面向卓越工程師的微機(jī)原理教學(xué)改革探討

1、    面向卓越工程師的“微機(jī)原理”教學(xué)改革探討    馬立平范巖摘 要針對“卓越計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)工程師”專業(yè)“微機(jī)原理”課程的教學(xué)內(nèi)容多、知識點(diǎn)零散、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性低、實(shí)踐教學(xué)薄弱等問題，提出在課程教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考試方式等方面進(jìn)行改革，著眼于課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課外科技創(chuàng)新實(shí)踐與企業(yè)實(shí)訓(xùn)四個(gè)課堂的有機(jī)結(jié)合，注重培養(yǎng)學(xué)生的人性化發(fā)展和自主學(xué)習(xí)，以面向應(yīng)用和企業(yè)需求的工程師為目標(biāo)加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，以學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新意識為主線構(gòu)建課程的教學(xué)內(nèi)容，以“應(yīng)用”為主導(dǎo)選擇課程的教學(xué)方法。通過在“微機(jī)原理”課程教學(xué)中科學(xué)合理地進(jìn)行教學(xué)改革實(shí)踐，不僅能夠提高

2、學(xué)生學(xué)習(xí)這門課的興趣和熱情，而且對學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是一個(gè)有益的嘗試，也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，更深層次的挖掘?qū)W生才能，使學(xué)生能夠全面均衡的發(fā)展。關(guān)鍵詞卓越工程師；微機(jī)原理；教學(xué)改革；教學(xué)方法 g642 a 2095-3437（2016）07-0094-03“卓越計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)工程師”（以下簡稱為“卓越計(jì)科工程師”）專業(yè)是西南科技大學(xué)省級“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”試點(diǎn)專業(yè)之一，旨在培養(yǎng)具有系統(tǒng)的理論、工程技術(shù)基礎(chǔ)、良好的職業(yè)素養(yǎng)以及科技創(chuàng)新精神的工程師人才。培養(yǎng)模式采用“3+1”培養(yǎng)模式（三年在學(xué)校進(jìn)行學(xué)習(xí)，最后一年在企業(yè)進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)），著重培養(yǎng)學(xué)生的個(gè)性發(fā)展以及實(shí)踐和創(chuàng)新意識，更深層次的

3、挖掘?qū)W生才能，使學(xué)生能夠全面均衡的發(fā)展，培養(yǎng)滿足企業(yè)需求的工程師。“微機(jī)原理”課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要介紹微型計(jì)算機(jī)的基本概念、基本工作原理及接口技術(shù)。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠從應(yīng)用的角度出發(fā)，在理論和實(shí)踐上掌握微型計(jì)算機(jī)的基本組成、工作原理及常用接口技術(shù)；初步掌握匯編語言程序設(shè)計(jì)的基本方法和上機(jī)調(diào)試過程；建立微機(jī)整體概念，具備利用微機(jī)進(jìn)行硬、軟件開發(fā)的初步能力。1一、微機(jī)原理課程教學(xué)中存在的問題經(jīng)過多年的微機(jī)原理課程教學(xué)，筆者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生對“微機(jī)原理”課程的學(xué)習(xí)積極性差，教學(xué)效果不好，學(xué)生反映課程內(nèi)容比較抽象難以理解，學(xué)起來枯燥缺乏興趣，實(shí)驗(yàn)形式單一、方法單調(diào)

4、，因而對課程的學(xué)習(xí)興趣大大降低。2 3其存在的問題主要有以下幾點(diǎn)。（一）學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性低首先，“微機(jī)原理”課程教學(xué)內(nèi)容綜合了微型計(jì)算機(jī)軟、硬件的理論知識，要求學(xué)生既要掌握扎實(shí)的計(jì)算機(jī)硬件理論知識，又要有良好的面向機(jī)器語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的能力。這對于大多數(shù)沒有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，特別是基礎(chǔ)又不扎實(shí)的學(xué)生而言，就會覺得這門課程內(nèi)容很抽象、難懂，因而導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣下降，學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性低。其次，課程內(nèi)容多，知識點(diǎn)比較散亂，班級容量大（大班教學(xué)），教學(xué)主要以“老師講”為主，學(xué)生參與互動(dòng)、討論少。（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)不合理課程以理論教學(xué)為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排內(nèi)容比較少，并且在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)上主要安排驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。這使得學(xué)

5、生不用自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)控制電路和控制程度，阻礙了學(xué)生發(fā)散思維。同時(shí)，學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)只是走過場，不用自己動(dòng)腦，時(shí)間長了就會使學(xué)生產(chǎn)生惰性。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)起不到融合、驗(yàn)證和鞏固理論知識的目的。（三）考核方式不合理該課程的考核包括理論和實(shí)驗(yàn)兩部分，理論成績由平時(shí)成績、期末考試成績按不同比例構(gòu)成。期末考試成績占總成績的70%，實(shí)驗(yàn)成績占總成績的20%，平時(shí)成績只占總成績的 10%。因此導(dǎo)致教學(xué)過程管理薄弱，對教學(xué)過程考核檢查不足，學(xué)生只重視期末考試成績，其結(jié)果是對以后課程的學(xué)習(xí)和企業(yè)實(shí)訓(xùn)起不到鋪墊作用。二、教學(xué)改革方案科學(xué)合理的課程教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考試方式對于“卓越計(jì)科工程師”專業(yè)的學(xué)生掌握微

6、機(jī)原理具有十分重要的意義。面向“卓越計(jì)科工程師”專業(yè)的“微機(jī)原理”課程的教學(xué)方案應(yīng)著眼于四個(gè)課堂的有機(jī)結(jié)合，落腳點(diǎn)為課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課外科技創(chuàng)新實(shí)踐與企業(yè)實(shí)訓(xùn)，注重培養(yǎng)學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展和自主學(xué)習(xí)。同時(shí)，以培養(yǎng)滿足企業(yè)需求的工程師為目標(biāo)，以學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新意識為主線構(gòu)建課程的教學(xué)內(nèi)容，以“應(yīng)用”為主導(dǎo)選擇課程的教學(xué)方法。（一）以學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新意識為主線構(gòu)建課程的教學(xué)內(nèi)容第一次課進(jìn)行學(xué)前動(dòng)員，不立刻講授課程的內(nèi)容，而是對課程作整體性、概括性的介紹，使學(xué)生明白課程的重要性及特點(diǎn)，讓學(xué)生明白學(xué)習(xí)本課程對于熟悉和掌握現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本概念和技術(shù)以及學(xué)習(xí)后續(xù)相關(guān)課程均具有重要意義。這樣做能有的放矢，激發(fā)學(xué)

7、生學(xué)習(xí)的動(dòng)力。第一次課后，學(xué)生就會以主動(dòng)和比較輕松的心態(tài)來學(xué)習(xí)后續(xù)章節(jié)的內(nèi)容?！拔C(jī)原理”的基本理論與核心接口技術(shù)是課程重點(diǎn)講授的內(nèi)容，同時(shí)適當(dāng)引入現(xiàn)代高性能和多核微處理器的先進(jìn)技術(shù)及典型結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)實(shí)中存在多種類型的微型計(jì)算機(jī)，但不論是哪種微機(jī)，都包含微處理器、存儲器、并行/串行接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器電路、a / d與d / a轉(zhuǎn)換電路等幾大模塊，其對應(yīng)的章節(jié)包括計(jì)算機(jī)的基本組成及工作過程、微處理器結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、匯編語言程序設(shè)計(jì)、存儲器、輸入與輸出、可編程i / o接口電路、a / d與d / a轉(zhuǎn)換電路、總線及常見總線標(biāo)準(zhǔn)和高性能微處理器的先進(jìn)技術(shù)及典型結(jié)構(gòu)等。對于這些章節(jié)，重點(diǎn)講授計(jì)算機(jī)的基

8、本組成及工作過程、微處理器結(jié)構(gòu)、存儲器、接口技術(shù)。在學(xué)習(xí)各個(gè)知識點(diǎn)時(shí)，既要強(qiáng)調(diào)其是“基本理論”，又要要求進(jìn)行“實(shí)踐”。“卓越計(jì)科工程師”專業(yè)在進(jìn)校的第三學(xué)期開設(shè)“數(shù)字電路和模擬電路”課程，學(xué)生對微型計(jì)算機(jī)硬件電路組成已有初步了解。在講授“微機(jī)原理”的過程中，結(jié)合“數(shù)字電路和模擬電路”來講解，能使學(xué)生對微機(jī)原理有一個(gè)感性認(rèn)識，也加深對微型計(jì)算機(jī)組成原理的理解。如硬布線控制器原理，主要由環(huán)形脈沖發(fā)生器、指令譯碼器和微命令編碼器組成，學(xué)生很難理解它的實(shí)質(zhì)。這時(shí)就可以將硬布線控制器中的電路原理直觀地展現(xiàn)給學(xué)生，方便學(xué)生理解記憶。在講授微機(jī)基本原理和接口技術(shù)的同時(shí)，適當(dāng)引入一些目前應(yīng)用的新理論和新技術(shù)，

9、讓學(xué)生了解微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展最新趨勢，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。如講存儲器時(shí)，可加入虛擬存儲技術(shù)和云存儲等新技術(shù)。 （二）以培養(yǎng)滿足企業(yè)需求的工程師為目標(biāo)加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)從教學(xué)課時(shí)和教學(xué)內(nèi)容上加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)。“微機(jī)原理”除了一些基本原理外，主要介紹各種接口技術(shù)，而這些接口技術(shù)在理論課中只抽象地介紹接口的工作原理，因而必須通過實(shí)踐，讓學(xué)生來設(shè)計(jì)接口電路，編寫接口程序，少講多實(shí)踐，以此加深對微機(jī)接口技術(shù)的理解。具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有微機(jī)仿真開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用、模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換、鍵盤顯示器接口、微機(jī)串行口通信、pci設(shè)備操作、可編程并行接口、可編程定時(shí) / 計(jì)數(shù)器與中斷控制和基于微機(jī)的串行口通信8個(gè)單元實(shí)驗(yàn)，以及1個(gè)基于

10、微機(jī)或單片機(jī)系統(tǒng)的自選題目的綜合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多，需增加教學(xué)的學(xué)時(shí)。微機(jī)原理實(shí)踐教學(xué)平臺可以有多種，包括固定結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)箱、軟件仿真實(shí)驗(yàn)、基于fpga的在線實(shí)驗(yàn)和基于e-lab的硬仿真軟件。4其中基于fpga的在線實(shí)驗(yàn)和e-lab的硬仿真軟件實(shí)踐教學(xué)模式充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，同時(shí)也保留了傳統(tǒng)固定結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)箱模式的優(yōu)點(diǎn)，可為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供實(shí)踐平臺，為“卓越計(jì)科工程師”專業(yè)學(xué)生設(shè)計(jì)多層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。第一層次的實(shí)驗(yàn)主要為基礎(chǔ)單元實(shí)驗(yàn)，主要包括：數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換接口實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖巧罨瘮?shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的基本原理和接口方法、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片（adc0809、dac0832）的工作性能，掌握模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換的

11、編程方法；鍵盤顯示器接口實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖钦莆真I盤顯示接口芯片8279與單片機(jī)的硬件連接方法、8279的編程方法，以及單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的使用方法；微機(jī)串行口通信實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖巧罨惒酱型ㄓ嵉幕驹恚莆沼梦C(jī)串行口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)異步串行通信的方法，掌握串行接口芯片8251的工作原理和使用方法；pci設(shè)備操作實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖橇私鈖ci設(shè)備的工作原理和自動(dòng)配置過程，掌握pci bios的使用方法，熟悉自行開發(fā)的pci實(shí)驗(yàn)接口卡的使用，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)；可編程并行接口實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖巧罨⑿薪涌诘幕驹砗蛯?shí)現(xiàn)方法，掌握并行接口芯片8255工作原理和使用方法；可編程定時(shí) / 計(jì)數(shù)器與中斷控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)

12、驗(yàn)?zāi)康氖巧罨痯c機(jī)中斷系統(tǒng)的基本原理，學(xué)會編寫中斷服務(wù)程序，掌握定時(shí) / 計(jì)數(shù)器芯片8253的基本工作原理和使用方法。第二層次的實(shí)驗(yàn)是系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)，通過學(xué)生自己動(dòng)手，建立微機(jī)系統(tǒng)整體概念，訓(xùn)練系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，如基于實(shí)驗(yàn)平臺，自行完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（參考項(xiàng)目名稱：電子琴、步進(jìn)電機(jī)控制、溫度控制系統(tǒng)、數(shù)字錄音機(jī)、電子游戲等）。第三層次的實(shí)驗(yàn)是基于微型計(jì)算機(jī)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。上面的前兩個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)面向所有學(xué)生，最后一個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)主要針對創(chuàng)新和實(shí)踐能力較強(qiáng)的學(xué)生設(shè)置。（三）以“應(yīng)用”為主導(dǎo)選擇課程的教學(xué)方法1.角色變換與混合式教學(xué)方法相結(jié)合。首先，教師要完成從“以教師為中心”的傳統(tǒng)教學(xué)觀念轉(zhuǎn)

13、變到“以學(xué)生為中心”的新觀念。其次，教師要完成角色的變換，從以講臺為主的角色轉(zhuǎn)變?yōu)橹笇?dǎo)為主的角色，教師在課程教學(xué)過程中主要發(fā)揮討論、評價(jià)、導(dǎo)論的作用，對學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行指導(dǎo)、互動(dòng)和示范，當(dāng)好學(xué)生的課程學(xué)習(xí)服務(wù)員。再次，最重要的是要變革課堂教學(xué)方式，利用基于mooc開放課程資源和翻轉(zhuǎn)式 / 混合式教學(xué)模式提高課程教學(xué)效果?；趍ooc開放課程資源和翻轉(zhuǎn)式 / 混合式教學(xué)模式的核心是讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主人，學(xué)生除了課堂時(shí)間外，還可以利用個(gè)性化時(shí)間和碎片時(shí)間進(jìn)行課程學(xué)習(xí)。同時(shí)，學(xué)生自學(xué)、相互學(xué)習(xí)、師生互動(dòng)、學(xué)生與學(xué)生互動(dòng)及教師指導(dǎo)成為重要的學(xué)習(xí)方法。5 62.學(xué)生以小組形式進(jìn)行學(xué)習(xí)?！白吭接?jì)科工程師”專

14、業(yè)培養(yǎng)具有扎實(shí)的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)理論基礎(chǔ)，系統(tǒng)熟練地掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科專門知識及基本技能，并具備團(tuán)隊(duì)協(xié)作和有效交流能力、優(yōu)秀的科學(xué)文化素質(zhì)及創(chuàng)新實(shí)踐能力，能從事軟硬件工程技術(shù)研制、設(shè)計(jì)、開發(fā)、管理、服務(wù)等工作的應(yīng)用型、復(fù)合型的高級技術(shù)人才。由于軟硬件開發(fā)和管理是一項(xiàng)復(fù)雜性系統(tǒng)工作，這就要求開發(fā)和管理人員具備很強(qiáng)的創(chuàng)新實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、自學(xué)能力以及組織協(xié)調(diào)能力。學(xué)生以學(xué)習(xí)小組形式進(jìn)行學(xué)習(xí)可以很好訓(xùn)練學(xué)生的這些能力。把班級學(xué)生按照性別比例、性格特長、宿舍、成績、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力等均衡合理劃分各學(xué)習(xí)小組（3到5人為一組較為合適）。在課堂上，主要以小組為單位進(jìn)行討論、提問，同樣在實(shí)驗(yàn)及課后作業(yè)

15、或基于mooc開放課程資源學(xué)習(xí)等上也還是主要以小組為單位，在課程結(jié)束后以小組為單位進(jìn)行課程考核。為了能讓小組的每一個(gè)成員有機(jī)會得到能力的鍛煉，在進(jìn)行提問、討論、實(shí)驗(yàn)等教學(xué)過程中小組成員必須輪換闡述本小組學(xué)習(xí)成果及觀點(diǎn)。這樣的學(xué)習(xí)方法會使那些學(xué)差生在小組其他學(xué)生的幫助下變得主動(dòng)學(xué)習(xí)。（四）以考核學(xué)生創(chuàng)新能力為原則突出項(xiàng)目實(shí)踐成績現(xiàn)有的考核方式（期末考試成績占總成績的70%，實(shí)驗(yàn)成績占總成績的20%，平時(shí)成績只占總成績的10%）忽視了課程教學(xué)過程的重要性，只重視課程基本理論教學(xué)，輕視教學(xué)實(shí)踐，重視知識概念的記憶，輕視創(chuàng)新實(shí)踐能力。因此對于“卓越計(jì)科工程師”專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)來說，應(yīng)建立以學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能

16、力為導(dǎo)向，以注重學(xué)生能力考核為主的考核方案，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作、有效交流、創(chuàng)新、實(shí)踐等能力?？蓪⒖己顺煽冎衅綍r(shí)成績占總評比例的10%增加至30%，其中平時(shí)成績主要由課堂參與小組討論、回答問題、參與課堂互動(dòng)、課堂作業(yè)、出勤、階段性大作業(yè)情況等共同構(gòu)成，降低期末考試比例，并且在期末試卷中增加主觀題的考查內(nèi)容。同時(shí)，在實(shí)踐考核中，不能僅僅以實(shí)驗(yàn)結(jié)果來判斷學(xué)生實(shí)踐成績，而是應(yīng)該注重考核學(xué)生分析問題、解決問題的能力，突出項(xiàng)目實(shí)踐成績。（五）鍛煉學(xué)生社會適應(yīng)性能力和培養(yǎng)自學(xué)能力科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，競爭日益激烈，人們要跟上不斷發(fā)展變化的社會，就需要自學(xué)。就“微機(jī)原理”課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)要求來說，相

17、對中學(xué)課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)比較靈活，發(fā)揮的空間大。因此，課程教學(xué)過程中應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生自學(xué)與課程相關(guān)和感興趣的知識，這對于提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和專業(yè)技術(shù)能力是非常有幫助的。首先，教師在專業(yè)課程的教學(xué)中讓學(xué)生意識到自學(xué)的關(guān)鍵性。其次，結(jié)合mooc開放課程資源，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)本課程或相關(guān)課程知識點(diǎn)，布置適量課后作業(yè)或課后論文，讓學(xué)生自主完成。最后，教師要檢查學(xué)生課程的自學(xué)情況。檢查形式可多樣，如組織討論、qq群互動(dòng)或開報(bào)告會等，鼓勵(lì)學(xué)生闡述通過自學(xué)所得，以此進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的自學(xué)熱情。在“微機(jī)原理”課程中，從教學(xué)計(jì)劃的制訂，到使用靈活的教學(xué)方法，科學(xué)合理地進(jìn)行教學(xué)改革實(shí)踐，不僅能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)這門課的興趣和熱情，而且對學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是一個(gè)有益的嘗試。同時(shí)，也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，更深層次的挖掘?qū)W生才能，使學(xué)生能夠全面均衡的發(fā)展。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，“微機(jī)原理”課程教學(xué)改革的探索還在繼續(xù)。只有尋求更科學(xué)合理的教學(xué)改革方案，才能夠有效的提高教學(xué)質(zhì)量，以達(dá)到“卓越計(jì)科工程師”人才培養(yǎng)的目的。 注 釋 1 侯利娟.微機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)方法改革初探j(luò).教育教學(xué)研究，2011（12）：120-121.2 李