最新面向卓越工程師的“微機原理”教學(xué)改革探討論文
[摘 要]針對“卓越計算機科學(xué)與技術(shù)工程師”專(zhuān)業(yè)“微機原理”課程的教學(xué)內容多、知識點(diǎn)零散、學(xué)生學(xué)習積極性低、實(shí)踐教學(xué)薄弱等問(wèn)題，提出在課程教學(xué)設計、教學(xué)內容、教學(xué)方法和考試方式等方面進(jìn)行改革，著(zhù)眼于課堂教學(xué)、實(shí)驗教學(xué)、課外科技創(chuàng )新實(shí)踐與企業(yè)實(shí)訓四個(gè)課堂的有機結合，注重培養學(xué)生的人性化發(fā)展和自主學(xué)習，以面向應用和企業(yè)需求的工程師為目標加強實(shí)踐教學(xué)，以學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng )新意識為主線(xiàn)構建課程的教學(xué)內容，以“應用”為主導選擇課程的教學(xué)方法。通過(guò)在“微機原理”課程教學(xué)中科學(xué)合理地進(jìn)行教學(xué)改革實(shí)踐，不僅能夠提高學(xué)生學(xué)習這門(mén)課的興趣和熱情，而且對學(xué)生實(shí)踐創(chuàng )新能力的培養是一個(gè)有益的嘗試，也培養了學(xué)生的創(chuàng )新思維，更深層次的挖掘學(xué)生才能，使學(xué)生能夠全面均衡的發(fā)展。
[關(guān)鍵詞]卓越工程師；微機原理；教學(xué)改革；教學(xué)方法
“卓越計算機科學(xué)與技術(shù)工程師”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“卓越計科工程師”）專(zhuān)業(yè)是西南科技大學(xué)省級“卓越工程師教育培養計劃”試點(diǎn)專(zhuān)業(yè)之一，旨在培養具有系統的理論、工程技術(shù)基礎、良好的職業(yè)素養以及科技創(chuàng )新精神的工程師人才。培養模式采用“3+1”培養模式（三年在學(xué)校進(jìn)行學(xué)習，最后一年在企業(yè)進(jìn)行聯(lián)合培養），著(zhù)重培養學(xué)生的個(gè)性發(fā)展以及實(shí)踐和創(chuàng )新意識，更深層次的挖掘學(xué)生才能，使學(xué)生能夠全面均衡的發(fā)展，培養滿(mǎn)足企業(yè)需求的工程師�！拔C原理”課程是計算機科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎課程，主要介紹微型計算機的基本概念、基本工作原理及接口技術(shù)。通過(guò)本課程的學(xué)習，使學(xué)生能夠從應用的角度出發(fā)，在理論和實(shí)踐上掌握微型計算機的基本組成、工作原理及常用接口技術(shù)；初步掌握匯編語(yǔ)言程序設計的基本方法和上機調試過(guò)程；建立微機整體概念，具備利用微機進(jìn)行硬、軟件開(kāi)發(fā)的初步能力。[1]
一、微機原理課程教學(xué)中存在的問(wèn)題
經(jīng)過(guò)多年的微機原理課程教學(xué)，筆者發(fā)現大多數學(xué)生對“微機原理”課程的學(xué)習積極性差，教學(xué)效果不好，學(xué)生反映課程內容比較抽象難以理解，學(xué)起來(lái)枯燥缺乏興趣，實(shí)驗形式單一、方法單調，因而對課程的學(xué)習興趣大大降低。[2] [3]其存在的問(wèn)題主要有以下幾點(diǎn)。
（一）學(xué)習主動(dòng)性、積極性低
首先，“微機原理”課程教學(xué)內容綜合了微型計算機軟、硬件的理論知識，要求學(xué)生既要掌握扎實(shí)的計算機硬件理論知識，又要有良好的面向機器語(yǔ)言進(jìn)行程序設計的能力。這對于大多數沒(méi)有實(shí)踐經(jīng)驗，特別是基礎又不扎實(shí)的學(xué)生而言，就會(huì )覺(jué)得這門(mén)課程內容很抽象、難懂，因而導致學(xué)習興趣下降，學(xué)習主動(dòng)性、積極性低。其次，課程內容多，知識點(diǎn)比較散亂，班級容量大（大班教學(xué)），教學(xué)主要以“老師講”為主，學(xué)生參與互動(dòng)、討論少。
（二）實(shí)驗教學(xué)設計不合理
課程以理論教學(xué)為主，實(shí)驗教學(xué)安排內容比較少，并且在實(shí)驗教學(xué)環(huán)節上主要安排驗證性實(shí)驗。這使得學(xué)生不用自己設計實(shí)驗控制電路和控制程度，阻礙了學(xué)生發(fā)散思維。同時(shí)，學(xué)生對于實(shí)驗只是走過(guò)場(chǎng)，不用自己動(dòng)腦，時(shí)間長(cháng)了就會(huì )使學(xué)生產(chǎn)生惰性。因此，實(shí)驗教學(xué)起不到融合、驗證和鞏固理論知識的目的。
（三）考核方式不合理
該課程的考核包括理論和實(shí)驗兩部分，理論成績(jì)由平時(shí)成績(jì)、期末考試成績(jì)按不同比例構成。期末考試成績(jì)占總成績(jì)的70%，實(shí)驗成績(jì)占總成績(jì)的20%，平時(shí)成績(jì)只占總成績(jì)的 10%。因此導致教學(xué)過(guò)程管理薄弱，對教學(xué)過(guò)程考核檢查不足，學(xué)生只重視期末考試成績(jì)，其結果是對以后課程的學(xué)習和企業(yè)實(shí)訓起不到鋪墊作用。
二、教學(xué)改革方案
科學(xué)合理的課程教學(xué)設計、教學(xué)內容、教學(xué)方法和考試方式對于“卓越計科工程師”專(zhuān)業(yè)的學(xué)生掌握微機原理具有十分重要的意義。面向“卓越計科工程師”專(zhuān)業(yè)的“微機原理”課程的教學(xué)方案應著(zhù)眼于四個(gè)課堂的有機結合，落腳點(diǎn)為課堂教學(xué)、實(shí)驗教學(xué)、課外科技創(chuàng )新實(shí)踐與企業(yè)實(shí)訓，注重培養學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展和自主學(xué)習。同時(shí)，以培養滿(mǎn)足企業(yè)需求的工程師為目標，以學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng )新意識為主線(xiàn)構建課程的教學(xué)內容，以“應用”為主導選擇課程的教學(xué)方法。
（一）以學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng )新意識為主線(xiàn)構建課程的教學(xué)內容
第一次課進(jìn)行學(xué)前動(dòng)員，不立刻講授課程的內容，而是對課程作整體性、概括性的介紹，使學(xué)生明白課程的重要性及特點(diǎn)，讓學(xué)生明白學(xué)習本課程對于熟悉和掌握現代計算機的基本概念和技術(shù)以及學(xué)習后續相關(guān)課程均具有重要意義。這樣做能有的放矢，激發(fā)學(xué)生學(xué)習的動(dòng)力。第一次課后，學(xué)生就會(huì )以主動(dòng)和比較輕松的心態(tài)來(lái)學(xué)習后續章節的內容。
“微機原理”的基本理論與核心接口技術(shù)是課程重點(diǎn)講授的內容，同時(shí)適當引入現代高性能和多核微處理器的先進(jìn)技術(shù)及典型結構�，F實(shí)中存在多種類(lèi)型的微型計算機，但不論是哪種微機，都包含微處理器、存儲器、并行/串行接口、定時(shí)器/計數器電路、A / D與D / A轉換電路等幾大模塊，其對應的章節包括計算機的基本組成及工作過(guò)程、微處理器結構、指令系統、匯編語(yǔ)言程序設計、存儲器、輸入與輸出、可編程I / O接口電路、A / D與D / A轉換電路、總線(xiàn)及常見(jiàn)總線(xiàn)標準和高性能微處理器的先進(jìn)技術(shù)及典型結構等。對于這些章節，重點(diǎn)講授計算機的基本組成及工作過(guò)程、微處理器結構、存儲器、接口技術(shù)。在學(xué)習各個(gè)知識點(diǎn)時(shí)，既要強調其是“基本理論”，又要要求進(jìn)行“實(shí)踐”�！白吭接嬁乒こ處煛睂�(zhuān)業(yè)在進(jìn)校的第三學(xué)期開(kāi)設“數字電路和模擬電路”課程，學(xué)生對微型計算機硬件電路組成已有初步了解。在講授“微機原理”的過(guò)程中，結合“數字電路和模擬電路”來(lái)講解，能使學(xué)生對微機原理有一個(gè)感性認識，也加深對微型計算機組成原理的理解。如硬布線(xiàn)控制器原理，主要由環(huán)形脈沖發(fā)生器、指令譯碼器和微命令編碼器組成，學(xué)生很難理解它的實(shí)質(zhì)。這時(shí)就可以將硬布線(xiàn)控制器中的電路原理直觀(guān)地展現給學(xué)生，方便學(xué)生理解記憶。在講授微機基本原理和接口技術(shù)的同時(shí)，適當引入一些目前應用的新理論和新技術(shù)，讓學(xué)生了解微型計算機的發(fā)展最新趨勢，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習動(dòng)力。如講存儲器時(shí)，可加入虛擬存儲技術(shù)和云存儲等新技術(shù)。
（二）以培養滿(mǎn)足企業(yè)需求的'工程師為目標加強實(shí)踐教學(xué)
從教學(xué)課時(shí)和教學(xué)內容上加強實(shí)踐教學(xué)�！拔C原理”除了一些基本原理外，主要介紹各種接口技術(shù)，而這些接口技術(shù)在理論課中只抽象地介紹接口的工作原理，因而必須通過(guò)實(shí)踐，讓學(xué)生來(lái)設計接口電路，編寫(xiě)接口程序，少講多實(shí)踐，以此加深對微機接口技術(shù)的理解。具體的實(shí)驗項目有微機仿真開(kāi)發(fā)系統應用、模數與數模轉換、鍵盤(pán)顯示器接口、微機串行口通信、PCI設備操作、可編程并行接口、可編程定時(shí) / 計數器與中斷控制和基于微機的串行口通信8個(gè)單元實(shí)驗，以及1個(gè)基于微機或單片機系統的自選題目的綜合實(shí)驗。實(shí)驗項目多，需增加教學(xué)的學(xué)時(shí)。
微機原理實(shí)踐教學(xué)平臺可以有多種，包括固定結構的實(shí)驗箱、軟件仿真實(shí)驗、基于FPGA的在線(xiàn)實(shí)驗和基于E-Lab的硬仿真軟件。[4]其中基于FPGA的在線(xiàn)實(shí)驗和E-Lab的硬仿真軟件實(shí)踐教學(xué)模式充分利用現代信息技術(shù)，同時(shí)也保留了傳統固定結構的實(shí)驗箱模式的優(yōu)點(diǎn)，可為實(shí)驗教學(xué)提供實(shí)踐平臺，為“卓越計科工程師”專(zhuān)業(yè)學(xué)生設計多層次的實(shí)驗項目。第一層次的實(shí)驗主要為基礎單元實(shí)驗，主要包括：①數模和模數轉換接口實(shí)驗，實(shí)驗目的是深化數模和模數轉換電路的基本原理和接口方法、模數和數模轉換芯片（ADC0809、DAC0832）的工作性能，掌握模數和數模轉換的編程方法；②鍵盤(pán)顯示器接口實(shí)驗，實(shí)驗目的是掌握鍵盤(pán)顯示接口芯片8279與單片機的硬件連接方法、8279的編程方法，以及單片機內部定時(shí)器的使用方法；③微機串行口通信實(shí)驗，實(shí)驗目的是深化異步串行通訊的基本原理，掌握用微機串行口設計實(shí)現異步串行通信的方法，掌握串行接口芯片8251的工作原理和使用方法；④PCI設備操作實(shí)驗，實(shí)驗目的是了解PCI設備的工作原理和自動(dòng)配置過(guò)程，掌握PCI BIOS的使用方法，熟悉自行開(kāi)發(fā)的PCI實(shí)驗接口卡的使用，為后續實(shí)驗打下基礎；⑤可編程并行接口實(shí)驗，實(shí)驗目的是深化并行接口的基本原理和實(shí)現方法，掌握并行接口芯片8255工作原理和使用方法；⑥可編程定時(shí) / 計數器與中斷控制實(shí)驗，實(shí)驗目的是深化PC機中斷系統的基本原理，學(xué)會(huì )編寫(xiě)中斷服務(wù)程序，掌握定時(shí) / 計數器芯片8253的基本工作原理和使用方法。第二層次的實(shí)驗是系統綜合實(shí)驗，通過(guò)學(xué)生自己動(dòng)手，建立微機系統整體概念，訓練系統綜合設計能力和創(chuàng )新能力，如基于實(shí)驗平臺，自行完成實(shí)驗項目（參考項目名稱(chēng)：電子琴、步進(jìn)電機控制、溫度控制系統、數字錄音機、電子游戲等）。第三層次的實(shí)驗是基于微型計算機的嵌入式系統設計實(shí)驗。上面的前兩個(gè)層次的實(shí)驗面向所有學(xué)生，最后一個(gè)層次的實(shí)驗主要針對創(chuàng )新和實(shí)踐能力較強的學(xué)生設置。
（三）以“應用”為主導選擇課程的教學(xué)方法
1.角色變換與混合式教學(xué)方法相結合。首先，教師要完成從“以教師為中心”的傳統教學(xué)觀(guān)念轉變到“以學(xué)生為中心”的新觀(guān)念。其次，教師要完成角色的變換，從以講臺為主的角色轉變?yōu)橹笇橹鞯慕巧�，教師在課程教學(xué)過(guò)程中主要發(fā)揮討論、評價(jià)、導論的作用，對學(xué)生的學(xué)習進(jìn)行指導、互動(dòng)和示范，當好學(xué)生的課程學(xué)習服務(wù)員。再次，最重要的是要變革課堂教學(xué)方式，利用基于MOOC開(kāi)放課程資源和翻轉式 / 混合式教學(xué)模式提高課程教學(xué)效果�；贛OOC開(kāi)放課程資源和翻轉式 / 混合式教學(xué)模式的核心是讓學(xué)生成為學(xué)習的主人，學(xué)生除了課堂時(shí)間外，還可以利用個(gè)性化時(shí)間和碎片時(shí)間進(jìn)行課程學(xué)習。同時(shí)，學(xué)生自學(xué)、相互學(xué)習、師生互動(dòng)、學(xué)生與學(xué)生互動(dòng)及教師指導成為重要的學(xué)習方法。[5] [6]
2.學(xué)生以小組形式進(jìn)行學(xué)習�！白吭接嬁乒こ處煛睂�(zhuān)業(yè)培養具有扎實(shí)的計算機科學(xué)與技術(shù)理論基礎，系統熟練地掌握計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科專(zhuān)門(mén)知識及基本技能，并具備團隊協(xié)作和有效交流能力、優(yōu)秀的科學(xué)文化素質(zhì)及創(chuàng )新實(shí)踐能力，能從事軟硬件工程技術(shù)研制、設計、開(kāi)發(fā)、管理、服務(wù)等工作的應用型、復合型的高級技術(shù)人才。由于軟硬件開(kāi)發(fā)和管理是一項復雜性系統工作，這就要求開(kāi)發(fā)和管理人員具備很強的創(chuàng )新實(shí)踐能力、團隊合作能力、自學(xué)能力以及組織協(xié)調能力。學(xué)生以學(xué)習小組形式進(jìn)行學(xué)習可以很好訓練學(xué)生的這些能力。把班級學(xué)生按照性別比例、性格特長(cháng)、宿舍、成績(jì)、團結協(xié)作能力等均衡合理劃分各學(xué)習小組（3到5人為一組較為合適）。在課堂上，主要以小組為單位進(jìn)行討論、提問(wèn)，同樣在實(shí)驗及課后作業(yè)或基于MOOC開(kāi)放課程資源學(xué)習等上也還是主要以小組為單位，在課程結束后以小組為單位進(jìn)行課程考核。為了能讓小組的每一個(gè)成員有機會(huì )得到能力的鍛煉，在進(jìn)行提問(wèn)、討論、實(shí)驗等教學(xué)過(guò)程中小組成員必須輪換闡述本小組學(xué)習成果及觀(guān)點(diǎn)。這樣的學(xué)習方法會(huì )使那些學(xué)差生在小組其他學(xué)生的幫助下變得主動(dòng)學(xué)習。
（四）以考核學(xué)生創(chuàng )新能力為原則突出項目實(shí)踐成績(jì)
現有的考核方式（期末考試成績(jì)占總成績(jì)的70%，實(shí)驗成績(jì)占總成績(jì)的20%，平時(shí)成績(jì)只占總成績(jì)的10%）忽視了課程教學(xué)過(guò)程的重要性，只重視課程基本理論教學(xué)，輕視教學(xué)實(shí)踐，重視知識概念的記憶，輕視創(chuàng )新實(shí)踐能力。因此對于“卓越計科工程師”專(zhuān)業(yè)學(xué)生的培養來(lái)說(shuō)，應建立以學(xué)生創(chuàng )新實(shí)踐能力為導向，以注重學(xué)生能力考核為主的考核方案，切實(shí)培養學(xué)生的團隊協(xié)作、有效交流、創(chuàng )新、實(shí)踐等能力�？蓪⒖己顺煽�(jì)中平時(shí)成績(jì)占總評比例的10%增加至30%，其中平時(shí)成績(jì)主要由課堂參與小組討論、回答問(wèn)題、參與課堂互動(dòng)、課堂作業(yè)、出勤、階段性大作業(yè)情況等共同構成，降低期末考試比例，并且在期末試卷中增加主觀(guān)題的考查內容。同時(shí)，在實(shí)踐考核中，不能僅僅以實(shí)驗結果來(lái)判斷學(xué)生實(shí)踐成績(jì)，而是應該注重考核學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，突出項目實(shí)踐成績(jì)。
（五）鍛煉學(xué)生社會(huì )適應性能力和培養自學(xué)能力
科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，競爭日益激烈，人們要跟上不斷發(fā)展變化的社會(huì )，就需要自學(xué)。就“微機原理”課程的學(xué)習內容和學(xué)習要求來(lái)說(shuō)，相對中學(xué)課程內容的學(xué)習比較靈活，發(fā)揮的空間大。因此，課程教學(xué)過(guò)程中應鼓勵學(xué)生自學(xué)與課程相關(guān)和感興趣的知識，這對于提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和專(zhuān)業(yè)技術(shù)能力是非常有幫助的。首先，教師在專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)中讓學(xué)生意識到自學(xué)的關(guān)鍵性。其次，結合MOOC開(kāi)放課程資源，讓學(xué)生自主學(xué)習本課程或相關(guān)課程知識點(diǎn)，布置適量課后作業(yè)或課后論文，讓學(xué)生自主完成。最后，教師要檢查學(xué)生課程的自學(xué)情況。檢查形式可多樣，如組織討論、QQ群互動(dòng)或開(kāi)報告會(huì )等，鼓勵學(xué)生闡述通過(guò)自學(xué)所得，以此進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的自學(xué)熱情。
在“微機原理”課程中，從教學(xué)計劃的制訂，到使用靈活的教學(xué)方法，科學(xué)合理地進(jìn)行教學(xué)改革實(shí)踐，不僅能夠提高學(xué)生學(xué)習這門(mén)課的興趣和熱情，而且對學(xué)生實(shí)踐創(chuàng )新能力的培養是一個(gè)有益的嘗試。同時(shí)，也培養了學(xué)生的創(chuàng )新思維和創(chuàng )新能力，更深層次的挖掘學(xué)生才能，使學(xué)生能夠全面均衡的發(fā)展。隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，“微機原理”課程教學(xué)改革的探索還在繼續。只有尋求更科學(xué)合理的教學(xué)改革方案，才能夠有效的提高教學(xué)質(zhì)量，以達到“卓越計科工程師”人才培養的目的。
[ 注 釋 ]
[1] 侯利娟.《微機原理與接口技術(shù)》課程教學(xué)方法改革初探[J].教育教學(xué)研究，2011（12）：120-121.
[2] 李秋潔.“微機原理及接口技術(shù)”課程教學(xué)探討[J].教育教學(xué)論壇，2015（4）：127-128.
[3] 韓松.“微機原理與接口技術(shù)”教學(xué)改革與探討[J].中國電力教育，2012（10）：36-38.
[4] 周麗濤，劉越，彭立宏.探索MOOC在計算機實(shí)踐教學(xué)中的應用[J].計算機工程與科學(xué)，2014（4）：118-122.
[5] 邢麗莉，張兵，周海全.融合MOOC與翻轉課堂原理的信息類(lèi)課程設計方案與實(shí)踐[J].軟件，2014（52）：97-101.
[6] 馬漢達.基于MOOC的計算機硬件課程實(shí)驗教學(xué)研究[J].計算機教育，2015（13）：9-12.
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