变革加速进行，综合国力竞争愈加激烈。国家实施“创新驱动发展”、“中国制造2025”、“互联网+”、“一带一路”等重大战略，以新技术、新业态、新产业为特点的新经济蓬勃发展，要求工程科技人才具备更高的创新创业能力和跨界整合能力，加快新工科建设，助力经济转型升级。
为贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要》和《国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》文件精神，深入推进产学合作协同育人，汇聚社会资源支持高校专业综合改革和创新创业教育，自2014年起，教育部高教司实施产学合作协同育人项目，以产业和技术发展的最新需求推动高校人才培养改革。
随着产学合作协同育人教学模式的不断推广，如何在传统的计算机课程中使用新技术成为摆在我们计算机教育工作者面前的一个重要的课题。
二、微机接口实验教学现状分析
我校是一所独立学院，学生学习的基础薄弱，相当部分学生对学习没有兴趣。《微机原理与接口技术》（后简称《微机接口》）是计算机及电子信息类理工科的一门重要专业课。内容涵盖微机原理、嵌入式程序设计及微机接口技术，兼顾硬件和软件2个方面，该课程的特点是概念抽象，实践性强。实验教学对于学生理解该课程内容、培养学生动手能力有着至关重要的作用。
作为我系计算机硬件综合实验室的兼职管理人员和《微机接口》课程专职任课教师，通过多年的教学和管理工作，积累了大量《微机接口》实验教学的经验，并发现《微机接口》实验教学中存在的问题，主要包括以下几个方面。
1.实验受到实验环境与实验内容的制约
我系当前主要使用实验箱来进行《微机接口》实验。但传统实验箱上的芯片资源有限，且教学实验内容完全停留在8位接口芯片层面，与现在业界广泛使用的32位64位接口有所脱节，不具备进行多核处理器、多芯片组合的綜合型实验的条件。
《微机接口》实验内容也因芯片种类和实验台架构固定而不易调整，学生的实验灵活性受限，难以发挥学生的创新能力。
2.实验中硬件设计方面的内容有待增加
当前《微机接口》的实验内容重软轻硬，实验重点大都集中在汇编语言的编写上，学生自主设计电路的时间和机会较少，这样不利于对于学生硬件设计能力的培养。
3.缺乏对实验前预习的检查手段，学生学习积极性差
因为没有对于实验前预习的检查手段，大部分学生在实验前都不进行预习。导致在实验中，学生只会机械地按照实验指导书一步一步地做，而不关心实验目的和通过实验所掌握的知识。
当前《微机接口》实验的内容重点都集中在对于8086汇编语言的编写上，因8086汇编语言应用范围较窄且内容繁琐，大部分学生对于学习编写汇编语言程序并不感兴趣，因此学习的积极性不高。
三、基于新技术的微机接口实验教学探索
显然要解决上述《微机接口》实验教学中存在的问题，仅仅进行教学方法的改革是不够的，采用新技术势在必行。我们在教育部校企协同单位—北京时代行云科技有限公司的大力支持、协助下，针对我系2015级学生实施了如下的改革措施：
1.引入FPGA技术
以左冬红老师的《计算机组成原理与接口技术实验教程》为教学参考书，通过引入FPGA技术，借助其丰富的逻辑单元，用FPGA技术对微机接口实验平台进行改进，满足了设计复杂电路的需要。Xilinx公司的ISE和Vivado软件都是针对FPGA的集成开发软件，它们能够给用户提供一个从设计输入到综合、布线、仿真、下载的全套解决方案，其工作流程无须借助任何第三方电子设计自动化软件[1]。
ISE，Vivado等仿真软件的使用使得接口实验不再受限于时间、地点和固定设备。另外，通过简化以前芯片功能验证的实验，学生通过软件仿真可以很清楚的了解接口芯片和总线接口的工作时序，不用硬件连线便可以得到接口芯片各方式下的波形，从而缩短芯片功能验证实验的时间，将更多的时间用在接口芯片电路的设计上[2]。
2.采用C语言完成《微机接口》实验
C语言诞生于1972年，具有高效、灵活、功能丰富、表达力强和较高的移植性等特点，在程序员中备受青睐，是最近25年中使用最为广泛的编程语言。由于C语言在嵌入式编程中居于主导地位，掌握C语言嵌入式编程技术对学生将来就业有好处，因此在《微机接口》实验中主要采用C语言来进行编程，从而增加了学生学习的兴趣，也为“毕业设计”等课程打下基础。
3.使用智慧教学工具提升实验的效果和水平
“雨课堂”教学工具由清华大学在线教育办公室和学堂在线共同推出，是教育部在线教育研究中心的研究成果。“雨课堂”教学工具基于微信和PowerPoint 软件平台，教师可充分利用其兼具多屏互动、答疑弹幕、大数据分析等功能，覆盖课前、课上、课后的每一个环节，予以学生全新的课堂体验[3]。通过使用“雨课堂”教学工具大大提升了《微机接口》实验的教学效果和水平，实施的具体步骤如下：
1）通过“雨课堂”对学生实验的预习情况进行检查
首先制作《微机接口》实验预习课件，并为每一页课件录音进行讲解，最后发布到上课班级。然后，教师将生成的实验课程二维码和班级邀请码公布在“微机接口”教学网，以便学生加入班级进行学习。 学生首先在微信端关注“雨课堂”，在“微机接口”教学网选择将要进行的实验后，再通过班级邀请码进入到实验班进行实验预习。教师通过查看教师微信端所显示完成预习的学生数量、查看课件的学生数量、答题的正确率等统计数据，客观、实时地掌握学生的预习情况，并及时对教学做出调整[4]。
2）通过“雨课堂”进行互动式教学
教师开启雨课堂授课，学生除了像传统课堂可以看到课件投影外，还可以扫描屏幕二维码，将课件同步到微信，这样实验的一些操作视频、动画资源等就可以被很好地利用。开启弹幕功能后，学生就可以在微信中提问，教师可以根据学生反映的问题进行答疑。通过老师与学生、学生与学生之间的交流，实验的操作原理得到了更深层次的理解，学生也会在交流中思考和创新。
3）通过“雨课堂”快捷批改实验报告，提高教学效率
以往的微机实验结束后，教师需要进行布置实验报告、批改实验报告、登记实验成绩等一系列教学工作，而这些工作现在均可通过“雨课堂”来完成。实验完成后，教师只需要在实验班级发布一份实验报告模板即可。教师可以限定学生完成实验报告的时间，学生提交后会显示学生姓名、提交时间，教师批复后，每位学生的得分、教师的批复时间都会有相应的数据显示。学生在完成后还可以点击“懂”或“不懂”等选项对实验内容进行反馈，教师再根据学生的反馈情况通过微信推送相应的学习资料。学生可以利用课下任何片段时间来学习这些资料，实现了碎片化学习。
四、教学改革成效
实践证明，以上的教学改革方法在《微机接口》课程教学中是切实可行的，并收到了较好的教学效果。图3-1显示了教学改革前（2016-2017（2）学期，上图）与教学改革后（2017-2018（2）学期，下图）在试题难度不变的情况下《微机接口》课程学生成绩的情况：
如图所示，改革后学生成绩分布得到很大改善，具体来说：90分以上学生人数由占学生总数的8%上升到占9%，80分以上学生人数由占学生总数的20%上升到占25%，70分以上学生人数由占学生总数的22%上升到占28%，60分以上学生人数由占总数的37%下降到占31%，不及格学生人数由占总数的13%下降到占7%。说明通过改革，不及格及60多分的学生所占比例明显下降，而70分以上学生所占比例明显上升，改革收到了显著的成效。
四、结束语
随着各类新技术的不断出现、产学合作协同育人教学模式的不断推广，如何在传统的计算机课程中使用新技术无疑给计算机专业教师带来了新的挑战[5]。
实践证明，以上的教学改革方法在《微机接口》课程教学中是切实可行的，并收到了较好的教学效果。总之，在“互联网+”时代，新技术的不断发展为教育带来了新的变革和发展机遇，合理利用先进的新技术和新工具，必将使得计算机课程教学变得更加生机焕发、充满活力。
参考文献：
[1]左冬红.计算机组成原理与接口技术实验教程[M]. 北京：清华大学出版社，2014：1-40.
[2]廉玉欣，侯博雅，王猛，侯云鹏. 基于Xilinx Vivado 的數字逻辑实验教程[M]. 北京：电子工业出版社，2016：1-23.
[3]程义军，楼国红.基于微课翻转课堂的DSP 实验教学的研究[J]. 西部素质教育，2017，15：169-170.
[4]吕俏，张智. 雨课堂在大学物理实验教学中的应用[J]. 中国信息技术教育， 2017，05：96-98.
[5]刘君. “互联网+ 教育”背景下“雨课堂”的教学实践--以“计算机网络”课程教学为例[J]. 厦门城市职业学院学报，2017，19（1）：44-48.
作者简介：
杨志奇（1966-），男，辽宁沈阳人，天津大学仁爱学院计算机科学与技术系，计算机科学与技术教研室主任，副教授，研究方向为计算机应用、模式识别等。何颖（1984-），女，四川遂宁人，天津大学仁爱学院计算机科学与技术系，讲师，研究方向为计算机应用、图像处理等。李春阁（1981-），女，河北衡水人，天津大学仁爱学院计算机科学与技术系，讲师，研究方向为计算机应用、图像处理等。
基金项目：
课题名称：基于新技术的微机接口实验改革与实践；课题编号：201702150023；立项单位：教育部北京时代行云科技有限公司校企协同项目.