突出計(jì)算思維能力培養(yǎng)的微機(jī)原理與接口技術(shù)教學(xué)改革

陳立剛　李紅　劉斌

摘要：以微機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)改革為背景，針對(duì)教學(xué)課時(shí)大幅減少，以計(jì)算思維為切入點(diǎn)，探討構(gòu)建新的課程知識(shí)體系；在此基礎(chǔ)上，就如何改革教學(xué)方法和實(shí)踐教學(xué)，以滿足應(yīng)用接口技術(shù)分析、設(shè)計(jì)微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的計(jì)算思維能力培養(yǎng)需求，提出一些行之有效的改革方法。

關(guān)鍵詞：微機(jī)原理；接口技術(shù)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)改革；計(jì)算思維

所謂計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。它作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育中一個(gè)相對(duì)較新的概念，雖然已得到了教育界和學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)同，但其具體內(nèi)涵、貫徹落實(shí)的思路在學(xué)術(shù)界仍有不同見解，有待于我們?cè)谙嚓P(guān)課程的教學(xué)實(shí)踐中不斷探索。

1 教學(xué)內(nèi)容改革

微機(jī)原理與接口技術(shù)課程內(nèi)涵可歸結(jié)為微機(jī)原理、微機(jī)接口和微機(jī)應(yīng)用3大部分，原有的知識(shí)體系如圖1所示。但隨著新一輪2012教學(xué)計(jì)劃的實(shí)施，課程教學(xué)時(shí)數(shù)大幅減少，電類與非電類專業(yè)的教學(xué)時(shí)數(shù)分別從過(guò)去的70+20學(xué)時(shí)（講授70，實(shí)驗(yàn)20）和54+16學(xué)時(shí)減為52+18學(xué)時(shí)和36+10學(xué)時(shí)。顯然，繼續(xù)按原有的知識(shí)體系教學(xué)，已難以實(shí)施。如何在教學(xué)時(shí)數(shù)大幅減少的背景下，構(gòu)建新的課程教學(xué)內(nèi)容體系，將教學(xué)重點(diǎn)落在計(jì)算機(jī)接口及應(yīng)用技術(shù)介紹和突出計(jì)算思維能力培養(yǎng)上，我們著重從以下方面思考改革。

1.1 關(guān)于硬件編程教學(xué)

硬件編程教學(xué)實(shí)際包括兩個(gè)方面，即編程語(yǔ)言和穿插在接口技術(shù)及應(yīng)用教學(xué)之中的硬件編程方法。在圖1課程知識(shí)體系中，匯編語(yǔ)言是硬件編程的工具，內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，但在課程教學(xué)中所占的課時(shí)卻不少，高達(dá)14學(xué)時(shí)以上。盡管如此，由于匯編語(yǔ)言依賴于機(jī)器特性，指令理解和編程難度較大，要讓學(xué)生掌握匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的方法和技巧，僅靠14學(xué)時(shí)的課內(nèi)教學(xué)往往難以達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果。對(duì)于理論教學(xué)僅有36學(xué)時(shí)的微機(jī)原理與接口技術(shù)課程來(lái)說(shuō)，要拿出十幾個(gè)學(xué)時(shí)來(lái)進(jìn)行匯編語(yǔ)言的教學(xué)，顯然難以滿足以計(jì)算機(jī)接口及應(yīng)用技術(shù)為主線的教學(xué)需求。

筆者對(duì)非電類專業(yè)的微機(jī)原理與接口技術(shù)課程刪去匯編語(yǔ)言相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，而通過(guò)與高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)等相關(guān)課程的銜接，將C語(yǔ)言作為硬件編程語(yǔ)言開展計(jì)算機(jī)接口及應(yīng)用教學(xué)，這樣節(jié)省的課時(shí)可用于加強(qiáng)接口及應(yīng)用技術(shù)的學(xué)習(xí)，有利于突出接口技術(shù)及應(yīng)用這條主線。對(duì)電類專業(yè)將減少匯編語(yǔ)言相關(guān)教學(xué)內(nèi)容介紹，采用匯編與c語(yǔ)言混合編程進(jìn)行硬件編程教學(xué)，體現(xiàn)實(shí)際工程開發(fā)的特點(diǎn)。

1.2 背景機(jī)選擇

隨著微處理器技術(shù)在各專業(yè)領(lǐng)域的深入應(yīng)用，單片機(jī)和嵌入式技術(shù)已成為微機(jī)應(yīng)用的主流技術(shù)之一，但為講授清楚現(xiàn)代微處理器的先進(jìn)技術(shù)，目前全國(guó)各重點(diǎn)大學(xué)仍普遍采用PC系列微處理器作為背景機(jī)開展教學(xué)。對(duì)于一些電類專業(yè)，往往會(huì)在該課程之后開設(shè)一門以實(shí)踐教學(xué)為主的單片機(jī)/嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，PC微處理器技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，性能已超過(guò)傳統(tǒng)意義上的小型機(jī)，伴隨而來(lái)的是內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，而從非計(jì)算機(jī)專業(yè)應(yīng)用計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)看，一些先進(jìn)技術(shù)又并非課程重點(diǎn)，現(xiàn)有教學(xué)實(shí)踐大多是淡化其內(nèi)部原理介紹。采用c語(yǔ)言開展硬件編程教學(xué)后，編程結(jié)構(gòu)（內(nèi)部寄存器及使用）也可進(jìn)一步淡化，背景機(jī)介紹的重點(diǎn)實(shí)際放在與存儲(chǔ)器、I/O接口實(shí)現(xiàn)連接的外部接口特性上。這一層面上，各類CPU的基本接口特性大同小異，所以，教學(xué)的思路是仍以PC微處理器為主要背景機(jī)，同時(shí)兼顧單片機(jī)/嵌入式技術(shù)介紹，這樣既可通過(guò)PC背景機(jī)講清現(xiàn)代微處理器使用的先進(jìn)技術(shù)，又可通過(guò)基于PC機(jī)、單片機(jī)/嵌入式處理器接口設(shè)計(jì)案例，讓學(xué)生理解各類微處理器接口的基本原理實(shí)際是相通的，并不因背景機(jī)改變而改變。

1.3 存儲(chǔ)器與I/O接口擴(kuò)展教學(xué)

存儲(chǔ)器與I/O接口是微機(jī)系統(tǒng)必不可少的基本組成部分，是教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容之一。圖l的知識(shí)體系是將它們作為獨(dú)立章節(jié)施教，好處是體現(xiàn)了課程的系統(tǒng)性和完整性，缺點(diǎn)是所需課時(shí)較多。但存儲(chǔ)器與I/O接口從功能、結(jié)構(gòu)和與CPU連接的特性上，均有以下本質(zhì)共性：

（1）功能上兩者都是用于存數(shù)，只不過(guò)內(nèi)存中存的是計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)，而接口中存的是CPU與I/O設(shè)備交換的信息。

（2）內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)相同，均由3種基本邏輯部件：地址譯碼器、片選與讀/寫控制邏輯和存儲(chǔ)電路組成，如圖2所示。作為存數(shù)主體的內(nèi)存單元和I/O端口，從數(shù)字邏輯角度看都是寄存器，都可被CPU進(jìn)行讀/寫訪問(wèn)。主要差別是，存儲(chǔ)器只與CPU交換數(shù)據(jù)，而I/O寄存器要在兩個(gè)方向上傳遞數(shù)據(jù)，一個(gè)方向與CPU交換數(shù)據(jù)，另一方向與外設(shè)交換數(shù)據(jù)（圖中虛線所示）。

（3）與CPU連接的外部基本引腳信號(hào)線相同。數(shù)據(jù)線、存儲(chǔ)單元或I/O端口選擇線、片選線和讀/寫控制線4類與CPU相連的外部引腳信號(hào)線和CPU的連接方法基本相同。

從擴(kuò)展內(nèi)存和I/O接口構(gòu)成微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)角度，基本原理是相同的，關(guān)鍵都是在地址分配基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元/I/O寄存器地址譯碼，將兩章整合施教有利于減少教學(xué)時(shí)數(shù)，提高教學(xué)效率。

1.4 課程知識(shí)體系構(gòu)建

基于上述教學(xué)內(nèi)容改革，對(duì)圖1各章節(jié)進(jìn)行整合，構(gòu)建新的“微機(jī)原理與接口技術(shù)”知識(shí)體系，以非電類專業(yè)為例，教學(xué)內(nèi)容詳見表1。由表1不難看出，教學(xué)內(nèi)容改革的重點(diǎn)突出接口技術(shù)及應(yīng)用該重點(diǎn)與課程教學(xué)目的是一致的。對(duì)電類專業(yè)，可在此基礎(chǔ)上適當(dāng)增加匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)內(nèi)容及匯編與c語(yǔ)言混合編程方法。

2 教學(xué)手段和教學(xué)方法改革

教學(xué)手段和教學(xué)方法的改革一是要有利于提高教學(xué)時(shí)效比，二是要有利于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和創(chuàng)新思維能力。

2.1 注重共性知識(shí)提煉，提高教學(xué)時(shí)效比

本課程有許多知識(shí)點(diǎn)的基本原理、基本方法是相同或相似的，如各類存儲(chǔ)器芯片和各種可編程接口芯片，從與CPU接口的角度，基本接口特性是相同的；程序查詢式數(shù)據(jù)傳送與程序查詢式中斷識(shí)別與判優(yōu)，總線仲裁與向量式中斷識(shí)別與判優(yōu)在原理上有許多相似性；各類ADC芯片因采用的轉(zhuǎn)換原理不同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能差別較大，但從外部引腳的設(shè)置上卻具有很大的相似性，接口方法也大同小異；與ADC類似，DAC芯片也是如此。所以教學(xué)中應(yīng)注重這些共性知識(shí)的提煉，這樣既有利于提高教學(xué)時(shí)效比，也有利于從計(jì)算思維角度去理解和分析一類解決問(wèn)題的方法。endprint

2.2 精心設(shè)計(jì)教學(xué)案例，完善案例教學(xué)

從計(jì)算思維能力培養(yǎng)角度出發(fā)，計(jì)算機(jī)接口技術(shù)本身是應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)，教學(xué)的重點(diǎn)應(yīng)落實(shí)到如何應(yīng)用這些技術(shù)去思考、解決專業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題。所以教學(xué)應(yīng)注重具有實(shí)際應(yīng)用背景的案例分析和設(shè)計(jì)方法介紹。為此，我們依據(jù)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的原則，根據(jù)教學(xué)的進(jìn)度精心設(shè)計(jì)教學(xué)案例，包括存儲(chǔ)器與I/O接口擴(kuò)展設(shè)計(jì)、中斷處理程序設(shè)計(jì)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、鍵盤與LED顯示器接口、步進(jìn)電機(jī)控制和典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)等涵蓋課程各重要知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用的案例。主要案例與知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用的關(guān)系詳見表2。

教學(xué)案例設(shè)計(jì)總的原則是緊密圍繞課程重要知識(shí)點(diǎn)及應(yīng)用，難度要適中、便于學(xué)生理解和參與教學(xué)活動(dòng)中。案例的講解要從問(wèn)題的引入，分析需解決的問(wèn)題和解決的方法，再到設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。通過(guò)逐步引導(dǎo)使學(xué)生掌握應(yīng)用相關(guān)接口技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題的思維方式。以鍵盤接口設(shè)計(jì)為例，首先分析歸納鍵盤接口要解決的主要問(wèn)題，按鍵的識(shí)別和鍵碼的產(chǎn)生；然后分析按鍵識(shí)別的方法和鍵碼產(chǎn)生原理；再引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)并行接口設(shè)計(jì)鍵盤接口的方法，進(jìn)而編寫按鍵識(shí)別和鍵碼產(chǎn)生的接口驅(qū)動(dòng)程序。

2.3 精心設(shè)計(jì)完善研討式教學(xué)

計(jì)算思維能力的培養(yǎng)過(guò)程應(yīng)該是學(xué)生積極參與、師生互動(dòng)交流的過(guò)程。如何讓學(xué)生參與教學(xué)互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的求知欲和主動(dòng)思考問(wèn)題的意識(shí)，除教學(xué)中精心設(shè)計(jì)啟發(fā)式提問(wèn)外，研討式教學(xué)是目前為各重點(diǎn)大學(xué)普遍所接受、能較好地實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)交流的教學(xué)模式。

研討式教學(xué)設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面，一是研討內(nèi)容的選取，這可以從精心設(shè)計(jì)的教學(xué)案例或課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中選??；二是研討模式的設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)接口設(shè)計(jì)或計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，思維方式不同，同一問(wèn)題往往有不同的解決方案，這就為研討模式設(shè)計(jì)提供了一種思路，將學(xué)員分成若干研討小組，每個(gè)組首先在組內(nèi)自行研討并提出設(shè)計(jì)方案，制作好課件拿到課堂研討。研討時(shí)，每組推選一名代表講解設(shè)計(jì)方案和思路，其他成員可對(duì)其提出的解決方案進(jìn)行補(bǔ)充，然后大家一起對(duì)硬、軟件方案的合理性、優(yōu)點(diǎn)和問(wèn)題進(jìn)行討論，最后由教師進(jìn)行總結(jié)。通過(guò)這種形式的課堂討論，學(xué)生可以從不同角度提出問(wèn)題，教師也可以從不同角度了解學(xué)生理解問(wèn)題的癥結(jié)所在，從而從不同的層面有的放矢地幫助學(xué)生掌握正確的思維方式。

研討環(huán)境在條件允許時(shí)可選在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，這將更有利于理論與實(shí)踐教學(xué)相融合，研討結(jié)果可以得到實(shí)際的驗(yàn)證，學(xué)生有成就感，從而提高學(xué)生主動(dòng)思維的自信心。

2.4 加強(qiáng)教學(xué)資源建設(shè)，滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)需求

計(jì)算思維能力養(yǎng)成，需要強(qiáng)化學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動(dòng)思維的意識(shí)，這就需要為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。結(jié)合多年在國(guó)家精品課程建設(shè)取得的成果和新一輪國(guó)家精品資源共享課建設(shè)計(jì)劃，進(jìn)一步豐富和完善課程教學(xué)資源，包括多媒體教學(xué)課件、視頻教學(xué)、教學(xué)動(dòng)畫、虛擬實(shí)驗(yàn)、經(jīng)典教學(xué)/實(shí)驗(yàn)案例分析、疑難問(wèn)題解析、習(xí)題庫(kù)及解答等教學(xué)資源。利用這些資源，學(xué)生可上網(wǎng)自主學(xué)習(xí)，亦可在模仿案例思想解題的基礎(chǔ)上，養(yǎng)成自己主動(dòng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)接口及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思維意識(shí)。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本課程的重要組成部分，對(duì)加深學(xué)生理解與掌握理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力和實(shí)際動(dòng)手能力，具有課堂教學(xué)不可替代的作用。所以注重理論教學(xué)的同時(shí)，也應(yīng)重視實(shí)踐教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革，以滿足計(jì)算思維能力培養(yǎng)的需求。

3.1 被動(dòng)模仿到主動(dòng)設(shè)計(jì)的思維方式

人類許多創(chuàng)造發(fā)明和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，都是在積累前人經(jīng)驗(yàn)、模仿前人的基礎(chǔ)上主動(dòng)創(chuàng)新而來(lái)的。許多基于計(jì)算機(jī)應(yīng)用的智能系統(tǒng)，如專家系統(tǒng)的工作過(guò)程實(shí)際上就是模仿人類專家求解問(wèn)題的過(guò)程，借助它的學(xué)習(xí)機(jī)制，專家系統(tǒng)可以不斷地積累新知識(shí)，從而提高其求解問(wèn)題的能力。

應(yīng)用接口技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題的計(jì)算思維能力培養(yǎng)，亦可從模仿教學(xué)/實(shí)驗(yàn)案例解決簡(jiǎn)單的應(yīng)用問(wèn)題開始，在熟練掌握接口基本原理、基本方法和不斷積累應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)思維、主動(dòng)設(shè)計(jì)的思維方式。這就需要精心選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和設(shè)計(jì)實(shí)施方法。

一般對(duì)以驗(yàn)證為主和簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，可通過(guò)案例分析、討論，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)模仿案例思路在課內(nèi)或課外完成，對(duì)較難的設(shè)計(jì)性和綜合應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)，則啟發(fā)學(xué)生合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，引導(dǎo)學(xué)生從被動(dòng)模仿轉(zhuǎn)為主動(dòng)思考、主動(dòng)設(shè)計(jì)。

以基于LED顯示的電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)為例，實(shí)施設(shè)計(jì)詳見表3。設(shè)計(jì)內(nèi)容中，一些是安排已做的實(shí)驗(yàn)或已通過(guò)實(shí)驗(yàn)熟悉的內(nèi)容，通過(guò)這種分步實(shí)施，學(xué)生在模仿基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)即可逐步推進(jìn)，使學(xué)生感到設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，有利于提振其自主思維、主動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的自信。

3.2 注重復(fù)雜問(wèn)題分解和協(xié)作精神培養(yǎng)

實(shí)際應(yīng)用開發(fā)中，往往需要將一個(gè)大的工程項(xiàng)目分解成許多功能相對(duì)獨(dú)立的子項(xiàng)目，由項(xiàng)目組共同協(xié)作完成。所以實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，在注重被動(dòng)模仿到主動(dòng)設(shè)計(jì)思維方式培養(yǎng)的同時(shí)，也應(yīng)注重復(fù)雜問(wèn)題逐步求精、分而治之的思維方式和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)。

對(duì)功能較多的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)，如多芯片綜合實(shí)驗(yàn)和基于控制對(duì)象的應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)，可引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)分解成層次結(jié)構(gòu)的多個(gè)基本功能模塊，這些模塊可以是前面實(shí)驗(yàn)中已實(shí)現(xiàn)的，或者是通過(guò)案例模仿即可實(shí)現(xiàn)的。這樣就可從底層模塊開始，以搭積木的方式層層搭建來(lái)完成復(fù)雜功能。這樣既簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)，又能提高學(xué)員主動(dòng)設(shè)計(jì)、完成復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的信心，還能體會(huì)實(shí)際工程開發(fā)的特點(diǎn)。

協(xié)作能力的培養(yǎng)則可完善“合作實(shí)驗(yàn)”模式培養(yǎng)，如在課外電子設(shè)計(jì)實(shí)踐與競(jìng)賽中，可將具有不同能力優(yōu)勢(shì)的學(xué)生（如硬件設(shè)計(jì)能力強(qiáng)的與軟件編程能力強(qiáng)的）組成實(shí)驗(yàn)小組和攻關(guān)小組，借助各自的特長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，通過(guò)密切配合培養(yǎng)相互協(xié)作的精神。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，因教學(xué)課時(shí)減少和計(jì)算思維能力培養(yǎng)的全局要求，我們對(duì)微機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與教學(xué)手段和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)了一些行之有效的探索，未來(lái)將以此為基礎(chǔ)，繼續(xù)探索以計(jì)算思維為切入點(diǎn)的課程教材建設(shè)和考試考核方法改革。

（編輯：趙廓）endprint