激發(fā)學(xué)生內(nèi)驅(qū)力的《微機(jī)原理與接口技術(shù)》課程改革與實踐

陳應(yīng)松 尹宇芳 曾 鳳 宋 強(qiáng) 張慧潔 禹 瑋

（成都工業(yè)學(xué)院自動化與電氣學(xué)院 成都 611730）

0 引言

《微機(jī)原理與接口技術(shù)》是工科專業(yè)本科生的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是軟硬件結(jié)合，綜合性、實踐性都很強(qiáng)的課程。通過該課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握微型計算機(jī)的基本工作原理，培養(yǎng)學(xué)生利用匯編語言進(jìn)行底層編程的意識和使用合適的微處理器進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)的能力。課程的知識點(diǎn)多而繁雜，應(yīng)用性廣，在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)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(xué)習(xí)積極性受到打擊，沒有自信導(dǎo)致學(xué)習(xí)內(nèi)在動力不足；同時學(xué)業(yè)考核方法不夠全面，難以提供及時準(zhǔn)確的學(xué)習(xí)效果反饋，學(xué)生的問題不斷堆積，最終該課程的教學(xué)效果一直不太理想。因此，為了提高《微機(jī)原理與接口技術(shù)》的教學(xué)質(zhì)量和效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，提升學(xué)習(xí)該課程的積極性，有必要對該課程進(jìn)行改革，將新的教學(xué)模式引入到微機(jī)原理課程教學(xué)中。

1 課程建設(shè)面臨的問題

在學(xué)習(xí)《微機(jī)原理與接口技術(shù)》這門課程之前，學(xué)生對計算機(jī)的認(rèn)識還停留在應(yīng)用軟件的學(xué)習(xí)使用上，對計算機(jī)的組成、數(shù)字邏輯器件的了解很少。通過這門課程將學(xué)生對計算機(jī)的認(rèn)識由應(yīng)用軟件和高級語言編程帶入到對計算機(jī)主要組成硬件的認(rèn)識和應(yīng)用上來，使學(xué)生能夠掌握計算機(jī)的基本概念和運(yùn)行機(jī)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(xué)中存在著以下三個主要原因，制約課程的教學(xué)效果和學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。

1.1 雷同的培養(yǎng)目標(biāo)

《微機(jī)原理與接口技術(shù)》的培養(yǎng)目標(biāo)同《單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用》等課程有較大重合，雖然分別針對通用計算機(jī)系統(tǒng)和專用計算機(jī)系統(tǒng)，但是兩門課程在內(nèi)容范圍、知識結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)目標(biāo)等方面都十分相似?；?086CPU的微機(jī)原理與89C51的單片機(jī)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(jī)系統(tǒng)中需要使用匯編程序設(shè)計或混合編程的場合微乎其微，也很難找到微機(jī)課程中接口芯片的應(yīng)用。而其他兩種系統(tǒng)中單獨(dú)運(yùn)行的程序均可以使用匯編或混合編程，接口電路設(shè)計也有實際應(yīng)用作支撐，這成為很多高校都逐漸舍棄8086CPU的微機(jī)原理課程教學(xué)。

1.2 知識體系落后

隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和新設(shè)備的逐步推廣，現(xiàn)代微機(jī)實體與當(dāng)前微機(jī)原理課程知識體系間還是有巨大的鴻溝。在學(xué)生眼里，課上講解的微機(jī)模型和學(xué)習(xí)生活中使用的微機(jī)幾乎沒有關(guān)聯(lián)，學(xué)習(xí)的是一些過時落伍的知識，自然也就無法產(chǎn)生學(xué)習(xí)熱情，不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。

1.3 考核方式單一

同時傳統(tǒng)的考核方式學(xué)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(jī)制，這種考核方式存在一定的問題：出勤方面，很多同學(xué)“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(xué)生作業(yè)的正確率，教師很難準(zhǔn)確判斷每個學(xué)生的知識掌握情況，難以提供及時準(zhǔn)確的學(xué)習(xí)效果反饋。期末考試受考試時長限制，考核內(nèi)容主要是通用基礎(chǔ)知識和綜合性較低的題目，無法反映學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的掌握深度，導(dǎo)致學(xué)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(shè)計性實驗較少，不利于應(yīng)用型本科對于創(chuàng)新應(yīng)用人才的培養(yǎng)。

綜上三個教學(xué)問題造成很多學(xué)生在學(xué)完本課程后，只懂了基本的理論知識和一些獨(dú)立的部件，缺乏微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計能力。研究設(shè)計有針對性的解決方案，提高學(xué)生的內(nèi)在動力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性等，對微機(jī)原理課程進(jìn)行改革和實踐，形成以學(xué)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(xué)內(nèi)容

在計算機(jī)技術(shù)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(rèn)為，無論采用何種CPU為主講授，微機(jī)原理課程的教學(xué)目標(biāo)就是了解基本的計算機(jī)結(jié)構(gòu)，通過匯編編程理解微機(jī)系統(tǒng)如何工作?？偹苤?，當(dāng)前通用微機(jī)系統(tǒng)從8086到目前的i5、i7，全部支持8086的運(yùn)行模式，即8086實模式，所有PC機(jī)一上電工作都和當(dāng)初的8086機(jī)器一樣，先引導(dǎo)到8086實模式，再經(jīng)過操作系統(tǒng)引導(dǎo)，CPU才會轉(zhuǎn)換到8086不具備的保護(hù)模式。因此8086開展教學(xué)有很大的合理性，按照循序漸進(jìn)的教學(xué)原則讓學(xué)生掌握基本原理，培養(yǎng)基本能力，在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可以在課后再延續(xù)學(xué)習(xí)掌握現(xiàn)代微機(jī)知識。同時學(xué)習(xí)了8086系統(tǒng)架構(gòu)，能夠舉一反三，相對較容易理解89C51、STM32等專用微機(jī)系統(tǒng)。

（1）緊跟新知識、前沿技術(shù)

日新月異的計算機(jī)技術(shù)，要求我們隨時要調(diào)整授課內(nèi)容，在保留核心教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，將新知識、新技術(shù)不斷納入授課體系中，將新技術(shù)和傳統(tǒng)內(nèi)容進(jìn)行再組織，依據(jù)現(xiàn)代微機(jī)結(jié)構(gòu)組織章節(jié)內(nèi)容。例如在介紹微型計算機(jī)系統(tǒng)時，講授計算機(jī)技術(shù)指標(biāo)、計算機(jī)基準(zhǔn)測試、圖靈機(jī)結(jié)構(gòu)與原理、馮·諾依曼計算機(jī)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代微機(jī)系統(tǒng)的組成。介紹微處理器編程結(jié)構(gòu)時，講授8086編程結(jié)構(gòu)、Pentium和Core Duo的編程結(jié)構(gòu)、講授指令流水線、分支預(yù)測和Core Duo的并行處理。在分析和討論數(shù)據(jù)存儲技術(shù)時，介紹存儲器設(shè)計與微機(jī)存儲組織，包括現(xiàn)代微機(jī)的存儲系統(tǒng)、高速緩存的結(jié)構(gòu)與原理、閃存結(jié)構(gòu)與設(shè)計技術(shù)及存儲設(shè)備常用接口?？傊?，在講授基礎(chǔ)知識的同時，著重向?qū)W生介紹微機(jī)發(fā)展的新技術(shù)、新進(jìn)展，提高知識的時效性，從多個層面充分激發(fā)學(xué)生對課程的興趣，補(bǔ)齊傳統(tǒng)知識體系在現(xiàn)代微機(jī)技術(shù)方面的短板，讓學(xué)生在理論層面認(rèn)知上建立起與現(xiàn)代微機(jī)相符的知識模型。

（2）整體系統(tǒng)加案例安排教學(xué)內(nèi)容

目前課程教學(xué)采用分散式教學(xué)方式，簡單介紹微機(jī)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(shù)等知識。這樣組織教學(xué)內(nèi)容使學(xué)生感到各章節(jié)內(nèi)容分散，無法形成整體概念，學(xué)后不知道微機(jī)系統(tǒng)如何工作，阻礙了學(xué)生整體設(shè)計能力的發(fā)揮。因此在指定教學(xué)內(nèi)容的時候，注意對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整體性的設(shè)計，以8086CPU模塊工作為核心，以總線為主線，將繁雜、零散的內(nèi)容串聯(lián)成一個整體。教師選取既典型又不復(fù)雜的實例，貫穿課堂教學(xué)的每一個環(huán)節(jié)，通過案例引入新知識，融會貫通知識點(diǎn)；圍繞實例的開發(fā)過程作為框架，將實例劃分為具體的、細(xì)化的模塊，這樣有利于學(xué)生對整個系統(tǒng)的理解。如表1所示所選實例的教學(xué)內(nèi)容的解構(gòu)與重構(gòu)。這些課程實例將相關(guān)的各個知識點(diǎn)串聯(lián)起來，學(xué)生更加容易理解和接受，提高了學(xué)習(xí)效率。

表1 案例的教學(xué)內(nèi)容的解構(gòu)與重構(gòu)Table 1 Deconstruction and reconstruction of case teaching content

在傳統(tǒng)的接口技術(shù)教學(xué)中，是按內(nèi)部結(jié)構(gòu)、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(dú)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(biāo)教學(xué)后，教學(xué)內(nèi)容采用從系統(tǒng)到內(nèi)部再到系統(tǒng)的循環(huán)，加深學(xué)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(guān)聯(lián)內(nèi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳，這樣有利于對整體結(jié)構(gòu)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(shè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)圖為背景，結(jié)合引腳信號，順著8253工作步驟，進(jìn)行動態(tài)演示，一步步有重點(diǎn)地講解，在此過程中，又不斷設(shè)問或引導(dǎo)學(xué)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(shè)計硬件電路，先說明8253作為接口在系統(tǒng)當(dāng)中的地位，一邊接入廣告燈，一邊連接到CPU。緊接著設(shè)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(guān)信號應(yīng)該如何連接，最終得到電路設(shè)計圖。第三步在硬件電路設(shè)計基礎(chǔ)上，進(jìn)行軟件編程，可以先簡化問題，把實例進(jìn)行簡化、拆分。在掌握基本方法后再將實例延伸，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考。最后再進(jìn)行拓展，如果設(shè)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(xué)習(xí)和討論，老師了解學(xué)生對相關(guān)知識的認(rèn)識程度，引導(dǎo)學(xué)生分類歸納整理。

2.2 改進(jìn)教學(xué)手段

利用現(xiàn)代技術(shù)，引入數(shù)字教學(xué)工具，靈活運(yùn)用線上線下混合的教學(xué)方法，使學(xué)生主體化，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力，構(gòu)建參與式研討型互動課堂教學(xué)。

師生通過雨課堂從課前、課中和課后三個方面加強(qiáng)互動。課前引導(dǎo)學(xué)生了解課程整體框架和重點(diǎn)、難點(diǎn)知識，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力；授課前通過雨課堂等向?qū)W生推送教學(xué)資料，幫助學(xué)生搭建課程學(xué)習(xí)框架，學(xué)生接收預(yù)習(xí)資料后，通過平臺提交預(yù)習(xí)結(jié)果。課中提高學(xué)生的課堂參與度，增加師生互動，活躍課堂氣氛，提高課堂質(zhì)量；因為有學(xué)生提前做好的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備，教師授課時，學(xué)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(diǎn)和難點(diǎn)、分配后續(xù)課程教學(xué)學(xué)時，優(yōu)化課堂教學(xué)進(jìn)度和內(nèi)容。課后合理安排復(fù)習(xí)內(nèi)容，幫助學(xué)生梳理課程內(nèi)容；教師將優(yōu)選典型的微機(jī)控制系統(tǒng)案例及最新的技術(shù)成果，以拓展資料、總結(jié)等推送給學(xué)生，提升學(xué)生運(yùn)用課堂知識解決實際問題的能力；教師分享課程教學(xué)反思，要求學(xué)生以思維導(dǎo)圖的形式提交課程知識結(jié)構(gòu)圖，幫助學(xué)生搭建完整的知識體系框架；最后根據(jù)學(xué)生的全過程學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，制定了更加客觀合理的課程成績評定標(biāo)準(zhǔn)。課程教學(xué)模式如圖1 所示，課堂學(xué)習(xí)效果評測通過雨課堂APP 提供，方便學(xué)生針對不理解的地方與教師進(jìn)行實時討論，擴(kuò)展教學(xué)空間。這種模式能使教師能根據(jù)學(xué)情反饋及時調(diào)整教學(xué)方式和內(nèi)容，實現(xiàn)了教與學(xué)的良性循環(huán)，從而提高了課程教學(xué)質(zhì)量，提升了學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力，培養(yǎng)出高質(zhì)量的新一代微型計算機(jī)工程應(yīng)用人才。

圖1 課程教學(xué)模式Fig.1 Course teaching mode

2.3 引入課外挑戰(zhàn)項目

在傳統(tǒng)“微機(jī)原理與接口技術(shù)”的理論、實踐的教學(xué)外，向?qū)W生開放實驗室，運(yùn)用項目開展第二課堂，突出學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)學(xué)生分析問題與解決問題的實踐動手能力。教師根據(jù)學(xué)科競賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、教師科研項目等將教學(xué)內(nèi)容巧妙地與項目融合，凝練成微機(jī)原理的期末挑戰(zhàn)項目，制定明確的目標(biāo)任務(wù)。項目一般在開學(xué)之初發(fā)布，同學(xué)可自行分組，以3~4 個學(xué)生為一組，每組推薦組長1 名，負(fù)責(zé)組織和協(xié)調(diào)組內(nèi)成員在項目設(shè)計過程中遇到的問題。該項目貫穿整個學(xué)期始終，促使學(xué)生帶著問題進(jìn)入課堂，有效提升學(xué)生的課堂參與度。挑戰(zhàn)項目的指導(dǎo)團(tuán)隊可邀請高年級優(yōu)秀學(xué)長和本年級優(yōu)秀學(xué)生加入，在指導(dǎo)團(tuán)隊指導(dǎo)下，學(xué)生以小組為單位，緊緊圍繞分配的項目任務(wù)，利用互聯(lián)網(wǎng)、圖書館等學(xué)習(xí)資源等主動收集、整理和歸納相關(guān)知識，自主探索和互助式學(xué)習(xí)。每組獨(dú)立完成項目分析、設(shè)計、電路的構(gòu)建、硬件資源的分配、代碼編寫和調(diào)試，獨(dú)立撰寫項目設(shè)計報告。項目考核至少分3 個階段進(jìn)行檢查，最終進(jìn)行統(tǒng)一答辯并計入課程成績。課外挑戰(zhàn)項目提升學(xué)生的動手能力、自主學(xué)習(xí)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(tuán)隊精神與創(chuàng)新能力，形成了“比學(xué)趕超幫”的良好學(xué)風(fēng)，最大限度激發(fā)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力和學(xué)習(xí)能動性，培養(yǎng)學(xué)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(yīng)用技術(shù)型和創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)能力。

2.4 建立多元的教學(xué)評價

科學(xué)合理地對學(xué)生課程學(xué)習(xí)進(jìn)行評價是教學(xué)過程的重要環(huán)節(jié)，考核方式轉(zhuǎn)變?yōu)檎麄€學(xué)期的學(xué)習(xí)全過程評價，具體改革措施如下：

（1）利用雨課堂教學(xué)平臺實時評價，提高課堂教學(xué)中的動態(tài)響應(yīng)能力，將學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)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(shè)計表Table 2 Assessment design table of 8253 interface chip

（2）嚴(yán)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(jié)合。由教師擬定若干實驗考試題目，學(xué)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(jié)果和完成的時間來評定成績。實驗理論考試主要檢查學(xué)生的分析設(shè)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(xué)生認(rèn)真地對待每一個實驗，督促學(xué)生及時復(fù)習(xí)與總結(jié)，讓學(xué)生真正體會理論與實踐相結(jié)合的效果，真正檢驗學(xué)生的實際動手能力。

（3）借鑒學(xué)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(jìn)行檢查，第一階段為項目設(shè)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(tuán)隊包括3名以上教師、2名高年級優(yōu)秀學(xué)長、2名本年級優(yōu)秀學(xué)生組成，教師全方位把關(guān)。答辯成績包括小組成員內(nèi)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(xì)則如表3所示。

表3 課外項目評分維度和評分標(biāo)準(zhǔn)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(xué)生在知識、能力和素質(zhì)方面的培養(yǎng)效果，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力，激勵學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中的投入，提高學(xué)習(xí)成效。把期未課程考試壓力分解到平時的學(xué)習(xí)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(xué)生學(xué)習(xí)效果，將著眼點(diǎn)定位到真正有益于自身長遠(yuǎn)發(fā)展的創(chuàng)新能力和素質(zhì)提升上來。

3 結(jié)語

本文分析了《微機(jī)原理與接口技術(shù)》課程在教學(xué)過程中面臨的困局，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)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(xué)與實踐教學(xué)之間的屏障，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動性和學(xué)習(xí)潛能，提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，進(jìn)一步鞏固和加深學(xué)生對理論知識的理解，提高學(xué)生設(shè)計與開發(fā)完整微機(jī)系統(tǒng)的能力，符合新形勢社會對應(yīng)用型高級專門人才培養(yǎng)的內(nèi)在要求。從近三年的課程改革和成果來看，學(xué)生不再懼怕《微機(jī)原理與接口技術(shù)》，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣明顯提升，課堂活躍，課外項目制作質(zhì)量越來越高，教學(xué)效果得到較大改善，學(xué)生的成績逐年呈上升趨勢；同時為后續(xù)的嵌入式課程學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)，學(xué)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(xué)獲得各類學(xué)科競賽、雙創(chuàng)競賽的國家級、省級獎勵；學(xué)生在專利授權(quán)和發(fā)表論文也有較大突破。

總之，微機(jī)原理課程改革建設(shè)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。