陳應松 尹宇芳 曾 鳳 宋 強 張慧潔 禹 瑋

（成都工業(yè)學院自動化與電氣學院 成都 611730）

0 引言

《微機原理與接口技術》是工科專業(yè)本科生的一門重要的專業(yè)基礎課程，是軟硬件結合，綜合性、實踐性都很強的課程。通過該課程的學習使學生掌握微型計算機的基本工作原理，培養(yǎng)學生利用匯編語言進行底層編程的意識和使用合適的微處理器進行系統(tǒng)開發(fā)的能力。課程的知識點多而繁雜，應用性廣，在傳統(tǒng)教學模式下，學生感覺該課程枯燥難懂，難以建立整體性、系統(tǒng)性的概念，學習積極性受到打擊，沒有自信導致學習內在動力不足；同時學業(yè)考核方法不夠全面，難以提供及時準確的學習效果反饋，學生的問題不斷堆積，最終該課程的教學效果一直不太理想。因此，為了提高《微機原理與接口技術》的教學質量和效果，激發(fā)學生學習內驅力，提升學習該課程的積極性，有必要對該課程進行改革，將新的教學模式引入到微機原理課程教學中。

1 課程建設面臨的問題

在學習《微機原理與接口技術》這門課程之前，學生對計算機的認識還停留在應用軟件的學習使用上，對計算機的組成、數(shù)字邏輯器件的了解很少。通過這門課程將學生對計算機的認識由應用軟件和高級語言編程帶入到對計算機主要組成硬件的認識和應用上來，使學生能夠掌握計算機的基本概念和運行機制，理解信息輸入、指令執(zhí)行、數(shù)據(jù)處理以及控制信號輸出的整個過程。在課程教學中存在著以下三個主要原因，制約課程的教學效果和學生的培養(yǎng)質量。

1.1 雷同的培養(yǎng)目標

《微機原理與接口技術》的培養(yǎng)目標同《單片機技術應用》等課程有較大重合，雖然分別針對通用計算機系統(tǒng)和專用計算機系統(tǒng)，但是兩門課程在內容范圍、知識結構、培養(yǎng)目標等方面都十分相似?；?086CPU的微機原理與89C51的單片機系統(tǒng)、STM32的嵌入式系統(tǒng)課程相比顯得毫無競爭力，畢竟現(xiàn)代微機系統(tǒng)中需要使用匯編程序設計或混合編程的場合微乎其微，也很難找到微機課程中接口芯片的應用。而其他兩種系統(tǒng)中單獨運行的程序均可以使用匯編或混合編程，接口電路設計也有實際應用作支撐，這成為很多高校都逐漸舍棄8086CPU的微機原理課程教學。

1.2 知識體系落后

隨著新技術的不斷涌現(xiàn)和新設備的逐步推廣，現(xiàn)代微機實體與當前微機原理課程知識體系間還是有巨大的鴻溝。在學生眼里，課上講解的微機模型和學習生活中使用的微機幾乎沒有關聯(lián)，學習的是一些過時落伍的知識，自然也就無法產生學習熱情，不能激發(fā)學生的學習主動性。

1.3 考核方式單一

同時傳統(tǒng)的考核方式學業(yè)考核方法不夠全面，常采取的是“出勤+作業(yè)+期末考試+實驗成績”的評價機制，這種考核方式存在一定的問題：出勤方面，很多同學“身在曹營心在漢”，存在大量的低頭族。作業(yè)方面，僅依據(jù)學生作業(yè)的正確率，教師很難準確判斷每個學生的知識掌握情況，難以提供及時準確的學習效果反饋。期末考試受考試時長限制，考核內容主要是通用基礎知識和綜合性較低的題目，無法反映學生對教學內容的掌握深度，導致學生的成績區(qū)分度很低。實驗方面，課程開始的多是驗證性實驗，綜合性和設計性實驗較少，不利于應用型本科對于創(chuàng)新應用人才的培養(yǎng)。

綜上三個教學問題造成很多學生在學完本課程后，只懂了基本的理論知識和一些獨立的部件，缺乏微機系統(tǒng)設計能力。研究設計有針對性的解決方案，提高學生的內在動力，激發(fā)學生學習的積極性等，對微機原理課程進行改革和實踐，形成以學生為中心的“新工科”工程教育模式。

2 課程改革的具體舉措

2.1 整合教學內容

在計算機技術飛速發(fā)展的今天，到底講授哪一款CPU都存在“過時”的問題。作者認為，無論采用何種CPU為主講授，微機原理課程的教學目標就是了解基本的計算機結構，通過匯編編程理解微機系統(tǒng)如何工作。總所周知，當前通用微機系統(tǒng)從8086到目前的i5、i7，全部支持8086的運行模式，即8086實模式，所有PC機一上電工作都和當初的8086機器一樣，先引導到8086實模式，再經過操作系統(tǒng)引導，CPU才會轉換到8086不具備的保護模式。因此8086開展教學有很大的合理性，按照循序漸進的教學原則讓學生掌握基本原理，培養(yǎng)基本能力，在此基礎上，學生可以在課后再延續(xù)學習掌握現(xiàn)代微機知識。同時學習了8086系統(tǒng)架構，能夠舉一反三，相對較容易理解89C51、STM32等專用微機系統(tǒng)。

（1）緊跟新知識、前沿技術

日新月異的計算機技術，要求我們隨時要調整授課內容，在保留核心教學內容的基礎上，將新知識、新技術不斷納入授課體系中，將新技術和傳統(tǒng)內容進行再組織，依據(jù)現(xiàn)代微機結構組織章節(jié)內容。例如在介紹微型計算機系統(tǒng)時，講授計算機技術指標、計算機基準測試、圖靈機結構與原理、馮·諾依曼計算機結構和現(xiàn)代微機系統(tǒng)的組成。介紹微處理器編程結構時，講授8086編程結構、Pentium和Core Duo的編程結構、講授指令流水線、分支預測和Core Duo的并行處理。在分析和討論數(shù)據(jù)存儲技術時，介紹存儲器設計與微機存儲組織，包括現(xiàn)代微機的存儲系統(tǒng)、高速緩存的結構與原理、閃存結構與設計技術及存儲設備常用接口?？傊?，在講授基礎知識的同時，著重向學生介紹微機發(fā)展的新技術、新進展，提高知識的時效性，從多個層面充分激發(fā)學生對課程的興趣，補齊傳統(tǒng)知識體系在現(xiàn)代微機技術方面的短板，讓學生在理論層面認知上建立起與現(xiàn)代微機相符的知識模型。

（2）整體系統(tǒng)加案例安排教學內容

目前課程教學采用分散式教學方式，簡單介紹微機系統(tǒng)概念后就分章節(jié)介紹微處理器、存儲器、輸入輸出、接口技術等知識。這樣組織教學內容使學生感到各章節(jié)內容分散，無法形成整體概念，學后不知道微機系統(tǒng)如何工作，阻礙了學生整體設計能力的發(fā)揮。因此在指定教學內容的時候，注意對教學內容進行整體性的設計，以8086CPU模塊工作為核心，以總線為主線，將繁雜、零散的內容串聯(lián)成一個整體。教師選取既典型又不復雜的實例，貫穿課堂教學的每一個環(huán)節(jié)，通過案例引入新知識，融會貫通知識點；圍繞實例的開發(fā)過程作為框架，將實例劃分為具體的、細化的模塊，這樣有利于學生對整個系統(tǒng)的理解。如表1所示所選實例的教學內容的解構與重構。這些課程實例將相關的各個知識點串聯(lián)起來，學生更加容易理解和接受，提高了學習效率。

表1 案例的教學內容的解構與重構Table 1 Deconstruction and reconstruction of case teaching content

在傳統(tǒng)的接口技術教學中，是按內部結構、引腳、原理、使用方法和使用實例等順序介紹，此方式對一個單獨模塊的理解比較適用，但是缺乏與整體系統(tǒng)的連接。引入整體系統(tǒng)為目標教學后，教學內容采用從系統(tǒng)到內部再到系統(tǒng)的循環(huán)，加深學生對系統(tǒng)的理解。具體方式是先從系統(tǒng)的角度介紹模塊與系統(tǒng)的關聯(lián)內容，介紹總線輸入到模塊的信息和由模塊輸出到總線的信息，再根據(jù)功能介紹模塊的內部結構及引腳，這樣有利于對整體結構的理解。如在講授可編程定時計數(shù)芯片8253章節(jié)，是以廣告燈閃爍為實例，燈光可以設置為亮1秒鐘再暗1秒鐘，閃爍10次后熄滅，由此引出計數(shù)和定時的概念；接著，圍繞實例的開發(fā)過程，分析整體硬件電路，從芯片的選用引出8253基本知識，可以在一張幻燈片以內部結構圖為背景，結合引腳信號，順著8253工作步驟，進行動態(tài)演示，一步步有重點地講解，在此過程中，又不斷設問或引導學生。比如，實現(xiàn)“亮1秒鐘再暗1秒鐘”寫多少計數(shù)初值保證定時1秒鐘？怎么控制？控制字是什么？使用什么工作方式等。第二步是設計硬件電路，先說明8253作為接口在系統(tǒng)當中的地位，一邊接入廣告燈，一邊連接到CPU。緊接著設問CLK、OUT、GATE的功能是什么？選擇0通道的地址是多少？明確這些問題后，討論相關信號應該如何連接，最終得到電路設計圖。第三步在硬件電路設計基礎上，進行軟件編程，可以先簡化問題，把實例進行簡化、拆分。在掌握基本方法后再將實例延伸，引導學生進一步思考。最后再進行拓展，如果設置各個燈的不同亮滅規(guī)則及循環(huán)，形成不同的流水效果，硬件電路需要改嗎？程序需要怎么修改？通過問題的學習和討論，老師了解學生對相關知識的認識程度，引導學生分類歸納整理。

2.2 改進教學手段

利用現(xiàn)代技術，引入數(shù)字教學工具，靈活運用線上線下混合的教學方法，使學生主體化，激發(fā)學生的內驅力，構建參與式研討型互動課堂教學。

師生通過雨課堂從課前、課中和課后三個方面加強互動。課前引導學生了解課程整體框架和重點、難點知識，提高學生的自主學習能力；授課前通過雨課堂等向學生推送教學資料，幫助學生搭建課程學習框架，學生接收預習資料后，通過平臺提交預習結果。課中提高學生的課堂參與度，增加師生互動，活躍課堂氣氛，提高課堂質量；因為有學生提前做好的學習準備，教師授課時，學生能夠積極參與討論，主動分享知識，及時反饋問題。這樣教師能夠分解課程重點和難點、分配后續(xù)課程教學學時，優(yōu)化課堂教學進度和內容。課后合理安排復習內容，幫助學生梳理課程內容；教師將優(yōu)選典型的微機控制系統(tǒng)案例及最新的技術成果，以拓展資料、總結等推送給學生，提升學生運用課堂知識解決實際問題的能力；教師分享課程教學反思，要求學生以思維導圖的形式提交課程知識結構圖，幫助學生搭建完整的知識體系框架；最后根據(jù)學生的全過程學習數(shù)據(jù)，制定了更加客觀合理的課程成績評定標準。課程教學模式如圖1 所示，課堂學習效果評測通過雨課堂APP 提供，方便學生針對不理解的地方與教師進行實時討論，擴展教學空間。這種模式能使教師能根據(jù)學情反饋及時調整教學方式和內容，實現(xiàn)了教與學的良性循環(huán)，從而提高了課程教學質量，提升了學生的系統(tǒng)設計能力和應用創(chuàng)新能力，培養(yǎng)出高質量的新一代微型計算機工程應用人才。

圖1 課程教學模式Fig.1 Course teaching mode

2.3 引入課外挑戰(zhàn)項目

在傳統(tǒng)“微機原理與接口技術”的理論、實踐的教學外，向學生開放實驗室，運用項目開展第二課堂，突出學生的主體地位，培養(yǎng)學生分析問題與解決問題的實踐動手能力。教師根據(jù)學科競賽、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、教師科研項目等將教學內容巧妙地與項目融合，凝練成微機原理的期末挑戰(zhàn)項目，制定明確的目標任務。項目一般在開學之初發(fā)布，同學可自行分組，以3~4 個學生為一組，每組推薦組長1 名，負責組織和協(xié)調組內成員在項目設計過程中遇到的問題。該項目貫穿整個學期始終，促使學生帶著問題進入課堂，有效提升學生的課堂參與度。挑戰(zhàn)項目的指導團隊可邀請高年級優(yōu)秀學長和本年級優(yōu)秀學生加入，在指導團隊指導下，學生以小組為單位，緊緊圍繞分配的項目任務，利用互聯(lián)網(wǎng)、圖書館等學習資源等主動收集、整理和歸納相關知識，自主探索和互助式學習。每組獨立完成項目分析、設計、電路的構建、硬件資源的分配、代碼編寫和調試，獨立撰寫項目設計報告。項目考核至少分3 個階段進行檢查，最終進行統(tǒng)一答辯并計入課程成績。課外挑戰(zhàn)項目提升學生的動手能力、自主學習能力、分析問題和解決實際問題的能力以及相互協(xié)作的團隊精神與創(chuàng)新能力，形成了“比學趕超幫”的良好學風，最大限度激發(fā)學生的內驅力和學習能動性，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題以及分工協(xié)作的創(chuàng)新思維，提升本專業(yè)應用技術型和創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)能力。

2.4 建立多元的教學評價

科學合理地對學生課程學習進行評價是教學過程的重要環(huán)節(jié)，考核方式轉變?yōu)檎麄€學期的學習全過程評價，具體改革措施如下：

（1）利用雨課堂教學平臺實時評價，提高課堂教學中的動態(tài)響應能力，將學生學習的深度參與過程納入考核，最終形成的累計評價數(shù)據(jù)為學生的平時成績，加大平時成績的占比，如表2所示。

表2 可編程8253 接口芯片章節(jié)的考核設計表Table 2 Assessment design table of 8253 interface chip

（2）嚴格實驗課的考核，改變原來只要同組人完成實驗，寫了實驗報告就能在實驗環(huán)節(jié)考核中得到高分的情況。實驗考核改為采用現(xiàn)場實際操作考試和實驗理論考試相結合。由教師擬定若干實驗考試題目，學生通過抽簽來決定現(xiàn)場實際操作考試的題目，教師根據(jù)實驗的全過程以及考試的結果和完成的時間來評定成績。實驗理論考試主要檢查學生的分析設計、硬件資源的分配、譯碼地址的計算能力。這種實驗考核促使學生認真地對待每一個實驗，督促學生及時復習與總結，讓學生真正體會理論與實踐相結合的效果，真正檢驗學生的實際動手能力。

（3）借鑒學科競賽的評價體系對課外挑戰(zhàn)項目全程考核，考核至少分3個階段進行檢查，第一階段為項目設計方案考核，第二階段為項目實施情況考核，最后階段為統(tǒng)一答辯，答辯評判團隊包括3名以上教師、2名高年級優(yōu)秀學長、2名本年級優(yōu)秀學生組成，教師全方位把關。答辯成績包括小組成員內的自評和項目活動中間小組交叉互評。答辯成績大比例計入課程成績，減小期未課程考試的占比。課外挑戰(zhàn)項目的評分細則如表3所示。

表3 課外項目評分維度和評分標準Table 3 Scoring dimensions and standards of extracurricular projects

以上基于過程的多樣化考核可以全面地評價學生在知識、能力和素質方面的培養(yǎng)效果，激發(fā)學生的內驅力，激勵學生在整個學習過程中的投入，提高學習成效。把期未課程考試壓力分解到平時的學習過程中；“考的好”和“做的好”并重，弱化一次性的期末考試成績。采用更公平公正的方式評價學生學習效果，將著眼點定位到真正有益于自身長遠發(fā)展的創(chuàng)新能力和素質提升上來。

3 結語

本文分析了《微機原理與接口技術》課程在教學過程中面臨的困局，從教學內容、教學手段、課外項目和考核評價四個方面具體闡述了課程的改革和措施。通過實踐環(huán)節(jié)和增加課外項目，貫通課程教學與實踐教學之間的屏障，激發(fā)學生的學習主觀能動性和學習潛能，提高學生的動手能力和創(chuàng)新能力，進一步鞏固和加深學生對理論知識的理解，提高學生設計與開發(fā)完整微機系統(tǒng)的能力，符合新形勢社會對應用型高級專門人才培養(yǎng)的內在要求。從近三年的課程改革和成果來看，學生不再懼怕《微機原理與接口技術》，學生學習興趣明顯提升，課堂活躍，課外項目制作質量越來越高，教學效果得到較大改善，學生的成績逐年呈上升趨勢；同時為后續(xù)的嵌入式課程學習打下了良好的基礎，學生的創(chuàng)新精神和實踐能力具有顯著的提升，人才培養(yǎng)獲獎情況數(shù)量年年提升，每年都有同學獲得各類學科競賽、雙創(chuàng)競賽的國家級、省級獎勵；學生在專利授權和發(fā)表論文也有較大突破。

總之，微機原理課程改革建設是一個長期過程，課程改革需要不斷探索和持續(xù)實踐，以完善培養(yǎng)具備“新素養(yǎng)”的面向未來工程人才的新模式新方法。