微機(jī)原理課程教學(xué)改革與計(jì)算思維之培養(yǎng)

李祁

摘要：結(jié)合軍隊(duì)院校微機(jī)原理課程教學(xué)現(xiàn)狀，并研究和分析計(jì)算思維內(nèi)涵，給出微機(jī)原理課程與計(jì)算思維培養(yǎng)的關(guān)系，進(jìn)一步提出了以計(jì)算思維為導(dǎo)向的微機(jī)原理課程教學(xué)改革新思路，為提高微機(jī)原理課程教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)員計(jì)算思維能力提供了有效途徑。

關(guān)鍵詞：分層教學(xué)；階段性考核；計(jì)算思維；抽象分解

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）10-2299-02

隨著信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和軍隊(duì)對(duì)人才專業(yè)素質(zhì)及信息素養(yǎng)要求的不斷提高，軍隊(duì)院校人才培養(yǎng)方案被重新規(guī)劃定位，基礎(chǔ)學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)也被要求與時(shí)俱進(jìn)，能夠更加精準(zhǔn)的體現(xiàn)人才培養(yǎng)目的。

微機(jī)原理課程不僅是本院某專業(yè)士官層次必修課，也是本科電子類、自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)開設(shè)的硬件基礎(chǔ)主要組成部分。其主要任務(wù)是使學(xué)員從理論和實(shí)踐的層面掌握現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)的基本組成、工作原理及典型接口技術(shù)，建立微機(jī)系統(tǒng)的整體概念，使學(xué)員具有運(yùn)用現(xiàn)代微機(jī)技術(shù)進(jìn)行軟、硬件開發(fā)的初步能力[1]，逐步培養(yǎng)分析、解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新意識(shí)。但本門課程信息量大、內(nèi)容抽象難懂等特點(diǎn)使其成為學(xué)員反映最難學(xué)課程之一，如何在有限的學(xué)時(shí)里，使本門課程達(dá)到良好的教學(xué)效果并通過學(xué)習(xí)使學(xué)員具備相應(yīng)能力，一直是本門課程改革的目標(biāo)。

近年來“計(jì)算思維”概念的提出既有利于以類比形式開展教學(xué)，也有利于特定學(xué)科知識(shí)的拓展與深化[2]，計(jì)算思維中倡導(dǎo)的抽象與分解、關(guān)注分離、啟發(fā)推理、協(xié)調(diào)同步、并行處理等與微機(jī)原理中技術(shù)緊密相關(guān)，將計(jì)算思維的理念與微機(jī)原理課程相結(jié)合，不僅可以降低該課程學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)員學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效率，使學(xué)員掌握微機(jī)系統(tǒng)核心原理與設(shè)計(jì)方法，而且通過學(xué)習(xí)過程以及多元教學(xué)方法激發(fā)學(xué)員計(jì)算思維能力，提高學(xué)習(xí)能力，促進(jìn)終身學(xué)習(xí)，為學(xué)員今后利用計(jì)算機(jī)處理信息，更好地適應(yīng)工作崗位奠定基礎(chǔ)。

1 微機(jī)原理課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

“微機(jī)原理”課程是電子類專業(yè)最重要的基礎(chǔ)課之一。不僅理論性強(qiáng)，而且還具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐特征。目前高校開設(shè)的微機(jī)原理課程普遍存在以下問題：

1）課程自身信息量大，知識(shí)點(diǎn)較多，兼顧軟硬件兩個(gè)方面，內(nèi)容抽象，學(xué)生難于理解掌握，加之課時(shí)壓縮、實(shí)驗(yàn)室資源有限等原因，使學(xué)員對(duì)課程的學(xué)習(xí)和理解上具有一定難度。

2）微機(jī)原理課程是一門不斷發(fā)展的科學(xué)，涵蓋的新應(yīng)用領(lǐng)域、新技術(shù)也不斷涌現(xiàn)。而實(shí)際課堂授課內(nèi)容往往滯后于實(shí)際應(yīng)用，容易造成教學(xué)和實(shí)際的脫節(jié)。

2 微機(jī)原理課程教學(xué)改革

2.1 創(chuàng)新教學(xué)方法

“微機(jī)原理”課程內(nèi)容抽象難理解，因此教師如何采用高效率的教學(xué)方法，調(diào)動(dòng)學(xué)員學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性非常重要。

針對(duì)課程的硬件、軟件和接口三部分內(nèi)容，采用不同的教學(xué)方法。硬件部分和指令部分由于知識(shí)點(diǎn)眾多，有些概念比較抽象，主要借助多媒體、網(wǎng)絡(luò)等輔助教學(xué)，激發(fā)和吸引學(xué)員興趣；軟件部分主要采用“案例式教學(xué)”，擯棄對(duì)指令格式及用法的枯燥記憶，而是通過有所指向編程實(shí)例像學(xué)員展示匯編語言指令的魅力；接口部分則以典型接口應(yīng)用實(shí)驗(yàn)為主體，制定詳細(xì)任務(wù)及步驟規(guī)劃，以完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)為目標(biāo)，通過實(shí)踐體驗(yàn)使學(xué)員具備相應(yīng)能力。

根據(jù)內(nèi)容靈活應(yīng)用啟發(fā)式、互動(dòng)式、討論式等多種教學(xué)方法對(duì)于活躍課堂氣氛，提高教學(xué)效率起到積極作用。

2.2 課程考核方式改革

考核方式不僅能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，而且也是檢驗(yàn)教學(xué)效果，保證教學(xué)質(zhì)量的重要措施，傳統(tǒng)考試中筆試主導(dǎo)的考試模式，不能體現(xiàn)學(xué)員創(chuàng)新與實(shí)踐能力，所以改革考核方式應(yīng)更注重過程考核，以學(xué)生真正掌握知識(shí)為根本任務(wù)，注重學(xué)習(xí)過程和對(duì)學(xué)員的綜合素質(zhì)與能力的培養(yǎng)?！拔C(jī)原理”課程的考核方法要遵循：“理論與實(shí)踐相結(jié)合、能力與素質(zhì)齊開放”的原則，具體考核措施包含以下三個(gè)方面：

1）閉卷筆試。弱化傳統(tǒng)筆試占主導(dǎo)的思想，減少筆試在總成績(jī)中的比例。做為結(jié)課考核，從全局考察學(xué)員技能性知識(shí)的掌握情況；題型的設(shè)置方面，適當(dāng)增加分析題和設(shè)計(jì)題比例，考核學(xué)員應(yīng)用所學(xué)解決問題能力。

2）平時(shí)成績(jī)考核。平時(shí)成績(jī)是對(duì)學(xué)習(xí)過程的一種量化體現(xiàn)，有效地避免了學(xué)員臨時(shí)抱佛腳的僥幸心理。平時(shí)成績(jī)主要包括課堂問答成績(jī)、習(xí)題作業(yè)完成情況。為了促進(jìn)養(yǎng)成預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)的習(xí)慣，提高學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性，教員通過課堂授課，增加與學(xué)員互動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)員回答，答錯(cuò)或不知道的學(xué)員不處罰，而對(duì)能正確回答問題的學(xué)員會(huì)適當(dāng)增加他們的平時(shí)成績(jī)以資鼓勵(lì)。

3）階段性考核。根據(jù)課程內(nèi)容劃分知識(shí)模塊，利用答疑輔導(dǎo)的時(shí)間，鼓勵(lì)學(xué)員對(duì)前一階段某一知識(shí)模塊做總結(jié)，架構(gòu)知識(shí)體系，總結(jié)知識(shí)要點(diǎn)，由教員針對(duì)總結(jié)的知識(shí)點(diǎn)出題并組織小型模擬考試，答題正確率達(dá)到90%即為合格。階段性考核重點(diǎn)在于促進(jìn)學(xué)員自主學(xué)習(xí)，更利于培養(yǎng)學(xué)員自主學(xué)習(xí)能力。

3 微機(jī)原理課程與計(jì)算思維培養(yǎng)的關(guān)系

3.1 計(jì)算思維內(nèi)涵

作為計(jì)算機(jī)學(xué)科發(fā)展的自然產(chǎn)物，計(jì)算思維（Computational Thinking）這一概念在2006年由美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)周以真（Jeannette M. Wing）教授提出。她認(rèn)為，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為[3]。計(jì)算思維最根本的內(nèi)容，即其本質(zhì)（Essence）是抽象（Abstraction）和自動(dòng)化（Automation）。

計(jì)算思維本身是人類科學(xué)思維固有的活動(dòng)過程，它汲取了問題解決所采用的一般數(shù)學(xué)思維方法，現(xiàn)實(shí)世界中巨大復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與評(píng)估的一般工程思維方法，以及復(fù)雜性、智能、心理、人類行為的理解等的一般科學(xué)思維方法。計(jì)算思維建立在計(jì)算過程的能力和限制之上，由人通過機(jī)器執(zhí)行，計(jì)算方法和模型使我們敢于去處理那些原本無法由個(gè)人獨(dú)立完成的問題求解和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，更簡(jiǎn)單一點(diǎn)說，計(jì)算思維就是通過約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看似困難的問題重新闡釋成一個(gè)我們知道怎樣解決的問題的方法[3]。

3.2 微機(jī)原理與計(jì)算思維培養(yǎng)之間的關(guān)系

計(jì)算思維不僅反映了計(jì)算機(jī)學(xué)科本質(zhì)的特征和核心的方法，也反映了計(jì)算機(jī)學(xué)科的三個(gè)不同領(lǐng)域（理論、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)）。因此，培養(yǎng)基于計(jì)算機(jī)解題思路和方法的計(jì)算思維能力十分必要，這也是當(dāng)前計(jì)算機(jī)教育研究的重要課題。如何在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)教育中引入計(jì)算思維或者說學(xué)科形態(tài)如何體現(xiàn)計(jì)算思維的方式成為目前計(jì)算學(xué)科最大的問題，筆者認(rèn)為核心是要轉(zhuǎn)變教育觀念，所有對(duì)課程的教學(xué)改革都要圍繞著新的教學(xué)理念，切實(shí)將計(jì)算思維融入到課程教學(xué)中，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)員思維能力、學(xué)習(xí)能力和研究能力。

微機(jī)原理課程包含硬件、軟件、接口應(yīng)用三大部分，與計(jì)算思維涵蓋的理論、實(shí)踐、設(shè)計(jì)相得益彰，無論是從知識(shí)體系架構(gòu)的連貫性、完整性，還是學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)的方式方法上，都用到了計(jì)算思維，用計(jì)算思維的方式深入理解和學(xué)習(xí)微機(jī)原理中的匯編語言、CPU 結(jié)構(gòu)原理，存儲(chǔ)器擴(kuò)展、并/ 串行口擴(kuò)展、總線等重要內(nèi)容，對(duì)于后續(xù)開設(shè)的課程如“單片機(jī)原理與接口”、“計(jì)算機(jī)控制”、“可編程控制器PLC”、“DSP 數(shù)字信號(hào)處理”奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。

4 微機(jī)原理教學(xué)改革中計(jì)算思維的培養(yǎng)

4.1 基于計(jì)算思維的教學(xué)過程

教員對(duì)原有教材再開發(fā)，即在原有課程中選擇適當(dāng)?shù)膬?nèi)容設(shè)置課題，對(duì)內(nèi)容拓展或深化，教員在開展教學(xué)過程中運(yùn)用基于計(jì)算思維的方法，將教與學(xué)的過程有機(jī)地連接起來，使學(xué)員能夠自覺利用計(jì)算思維方法（ 遞歸，關(guān)注點(diǎn)分析，抽象和分解，保護(hù)、冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)和恢復(fù)，學(xué)習(xí)和調(diào)度等）達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)，當(dāng)學(xué)員掌握了知識(shí)點(diǎn)，懂得如何運(yùn)用計(jì)算思維的方法之后，再通過反思評(píng)價(jià)自己的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)方法，自主建構(gòu)屬于自己學(xué)習(xí)的框架和方式[4]，也就培養(yǎng)了學(xué)員計(jì)算思維能力，具體教學(xué)過程的實(shí)施步驟如下：

1）有的放矢。以某個(gè)知識(shí)模塊為研究對(duì)象，通過計(jì)算思維的方法來獲取或應(yīng)用，由實(shí)踐建構(gòu)自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

2）確立課題。師生針對(duì)課題開展分析論證，深入挖掘課題內(nèi)涵及可行性，共同確立研究課題。

3）團(tuán)結(jié)協(xié)作。以自愿結(jié)合兼顧優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的原則組建課題研究小組，成員明確職責(zé)，分工協(xié)作。

4）研究方案。成員要以計(jì)算思維方法為前提，結(jié)合本小組的課題制定研究方案，在保證研究活動(dòng)的連續(xù)性和明確化的前提下，合理分工，各負(fù)其責(zé)。

5）實(shí)施方案。將確定的研究方案具體落實(shí)。教員在整個(gè)過程中的作用是在偏重計(jì)算思維培養(yǎng)的思路下研究方法的指導(dǎo)和科學(xué)態(tài)度與精神的滲透和示范。

6）形成結(jié)論。課題小組通過研究學(xué)習(xí)將結(jié)果進(jìn)行匯總，從中找出規(guī)律性的東西，得出結(jié)論，給出建議。

7）評(píng)價(jià)交流。將研究成果以小論文、多媒體演示、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等不同的形式提交或展示出來。并對(duì)研究過程中用到的研究方法、研究成果、得失體驗(yàn)感受等進(jìn)行全方位的總結(jié)， 以獲得更深一步的理性認(rèn)識(shí)，完善認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

4.2 計(jì)算思維導(dǎo)向的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

將抽象分解、啟發(fā)推理等計(jì)算思維的理念引入微機(jī)原理教學(xué)的課堂設(shè)計(jì)，可以簡(jiǎn)化問題，使學(xué)員獲取知識(shí)從點(diǎn)到面，深入理解和記憶。以尋址方式內(nèi)容的講解為例，順藤摸瓜， 從面到點(diǎn)逐個(gè)解密.首先提出疑問： 為什么要有尋址方式呢？ ，根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)，微機(jī)工作總是對(duì)”數(shù)”操作，而”數(shù)”在哪里？可以提問學(xué)員，讓他們來回答， ”數(shù)”可能在不同的地方，要找到他們，要根據(jù)地址來尋覓，所以就有了”尋址方式”，“面”就被首先提出來了。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)員，具體”數(shù)”在哪些地方呢？可能在指令中，所以“立即數(shù)尋址”、可能存放在通用寄存器中，所以就是“寄存器尋址”、也可能存放在存儲(chǔ)器中，那么就是“存儲(chǔ)器尋址”，至此“線”也給出來了，有了“面”和“線”，教員進(jìn)一步引導(dǎo)， 在存儲(chǔ)器中的 “數(shù)”必定有個(gè)存放的地址吧？ 按照之前存儲(chǔ)器存取數(shù)，先找到段基址，然后確定偏移地址就能確定在存儲(chǔ)器中地址，由于“數(shù)”的存放地址的表達(dá)有很多種方式，因此，“存儲(chǔ)器尋址”就引申到其他具體尋址方式，如“寄存器間接尋址”、“相對(duì)尋址”、“變址尋址”等，至此“點(diǎn)”也給出，縱觀“面”、“線”、“點(diǎn)”一氣呵成，順藤摸瓜，學(xué)員既明白了尋址的概念和用途，也明白了各種尋址之間的聯(lián)系和區(qū)別[5]。學(xué)員對(duì)這部分內(nèi)容更容易理解和記憶。

將計(jì)算思維引入課堂教學(xué)設(shè)計(jì)不僅需要教員對(duì)內(nèi)容非常熟悉，而且對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)有著系統(tǒng)把握。既要能站著全局高度，指引解決問題的思路、步驟和方法， 以突出教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)，幫助學(xué)員樹立系統(tǒng)的概念，又要能啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)員尋求解決問題途徑，深入細(xì)節(jié)、逐步探索。

5 結(jié)束語

微機(jī)原理課程教學(xué)融入計(jì)算思維的元素，不僅指明了課程的教學(xué)目標(biāo)，提高了教學(xué)效率，而且對(duì)培養(yǎng)軍事人才創(chuàng)新思維能力、綜合實(shí)踐能力都起到了積極的作用。隨著融入計(jì)算思維的新教學(xué)體系的逐步完善，教學(xué)不再是枯燥的講授，晦澀的抽象，而是幫助學(xué)員打開思維空間，激發(fā)探索求解欲望的金鑰匙。

參考文獻(xiàn)：

[1] 焦純，盧虹冰，等.論“微機(jī)原理與接口技術(shù)”的課程設(shè)置和改革[J].價(jià)值工程，210-211.

[2] 李曉明，蔣宗禮，王志英，等.積極研究和推進(jìn)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)[J].計(jì)算機(jī)教育，2012（5）：1.

[3] Wing J Computational Thinking[J].Communication of the ACM.2006.49（3）：33-35.

[4] 李禾.試析計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)課研究性的教學(xué)模式[J].黑龍江高教研究，2012（6）：158-159.

[5] 尹勇，劉嵐.提高《微機(jī)原理與接口技術(shù)》課程的教學(xué)質(zhì)量淺析[J].中國(guó)校外教育，2009（12）：294-295.