基于計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的微機接口教學研究

楊志奇 何穎 李春閣

摘要：本文結(jié)合筆者的教學實踐，探討了當前在三本獨立學院通過《微機接口》課程進行系統(tǒng)能力培養(yǎng)時存在的問題，并從改革理論教學、改革實驗教學、加強教材建設(shè)等三個方面，闡述了改進《微機接口》教學的方法和策略。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)能力；獨立學院；項目驅(qū)動；微機接口；Proteus

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）49-0236-02

一、引言

在計算技術(shù)迅速發(fā)展的今天，培養(yǎng)合格的計算機人才是擺在我們計算機專業(yè)教師面前的一個重要問題。合格的計算機專業(yè)學生必須具備計算機系統(tǒng)能力。計算機系統(tǒng)能力主要是指學生在掌握計算系統(tǒng)基本原理基礎(chǔ)上，能夠站在系統(tǒng)（包括軟件、硬件）的高度考慮和解決問題，具有系統(tǒng)層面的認知和各種能力（如：軟、硬件功能的合理劃分、系統(tǒng)整體性能分析和調(diào)優(yōu)等），具有計算機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)能力[1]。

《微機原理與接口技術(shù)》（后簡稱《微機接口》）課程是電子、自動化、通信、計算機等相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。在計算機系開設(shè)該課程的目的是讓學生在學習《計算機組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》、《匯編語言程序設(shè)計》等課程的基礎(chǔ)上進一步學習微型計算機的組成和接口技術(shù)。學生可以通過學習本課程內(nèi)容，增強軟、硬件相結(jié)合的能力，樹立起微型計算機體系結(jié)構(gòu)的基本概念，從而提高其系統(tǒng)能力。我校是一所三本獨立學院，學生學習的基礎(chǔ)薄弱，相當部分學生對學習沒有興趣。因此，在獨立學院的環(huán)境下，提高計算機專業(yè)學生的系統(tǒng)能力，較一、二本院校的情況要更困難一些。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在通過《微機接口》課程進行系統(tǒng)能力培養(yǎng)時，主要存在下列問題：（1）課程內(nèi)容、教材內(nèi)容陳舊，與計算技術(shù)的發(fā)展不相適應(yīng)；（2）教學方法陳舊，學生缺乏興趣；（3）實驗內(nèi)容的設(shè)計、安排需優(yōu)化；（4）實驗受到時間、地點、設(shè)備的限制。筆者結(jié)合教學實踐，在當前課時有限、實驗資源有限的條件下通過以下的分析和具體做法，在《微機接口》課程教學中探索了在三本獨立學院計算機系培養(yǎng)學生系統(tǒng)能力的方法，并取得了較好的效果。

二、改革《微機接口》理論教學，適應(yīng)計算技術(shù)的發(fā)展

1.當今計算技術(shù)的發(fā)展情況與《微機接口》的課程目標。進入21世紀后，計算技術(shù)進入了以移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)計算為主要特征的新型網(wǎng)絡(luò)時代。在新型網(wǎng)絡(luò)時代，出現(xiàn)了嵌入式計算系統(tǒng)、移動計算系統(tǒng)、并行計算系統(tǒng)、基于服務(wù)的計算系統(tǒng)等“四類新型計算系統(tǒng)”[1]。顯然，一個計算機專業(yè)學生應(yīng)該了解并掌握這四類新計算系統(tǒng)的基本內(nèi)容。

《微機接口》的課程目標是學生學習后能夠掌握微型計算機的硬件組成及使用；學會運用指令系統(tǒng)和匯編語言進行程序設(shè)計；熟悉各種類型的接口及其應(yīng)用，從而樹立起微型計算機體系結(jié)構(gòu)的基本概念，進而提高其系統(tǒng)能力。近年來，隨著嵌入式系統(tǒng)的興起，作為新內(nèi)容，許多《微機接口》教材中都加入了對嵌入式微處理器編程的介紹，使得嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)成為了《微機接口》的部分內(nèi)容；而嵌入式系統(tǒng)又是“四類新型計算系統(tǒng)”[1]之一，從而使得《微機接口》這門課成為提高計算機專業(yè)學生系統(tǒng)能力的重要途徑。

2.計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)發(fā)展動態(tài)。計算機系統(tǒng)設(shè)計、分析、調(diào)優(yōu)和檢錯能力是計算機專業(yè)學生的專長。從國際上看，麻省理工學院、卡內(nèi)基梅隆大學、斯坦福大學等國外一流大學都非常重視計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)，都有若干門課程對計算機系統(tǒng)的多個層次進行講解。近年來，我國各高校積極推進計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的改革，如清華大學、南京大學都在學生系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面進行了有益的嘗試并取得了很好的教學效果。

3.《微機接口》理論教學的改革。理論是實踐的基礎(chǔ)，《微機接口》理論教學質(zhì)量的好壞，直接影響系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。而教學質(zhì)量的提高，可以通過課程內(nèi)容的調(diào)整、教學方法和教學手段的改進等方法來實現(xiàn)。

（1）課程內(nèi)容的調(diào)整。首先，注意研究《微機接口》的前序課程，避免重復(fù)，優(yōu)化課程內(nèi)容，合理分配學時。其次，加入對ARM系列微處理器及相關(guān)編程內(nèi)容的介紹，從而使得《微機接口》課程獲得知識更新。

英國的ARM公司是一家專門從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計開發(fā)的公司。由于具有工藝成熟、主頻高、功效低、代碼密度高、開發(fā)工具多、兼容性好等特點，目前ARM系列處理器已占據(jù)大部分市場份額，其應(yīng)用遍及工業(yè)控制、電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類嵌入式領(lǐng)域[2]。課程通過介紹ARM系列微處理器及相關(guān)編程內(nèi)容，使得學生對嵌入式系統(tǒng)有了初步的了解，為他們將來進一步的學習打下堅實的基礎(chǔ)。

（2）教學方法和教學手段的改進。強化對學生的課堂管理；從自編教材中選取案例，采用項目驅(qū)動、Proteus仿真軟件現(xiàn)場演示、動畫課件、視頻等方法提高學生的學習興趣。采用問題引導(dǎo)式互動教學，采用多媒體課件和板書相結(jié)合的教學手段來提高教學質(zhì)量。

“項目驅(qū)動教學”的基本思想是將工程理念引入到教學中，把所有教學內(nèi)容按主題設(shè)計為一個或幾個實踐項目[3]。從課程內(nèi)容出發(fā)，根據(jù)學生的具體情況，任課教師自己設(shè)計了醫(yī)院住院病人呼叫系統(tǒng)、交通燈模擬控制系統(tǒng)、定時中斷控制系統(tǒng)等項目以供學生練習進行微機接口的軟、硬件設(shè)計。這些項目不僅實踐性較好，使學生能將理論和實踐有機地聯(lián)系起來，而且具有一定的引導(dǎo)作用，能夠促進學生的深層次思考。另外，在設(shè)計項目案例的過程中，任課教師還特別注意了難度的控制。我校是一所三本獨立院校，絕大部分學生的學習基礎(chǔ)較差，因此項目的難度不能過高，比如：要求學生設(shè)計的定時中斷控制系統(tǒng)，實際上只需要一片8253和一片8259A芯片、若干電路連線和大約100多行8086匯編語言代碼就可以實現(xiàn)了。

在對項目分析實施的過程中，課程以學生為主體，激發(fā)學生的學習興趣，引導(dǎo)其積極思考，從而不斷提高學生的理論和實踐技能。而學生在完成這些項目的時候，可以自己設(shè)計項目方案、選擇實現(xiàn)平臺、方法以及項目組成員。另外，學生通過完成這些項目，還培養(yǎng)了他們的團隊意識、表達能力，同時對各種接口技術(shù)的運用也更加熟練。

三、改革《微機接口》實驗教學，提升學生的系統(tǒng)能力

《微機接口》是一門對實踐性要求很高的課程，沒有實驗教學的成功就無法實現(xiàn)教學目標。任課教師在設(shè)計、安排實驗內(nèi)容時遵循由簡到難、由軟到硬、從驗證性實驗到綜合性實驗的過程，使學生能夠從簡單的單個芯片實驗，逐步過渡到能夠獨立完成一個小的微機應(yīng)用系統(tǒng)。

Proteus是英國Labcenter Electronics公司開發(fā)的電子設(shè)計自動化軟件。Proteus擁有豐富的元器件模型、提供對8086、ARM7、PIC等主流處理器的支持；具有多樣的虛擬儀器、強大的圖表分析功能和第三方集成開發(fā)環(huán)境。在Proteus出現(xiàn)前，傳統(tǒng)的實驗教學一般都要在實驗箱上完成，學生只有在上實驗課時才能動手進行實驗操作，不僅靈活性差，硬件電路不便改動，而且也不利于系統(tǒng)能力的提高。當前，利用Proteus等仿真軟件進行電路設(shè)計已經(jīng)成為電子技術(shù)發(fā)展的必然趨勢[4]。

在本課程的實驗教學中，作為現(xiàn)有實驗的補充，教師通過引入Proteus仿真軟件作實驗平臺，解決了實驗受限于時間、地點、設(shè)備的問題。例如，上文所談到的一些實驗項目，在上實驗課的時候?qū)W生因為時間因素沒有完成，教師就布置學生在課下使用Proteus仿真實驗平臺去做，也達到了同樣的實驗效果。另外，筆者通過合理設(shè)計、安排實驗內(nèi)容等方法來提高實驗教學質(zhì)量，并采用觀察法、學生成績定量分析法、經(jīng)驗總結(jié)法對這些方法的教學效果進行總結(jié)并不斷提出改進的建議，從而不斷提升學生的系統(tǒng)能力。

四、加強《微機接口》教材建設(shè)，為教學改革創(chuàng)造條件

為了實現(xiàn)本文中所提出的教學理念和方法，作為現(xiàn)有教材的補充，筆者編寫了名為《基于Proteus的微機接口實驗》的實驗教材。該教材采用邊編寫、邊使用的原則，即編寫完成的實驗案例，馬上投入教學當中使用。教材編寫采用由淺入深的原則，教材中的所有實驗都以Proteus仿真軟件為平臺，從而使得實驗方式更為靈活。另外在教材中加入有關(guān)嵌入式微處理器編程的內(nèi)容，也對現(xiàn)有教材的內(nèi)容進行了更新和擴充。

五、結(jié)束語

計算技術(shù)的發(fā)展和計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的要求，無疑給計算機專業(yè)教師帶來了新的挑戰(zhàn)[5]。

筆者在《微機接口》課程中，通過課程內(nèi)容的調(diào)整、教學方法和教學手段的改進等方法進行了理論教學的改革；通過引入Proteus仿真實驗平臺、合理設(shè)計并安排實驗內(nèi)容等方法來提高實驗教學質(zhì)量；通過加強《微機接口》教材建設(shè)，為教學改革創(chuàng)造了必要的條件。實踐證明，以上的教學改革方法在《微機接口》課程教學中是切實可行的，并收到了較好的教學效果。在學校2013-2014（2）學期的教學質(zhì)量評價中，學生對《微機接口》任課教師的評分為91分，表明學生對于本課程的滿意程度還是比較高的。

參考文獻：

[1]王志英，周興社，袁春風，吳功宜，張鋼，何炎祥，陳向群.計算機專業(yè)學生系統(tǒng)能力培養(yǎng)和系統(tǒng)課程體系設(shè)置研究[J].計算機教育，2013，（09）：1-6.

[2]李佳.ARM系列處理器應(yīng)用技術(shù)完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2006：1-17.

[3]卜彥波，張春玲.淺談項目驅(qū)動法在一體化教學中的應(yīng)用[J].職業(yè)，2012，（12）：34-34.