郭振鐸 楊艷

摘 要：傳統(tǒng)的教學(xué)以教師課堂講授、學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)為主，缺乏專業(yè)課程間知識(shí)體系的融會(huì)貫通。本研究以基本邏輯到電子計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的構(gòu)建為載體，通過(guò)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、教師指導(dǎo)、注重實(shí)踐等手段，完整實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：自主學(xué)習(xí);教學(xué)改革;電子計(jì)算機(jī)

在當(dāng)前國(guó)際形勢(shì)下，國(guó)家對(duì)科技自主的需求愈發(fā)迫切，而高校人才培養(yǎng)質(zhì)量與國(guó)家產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新的人才需求仍存在一定差距。國(guó)家教育主管部門(mén)主動(dòng)布局未來(lái)人才培養(yǎng)，提出了加強(qiáng)“新工科”建設(shè)、進(jìn)行高校工程專業(yè)認(rèn)證等系列舉措，以改造升級(jí)傳統(tǒng)工科專業(yè)，加快培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才。教育部教高廳函〔2017〕33號(hào)和教高廳函〔2018〕17號(hào)等文件對(duì)此進(jìn)行了專門(mén)部署。此背景下，怎樣改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，成為一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。作為一名地方高校電子信息工程專業(yè)教師，筆者做了一些研究和實(shí)踐，取得了一定的成效。

一、當(dāng)前教學(xué)中普遍存在的一些問(wèn)題

傳統(tǒng)教學(xué)以教師課堂講授為主，作業(yè)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)缺乏深度和課程間的交叉綜合，學(xué)生缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的熱情。以筆者所在的電子信息工程專業(yè)為例，學(xué)生不僅需要學(xué)習(xí)與電子系統(tǒng)硬件相關(guān)的模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等課程，還需要學(xué)習(xí)與軟件相關(guān)的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)和軟硬件相關(guān)的微機(jī)原理與應(yīng)用等課程。雖然每門(mén)課程既自成體系又有內(nèi)在聯(lián)系，但課程設(shè)置存在著課程知識(shí)條塊分割、對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)不足等弊端。學(xué)生缺乏將課程聯(lián)系并綜合應(yīng)用的具體感性認(rèn)知，缺乏融會(huì)貫通并付諸實(shí)踐的能力，即大概明白原理，但實(shí)際開(kāi)發(fā)時(shí)卻無(wú)從下手。

針對(duì)學(xué)生缺乏硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程的綜合實(shí)踐等專業(yè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)很多高校的教師進(jìn)行了有益的探索。比如，河南科技大學(xué)教師史敬灼等在《電氣專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)創(chuàng)新教學(xué)模式改革》一文中提出，將“傳統(tǒng)的對(duì)應(yīng)于一門(mén)課程的課程設(shè)計(jì)，改變?yōu)閷?duì)應(yīng)于幾門(mén)相關(guān)課程的綜合課程設(shè)計(jì)”，使學(xué)生通過(guò)實(shí)踐將幾門(mén)課程的知識(shí)融會(huì)貫通，更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。國(guó)外高校在這方面有較早的探索和成熟經(jīng)驗(yàn)，特別是對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)方面。

作為一名普通專業(yè)課教師，筆者在借鑒以色列希伯來(lái)大學(xué)等國(guó)外高校優(yōu)質(zhì)方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)從教專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)及學(xué)生現(xiàn)狀，結(jié)合培養(yǎng)目標(biāo)，以學(xué)生自主實(shí)踐項(xiàng)目為載體，在中原工學(xué)院2018級(jí)電子信息類部分本科生中進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐。

二、教學(xué)改革的思路和目標(biāo)

計(jì)算機(jī)的硬件核心由CPU、內(nèi)存等半導(dǎo)體芯片組成，基本門(mén)電路是構(gòu)成計(jì)算機(jī)半導(dǎo)體芯片的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。眾所周知，人類通過(guò)以電子技術(shù)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的方式是抽象思想利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫(xiě)程序，通過(guò)編譯器翻譯為機(jī)器代碼，在硬件平臺(tái)上運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能的過(guò)程。這是一個(gè)逐層抽象和封裝的過(guò)程。本教學(xué)項(xiàng)目借鑒人類利用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題過(guò)程中層層抽象封裝（從簡(jiǎn)單組合復(fù)雜，封裝復(fù)雜抽象到簡(jiǎn)單）的思想，從頂層方案設(shè)計(jì)開(kāi)始，通過(guò)模塊分解、底層細(xì)化、中間組合，最后實(shí)現(xiàn)整體;具體地以學(xué)科內(nèi)在邏輯聯(lián)系為基礎(chǔ)，融合多門(mén)專業(yè)課程，構(gòu)建邏輯上可實(shí)現(xiàn)、軟件上可仿真運(yùn)行的電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過(guò)程中重新定義教師與學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中的角色任務(wù)。學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)需求在課外查閱資料、閱讀專業(yè)文獻(xiàn)，進(jìn)行小組討論，自主探索。教師在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中以原理性、啟發(fā)性討論為主，避免傳統(tǒng)教學(xué)的“滿堂灌”。本教學(xué)改革項(xiàng)目的目標(biāo)是以上述綜合性項(xiàng)目實(shí)踐為載體，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力和英語(yǔ)專業(yè)文獻(xiàn)學(xué)習(xí)能力等的培養(yǎng)。

三、教學(xué)改革的項(xiàng)目實(shí)施內(nèi)容

本教學(xué)改革項(xiàng)目以總體方案逐層分解、由淺入深模塊化設(shè)計(jì)、逐層封裝測(cè)試構(gòu)建整體為基礎(chǔ)，以簡(jiǎn)化的硬件描述語(yǔ)言為工具，根據(jù)最基本的布爾邏輯和門(mén)電路知識(shí)，從與非門(mén)電路開(kāi)始，由簡(jiǎn)到繁分模塊設(shè)計(jì)、模塊逐步抽象封裝到頂層實(shí)現(xiàn)，完整構(gòu)建電子計(jì)算機(jī)硬件體系，并實(shí)現(xiàn)功能仿真。每個(gè)設(shè)計(jì)模塊為期兩周。

指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)整體方案設(shè)計(jì)、任務(wù)模塊劃分、定義模塊間接口信號(hào)并封裝接口信息，以降低設(shè)計(jì)難度。教師講述的內(nèi)容僅限于設(shè)計(jì)背景和相關(guān)原理，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)專業(yè)知識(shí)分析設(shè)計(jì)任務(wù)，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，根據(jù)教師提供的英文芯片電路技術(shù)手冊(cè)等資料，自主探索構(gòu)建電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各模塊方案的實(shí)現(xiàn)。

（一）根據(jù)布爾邏輯構(gòu)建基礎(chǔ)電路

學(xué)生在電路、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)課程中學(xué)習(xí)過(guò)門(mén)電路的基本原理和特性。本環(huán)節(jié)以1位與非門(mén)為已知條件，首先構(gòu)建1位非門(mén)、與門(mén)、或門(mén)、異或門(mén)、分配器和選擇器。其次利用1位基本門(mén)電路構(gòu)建16位與門(mén)、或門(mén)、非門(mén)。最后利用前述設(shè)計(jì)構(gòu)建16位4路和8路選擇器和多路選擇器等設(shè)計(jì)CPU時(shí)必需的選擇器和分配器等系統(tǒng)基礎(chǔ)模塊，加深學(xué)生對(duì)模電和數(shù)電綜合運(yùn)用的理解。

（二）從布爾算術(shù)和基本邏輯電路構(gòu)建ALU

教師可以根據(jù)C語(yǔ)言、數(shù)字電子技術(shù)和微機(jī)原理課程中講授的二進(jìn)制基礎(chǔ)、二進(jìn)制運(yùn)算、數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示等內(nèi)容，分解設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生逐步實(shí)現(xiàn)半加器、全加器、16位加法器、16位程序計(jì)數(shù)器PC和CPU的核心算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU的設(shè)計(jì)。各模塊的設(shè)計(jì)由淺入深，完成逐個(gè)實(shí)現(xiàn)、組合封裝的步驟。需要注意的是，此環(huán)節(jié)程序計(jì)數(shù)器和狀態(tài)檢測(cè)寄存器對(duì)學(xué)生略有難度。

（三）設(shè)計(jì)存儲(chǔ)電路和PC設(shè)計(jì)

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)以內(nèi)存為核心。存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目另外一個(gè)重要內(nèi)容。根據(jù)數(shù)字電子技術(shù)中的時(shí)序邏輯電路、觸發(fā)器、寄存器等基本概念和微型計(jì)算機(jī)原理課程中存儲(chǔ)器的基本原理，本項(xiàng)目按照難易程度依次設(shè)計(jì)1位寄存器、16位寄存器、8單元RAM、64單元RAM、512單元RAM、4K單元存儲(chǔ)、16K單元存儲(chǔ)邏輯，16位的PC（程序計(jì)數(shù)器）電路。

（四）構(gòu)建計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)相關(guān)課程中的馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)基本原理，設(shè)計(jì)構(gòu)建存儲(chǔ)器（指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）、CPU、程序計(jì)數(shù)器PC等模塊，實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算單元的有機(jī)構(gòu)建，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（五）從機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言到匯編器

從前述任務(wù)設(shè)計(jì)的硬件單元抽象出若干條機(jī)器語(yǔ)言基本指令、引導(dǎo)學(xué)生借助助記符推導(dǎo)出本系統(tǒng)自定義的匯編語(yǔ)言指令集。匯編指令可以實(shí)現(xiàn)基本的算術(shù)運(yùn)算和簡(jiǎn)單圖形繪制程序設(shè)計(jì)。

教師指導(dǎo)學(xué)生完成基于本系統(tǒng)自定義指令集的簡(jiǎn)單匯編器實(shí)現(xiàn)。編程基礎(chǔ)較薄弱的學(xué)生根據(jù)指令編碼格式人工翻譯編寫(xiě)的程序，程度較好的學(xué)生寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的匯編器，通過(guò)匯編翻譯成為機(jī)器指令。

四、教學(xué)運(yùn)行效果

大部分學(xué)生完成了全部項(xiàng)目任務(wù)。課程采用過(guò)程與答辯相結(jié)合的考核方式。最終成績(jī)構(gòu)成：學(xué)生自評(píng)占10%、組內(nèi)互評(píng)占20%、教師評(píng)價(jià)占40%、項(xiàng)目總結(jié)答辯占30%。

學(xué)生表示，從指令集的定義與程序測(cè)試及硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，較為深刻地理解了指令編譯的過(guò)程及軟硬件相互工作的實(shí)質(zhì)，在自主學(xué)習(xí)、相互討論、解決問(wèn)題中提高了學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮了主觀能動(dòng)性，激發(fā)了創(chuàng)新意識(shí)，增強(qiáng)了解決實(shí)際工程問(wèn)題的信心。

本教學(xué)實(shí)踐以現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為載體，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、發(fā)揮創(chuàng)造性，逐步構(gòu)建硬件平臺(tái)和相關(guān)程序，從而掌握關(guān)于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件體系結(jié)構(gòu)、編程語(yǔ)言、軟硬件協(xié)同的框架性基礎(chǔ)知識(shí)，解決學(xué)生缺乏硬件設(shè)計(jì)和軟件編程實(shí)踐的問(wèn)題，提高其自主解決工程問(wèn)題的能力。實(shí)際教學(xué)效果表明，本教學(xué)改革項(xiàng)目有助于激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情、工程思維和創(chuàng)新潛能，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力的目標(biāo)。

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責(zé)編：紅 茶