微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)改革探索

杜巧玲　任增強(qiáng)

摘要：筆者深入分析《微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)》課程教學(xué)中存在的問題，從學(xué)習(xí)意義的明確、教學(xué)內(nèi)容的更新、教學(xué)方法與考核方式幾個(gè)方面進(jìn)行了一系列的教學(xué)探索。針對(duì)微型計(jì)算機(jī)升級(jí)換代較快的現(xiàn)狀，提出了教材修訂計(jì)劃；針對(duì)微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)復(fù)雜度較高、學(xué)生較難理解的問題，提出了從設(shè)計(jì)者角度講授課程的教學(xué)方法；改革考核方法督促了學(xué)生參與課堂教學(xué)，培養(yǎng)了學(xué)生舉一反三、靈活設(shè)計(jì)的能力。教學(xué)實(shí)踐表明，采取的這些措施激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，提高了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，有效地改善了課堂教學(xué)的效果。

關(guān)鍵詞：微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)；本科生教學(xué)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）26-0091-03

《微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)》是教育部指定的非計(jì)算機(jī)專業(yè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程6門核心課程之一。本課程是本校電路與系統(tǒng)專業(yè)本科生的專業(yè)選修課程，也是自動(dòng)控制類專業(yè)、信息類專業(yè)和通信類專業(yè)本科生的重要專業(yè)課程。通過對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握有關(guān)微型計(jì)算機(jī)的基本理論、匯編語言程序設(shè)計(jì)以及相關(guān)接口技術(shù)的原理、設(shè)計(jì)方法和具體應(yīng)用。

由于微處理器日新月異，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷更新，硬件系統(tǒng)升級(jí)換代，當(dāng)代的“微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)”已經(jīng)與早期的“8086/8088微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)”有很大的不同。如果課堂教學(xué)依然沿用傳統(tǒng)教學(xué)模式，會(huì)導(dǎo)致微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)的理論教學(xué)與時(shí)代嚴(yán)重脫節(jié)。因此《微機(jī)原理與接口技術(shù)》課程的教學(xué)內(nèi)容需要更新。同時(shí)，為了得到良好的教學(xué)效果，教學(xué)方法、考核方法等也需要進(jìn)行全方位的改革。首先，在教學(xué)內(nèi)容上，經(jīng)典教材“8086/8088微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)”不能涵蓋微機(jī)體系結(jié)構(gòu)的新技術(shù)，導(dǎo)致教學(xué)脫離實(shí)際應(yīng)用技術(shù)。其次，在教學(xué)方法上，如果單純從使用者角度，按照教材講解《微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)》課程，導(dǎo)致授課內(nèi)容抽象、枯燥，學(xué)生不易理解，難于記憶。筆者根據(jù)十幾年積累的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在吉林省教育廳項(xiàng)目和吉林大學(xué)本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目的支持下，從電路與系統(tǒng)專業(yè)的本科生特點(diǎn)出發(fā)，開展了《微機(jī)原理與接口技術(shù)》課程的教學(xué)改革與實(shí)踐。

一、明確本時(shí)代學(xué)習(xí)微機(jī)原理的意義

明確學(xué)習(xí)意義、樹立學(xué)習(xí)目標(biāo)，是課程深入學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)。微型計(jì)算機(jī)從20世紀(jì)80年代發(fā)展至今，經(jīng)歷了幾個(gè)階段，每個(gè)階段都有重要的新技術(shù)出現(xiàn)。為什么這些新技術(shù)只能在相應(yīng)階段產(chǎn)生？如果我們也處在那個(gè)年代，是否也會(huì)為這種新技術(shù)貢獻(xiàn)力量？從以上問題出發(fā)，引發(fā)學(xué)生設(shè)身處地地思考問題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)微機(jī)原理與接口技術(shù)的興趣。

微型計(jì)算機(jī)發(fā)展至今，難題不斷被攻克，技術(shù)不斷成熟，是否意味著微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)完善？微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還會(huì)有新問題需要解決嗎？學(xué)生需要清楚以上問題的答案，并明確學(xué)習(xí)的必要性。使學(xué)生了解目前微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，清楚本時(shí)代微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向，明確學(xué)習(xí)的方向。

筆者帶著以上問題，邊介紹邊提問，引領(lǐng)學(xué)生共同回顧微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史。讓學(xué)生清楚每個(gè)發(fā)展階段的歷史局限性和當(dāng)時(shí)的社會(huì)需求，使學(xué)生從歷史的角度思考時(shí)代問題、提出解決問題的方法，帶領(lǐng)學(xué)生融入到微機(jī)原理的課堂教學(xué)中。同時(shí)，筆者概括介紹目前微機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)，指出目前在微機(jī)系統(tǒng)中仍需改進(jìn)的技術(shù)難題，使學(xué)生明確學(xué)習(xí)微機(jī)原理與接口技術(shù)的實(shí)際意義，給出學(xué)習(xí)方向，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

二、與時(shí)俱進(jìn)，更新教學(xué)內(nèi)容

《微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)》主要的教學(xué)內(nèi)容是微處理器的體系結(jié)構(gòu)和工作原理，以及相應(yīng)的接口技術(shù)。當(dāng)今時(shí)代，微處理器迅猛發(fā)展，型號(hào)已經(jīng)從上世紀(jì)80年代初期的8086/8088升級(jí)換代為英特爾酷睿i7處理器。微處理器更新?lián)Q代要求新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，并將其集成到微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，相應(yīng)的微型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)得到不斷改進(jìn)。然而，在教學(xué)中，往往是依舊采用經(jīng)典教材，講授“8086/8088微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)”的課程，導(dǎo)致理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)。例如，8086/8088微型計(jì)算機(jī)原理中存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)為CPU、主存和外存，不包含高速緩沖存儲(chǔ)器Cache；但從80386開始存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)中增加了外部Cache部件，以提高CPU訪問內(nèi)存的速度。從奔騰開始，Cache部件演變?yōu)橹噶頒ache和數(shù)據(jù)Cache，并集成到CPU內(nèi)部，作為外內(nèi)外設(shè)。此外，還有浮點(diǎn)部件，超標(biāo)量流水線等新技術(shù)不斷被集成到CPU芯片上，作為片內(nèi)資源。因此，微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)教材需要重新修訂，更新教學(xué)內(nèi)容。

更新教學(xué)內(nèi)容并不意味著所有微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的新技術(shù)都需要涉及。微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)升級(jí)較快，如果要求每次體系結(jié)構(gòu)的變化都體現(xiàn)在課堂教學(xué)中是不現(xiàn)實(shí)的，也是不必要的。課堂教學(xué)學(xué)時(shí)有限，不能包羅萬象，泛泛講解每種新技術(shù)。這樣做只會(huì)增加硬件系統(tǒng)的復(fù)雜性，使學(xué)生難于掌握微型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的框架和重點(diǎn)內(nèi)容。因此，更新教學(xué)內(nèi)容，修訂教材應(yīng)該針對(duì)體系結(jié)構(gòu)改進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)，并圍繞該技術(shù)展開詳細(xì)講解。

更新教學(xué)內(nèi)容并不意味著摒棄舊知識(shí)點(diǎn)。8086/8088微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是X86架構(gòu)的經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)，運(yùn)算器、控制器和寄存器組依然是目前微機(jī)系統(tǒng)的組成基礎(chǔ)。學(xué)生在重點(diǎn)學(xué)習(xí)該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，才能進(jìn)一步掌握集成到CPU內(nèi)部的新技術(shù)，全面掌握微機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理。因此，更新教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該做到既保留8086/8088微型計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)經(jīng)典內(nèi)容，又增加新的關(guān)鍵技術(shù)。

針對(duì)以上問題，筆者編寫了本門課程的教材《Pentium系列微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)》，并于2008年由西安電子科技大學(xué)出版。該教材是高等學(xué)校電子與通信類專業(yè)“十一五”規(guī)劃教材。教材在編寫時(shí)，充分考慮了以上的問題，將教材內(nèi)容選定為英特爾的Pentium系列微處理器。該微處理器是可超頻的微處理器，浮點(diǎn)性能、Cache性能等是當(dāng)時(shí)CPU系列中最高的，同時(shí)擁有較高的性價(jià)比。教材組織時(shí)，也充分兼顧了8086/8088微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，將其內(nèi)容安排在Pentium新技術(shù)之前介紹。該教材出版后一直沿用至今，取得了顯著的教學(xué)效果。

三、從設(shè)計(jì)者角度講授課程內(nèi)容

《微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)》是一門內(nèi)容抽象、學(xué)習(xí)難度較大的課程。因?yàn)槲⑿陀?jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件復(fù)雜性較高，涉及的新概念、技術(shù)術(shù)語較多，學(xué)生很難理解、接受該門課程的知識(shí)要點(diǎn)。那么如何教授才能使這門課讓學(xué)生易于理解？如何教授才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力呢？

針對(duì)以上問題，筆者在授課時(shí)注意將微機(jī)原理的內(nèi)容與電路、數(shù)電等課程的內(nèi)容相聯(lián)系。例如，時(shí)序電路與D觸發(fā)器聯(lián)系等。讓學(xué)生感覺到“微機(jī)原理與接口技術(shù)”既熟悉又陌生。使學(xué)生明白可以用熟悉的電路、數(shù)電知識(shí)搭建出新的模塊，實(shí)現(xiàn)新的功能。使學(xué)生認(rèn)識(shí)到對(duì)于陌生、難懂的功能模塊，只要肯認(rèn)真學(xué)，學(xué)習(xí)效果與電路、數(shù)電課程是一樣的。

筆者在講授模塊功能、結(jié)構(gòu)時(shí)，采用了以下的教學(xué)方法。首先，介紹該模塊的功能，提出設(shè)計(jì)目標(biāo)，引發(fā)學(xué)生思考“如何設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)該模塊功能”。其次，按設(shè)計(jì)要求逐次介紹每個(gè)組成部分。最后，從整體上驗(yàn)證功能的實(shí)現(xiàn)。帶領(lǐng)學(xué)生從各個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)角度出發(fā)，讓學(xué)生身臨其境，思考模塊結(jié)構(gòu)，反復(fù)練習(xí)從工程要求分析問題的方法，提高學(xué)生解決問題的能力。

四、課程考核方法的改革

為了實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育，培養(yǎng)具有分析問題、解決問題能力的創(chuàng)新性人才，考試模式必須從應(yīng)試教育模式中解脫出來。在考核方式上，筆者將期末總評(píng)成績分為期末考試成績和平時(shí)成績。期末考試成績的權(quán)重為80%，平時(shí)成績的權(quán)重為20%。期末考試由閉卷模式改為開卷模式，開卷考試可以帶參考書。開卷考試改革主要是針對(duì)“微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)”的課程特點(diǎn)。本門課程涉及眾多控制寄存器，從工程實(shí)際應(yīng)用的角度，這些寄存器的設(shè)置不需要死記硬背，主要培養(yǎng)學(xué)生的靈活使用能力。此外，考慮工程設(shè)計(jì)時(shí)可以翻閱參考書，因此將期末考試定位為可以帶參考書的開卷考試。平時(shí)成績主要包括出勤情況、課堂作業(yè)和課后作業(yè)。這樣的考核方法督促了學(xué)生參與課堂教學(xué)，防止了學(xué)生考前突擊，使學(xué)生注意平時(shí)的學(xué)習(xí)積累，培養(yǎng)學(xué)生舉一反三、靈活設(shè)計(jì)的能力。

《微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)》是一門理論性強(qiáng)、工程性強(qiáng)的課程。筆者根據(jù)多年來的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，從學(xué)習(xí)意義的明確、教學(xué)內(nèi)容的更新、教學(xué)方法和考核方式幾個(gè)方面提出了相應(yīng)的改革措施。教學(xué)實(shí)踐證明，采取的這些措施提高了學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的興趣，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，有效地改善了課堂教學(xué)的效果。通過本門課程的學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生綜合設(shè)計(jì)的能力。

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