最新面向卓越工程師的“微機原理”教學改革探討論文
[摘 要]針對“卓越計算機科學與技術(shù)工程師”專業(yè)“微機原理”課程的教學內(nèi)容多、知識點零散、學生學習積極性低、實踐教學薄弱等問題，提出在課程教學設(shè)計、教學內(nèi)容、教學方法和考試方式等方面進行改革，著眼于課堂教學、實驗教學、課外科技創(chuàng)新實踐與企業(yè)實訓四個課堂的有機結(jié)合，注重培養(yǎng)學生的人性化發(fā)展和自主學習，以面向應(yīng)用和企業(yè)需求的工程師為目標加強實踐教學，以學生實踐和創(chuàng)新意識為主線構(gòu)建課程的教學內(nèi)容，以“應(yīng)用”為主導選擇課程的教學方法。通過在“微機原理”課程教學中科學合理地進行教學改革實踐，不僅能夠提高學生學習這門課的興趣和熱情，而且對學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是一個有益的嘗試，也培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維，更深層次的挖掘?qū)W生才能，使學生能夠全面均衡的發(fā)展。
[關(guān)鍵詞]卓越工程師；微機原理；教學改革；教學方法
“卓越計算機科學與技術(shù)工程師”（以下簡稱為“卓越計科工程師”）專業(yè)是西南科技大學省級“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”試點專業(yè)之一，旨在培養(yǎng)具有系統(tǒng)的理論、工程技術(shù)基礎(chǔ)、良好的職業(yè)素養(yǎng)以及科技創(chuàng)新精神的工程師人才。培養(yǎng)模式采用“3+1”培養(yǎng)模式（三年在學校進行學習，最后一年在企業(yè)進行聯(lián)合培養(yǎng)），著重培養(yǎng)學生的個性發(fā)展以及實踐和創(chuàng)新意識，更深層次的挖掘?qū)W生才能，使學生能夠全面均衡的發(fā)展，培養(yǎng)滿足企業(yè)需求的工程師。“微機原理”課程是計算機科學與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)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)。通過本課程的學習，使學生能夠從應(yīng)用的角度出發(fā)，在理論和實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)；初步掌握匯編語言程序設(shè)計的基本方法和上機調(diào)試過程；建立微機整體概念，具備利用微機進行硬、軟件開發(fā)的初步能力。[1]
一、微機原理課程教學中存在的問題
經(jīng)過多年的微機原理課程教學，筆者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學生對“微機原理”課程的學習積極性差，教學效果不好，學生反映課程內(nèi)容比較抽象難以理解，學起來枯燥缺乏興趣，實驗形式單一、方法單調(diào)，因而對課程的學習興趣大大降低。[2] [3]其存在的問題主要有以下幾點。
（一）學習主動性、積極性低
首先，“微機原理”課程教學內(nèi)容綜合了微型計算機軟、硬件的理論知識，要求學生既要掌握扎實的計算機硬件理論知識，又要有良好的面向機器語言進行程序設(shè)計的能力。這對于大多數(shù)沒有實踐經(jīng)驗，特別是基礎(chǔ)又不扎實的學生而言，就會覺得這門課程內(nèi)容很抽象、難懂，因而導致學習興趣下降，學習主動性、積極性低。其次，課程內(nèi)容多，知識點比較散亂，班級容量大（大班教學），教學主要以“老師講”為主，學生參與互動、討論少。
（二）實驗教學設(shè)計不合理
課程以理論教學為主，實驗教學安排內(nèi)容比較少，并且在實驗教學環(huán)節(jié)上主要安排驗證性實驗。這使得學生不用自己設(shè)計實驗控制電路和控制程度，阻礙了學生發(fā)散思維。同時，學生對于實驗只是走過場，不用自己動腦，時間長了就會使學生產(chǎn)生惰性。因此，實驗教學起不到融合、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驗兩部分，理論成績由平時成績、期末考試成績按不同比例構(gòu)成。期末考試成績占總成績的70%，實驗成績占總成績的20%，平時成績只占總成績的 10%。因此導致教學過程管理薄弱，對教學過程考核檢查不足，學生只重視期末考試成績，其結(jié)果是對以后課程的學習和企業(yè)實訓起不到鋪墊作用。
二、教學改革方案
科學合理的課程教學設(shè)計、教學內(nèi)容、教學方法和考試方式對于“卓越計科工程師”專業(yè)的學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”專業(yè)的“微機原理”課程的教學方案應(yīng)著眼于四個課堂的有機結(jié)合，落腳點為課堂教學、實驗教學、課外科技創(chuàng)新實踐與企業(yè)實訓，注重培養(yǎng)學生的個性化發(fā)展和自主學習。同時，以培養(yǎng)滿足企業(yè)需求的工程師為目標，以學生實踐和創(chuàng)新意識為主線構(gòu)建課程的教學內(nèi)容，以“應(yīng)用”為主導選擇課程的教學方法。
（一）以學生實踐和創(chuàng)新意識為主線構(gòu)建課程的教學內(nèi)容
第一次課進行學前動員，不立刻講授課程的內(nèi)容，而是對課程作整體性、概括性的介紹，使學生明白課程的重要性及特點，讓學生明白學習本課程對于熟悉和掌握現(xiàn)代計算機的基本概念和技術(shù)以及學習后續(xù)相關(guān)課程均具有重要意義。這樣做能有的放矢，激發(fā)學生學習的動力。第一次課后，學生就會以主動和比較輕松的心態(tài)來學習后續(xù)章節(jié)的內(nèi)容。
“微機原理”的基本理論與核心接口技術(shù)是課程重點講授的內(nèi)容，同時適當引入現(xiàn)代高性能和多核微處理器的先進技術(shù)及典型結(jié)構(gòu)。現(xiàn)實中存在多種類型的微型計算機，但不論是哪種微機，都包含微處理器、存儲器、并行/串行接口、定時器/計數(shù)器電路、A / D與D / A轉(zhuǎn)換電路等幾大模塊，其對應(yīng)的章節(jié)包括計算機的基本組成及工作過程、微處理器結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、匯編語言程序設(shè)計、存儲器、輸入與輸出、可編程I / O接口電路、A / D與D / A轉(zhuǎn)換電路、總線及常見總線標準和高性能微處理器的先進技術(shù)及典型結(jié)構(gòu)等。對于這些章節(jié)，重點講授計算機的基本組成及工作過程、微處理器結(jié)構(gòu)、存儲器、接口技術(shù)。在學習各個知識點時，既要強調(diào)其是“基本理論”，又要要求進行“實踐”。“卓越計科工程師”專業(yè)在進校的第三學期開設(shè)“數(shù)字電路和模擬電路”課程，學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”的過程中，結(jié)合“數(shù)字電路和模擬電路”來講解，能使學生對微機原理有一個感性認識，也加深對微型計算機組成原理的理解。如硬布線控制器原理，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，學生很難理解它的實質(zhì)。這時就可以將硬布線控制器中的電路原理直觀地展現(xiàn)給學生，方便學生理解記憶。在講授微機基本原理和接口技術(shù)的同時，適當引入一些目前應(yīng)用的新理論和新技術(shù)，讓學生了解微型計算機的發(fā)展最新趨勢，進一步激發(fā)學生的學習動力。如講存儲器時，可加入虛擬存儲技術(shù)和云存儲等新技術(shù)。
（二）以培養(yǎng)滿足企業(yè)需求的'工程師為目標加強實踐教學
從教學課時和教學內(nèi)容上加強實踐教學。“微機原理”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，因而必須通過實踐，讓學生來設(shè)計接口電路，編寫接口程序，少講多實踐，以此加深對微機接口技術(shù)的理解。具體的實驗項目有微機仿真開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用、模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換、鍵盤顯示器接口、微機串行口通信、PCI設(shè)備操作、可編程并行接口、可編程定時 / 計數(shù)器與中斷控制和基于微機的串行口通信8個單元實驗，以及1個基于微機或單片機系統(tǒng)的自選題目的綜合實驗。實驗項目多，需增加教學的學時。
微機原理實踐教學平臺可以有多種，包括固定結(jié)構(gòu)的實驗箱、軟件仿真實驗、基于FPGA的在線實驗和基于E-Lab的硬仿真軟件。[4]其中基于FPGA的在線實驗和E-Lab的硬仿真軟件實踐教學模式充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，同時也保留了傳統(tǒng)固定結(jié)構(gòu)的實驗箱模式的優(yōu)點，可為實驗教學提供實踐平臺，為“卓越計科工程師”專業(yè)學生設(shè)計多層次的實驗項目。第一層次的實驗主要為基礎(chǔ)單元實驗，主要包括：①數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換接口實驗，實驗?zāi)康氖巧罨瘮?shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的基本原理和接口方法、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片（ADC0809、DAC0832）的工作性能，掌握模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換的編程方法；②鍵盤顯示器接口實驗，實驗?zāi)康氖钦莆真I盤顯示接口芯片8279與單片機的硬件連接方法、8279的編程方法，以及單片機內(nèi)部定時器的使用方法；③微機串行口通信實驗，實驗?zāi)康氖巧罨惒酱型ㄓ嵉幕驹恚莆沼梦C串行口設(shè)計實現(xiàn)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(shè)備操作實驗，實驗?zāi)康氖橇私釶CI設(shè)備的工作原理和自動配置過程，掌握PCI BIOS的使用方法，熟悉自行開發(fā)的PCI實驗接口卡的使用，為后續(xù)實驗打下基礎(chǔ)；⑤可編程并行接口實驗，實驗?zāi)康氖巧罨⑿薪涌诘幕驹砗蛯崿F(xiàn)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 / 計數(shù)器與中斷控制實驗，實驗?zāi)康氖巧罨疨C機中斷系統(tǒng)的基本原理，學會編寫中斷服務(wù)程序，掌握定時 / 計數(shù)器芯片8253的基本工作原理和使用方法。第二層次的實驗是系統(tǒng)綜合實驗，通過學生自己動手，建立微機系統(tǒng)整體概念，訓練系統(tǒng)綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，如基于實驗平臺，自行完成實驗項目（參考項目名稱：電子琴、步進電機控制、溫度控制系統(tǒng)、數(shù)字錄音機、電子游戲等）。第三層次的實驗是基于微型計算機的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實驗。上面的前兩個層次的實驗面向所有學生，最后一個層次的實驗主要針對創(chuàng)新和實踐能力較強的學生設(shè)置。
（三）以“應(yīng)用”為主導選擇課程的教學方法
1.角色變換與混合式教學方法相結(jié)合。首先，教師要完成從“以教師為中心”的傳統(tǒng)教學觀念轉(zhuǎn)變到“以學生為中心”的新觀念。其次，教師要完成角色的變換，從以講臺為主的角色轉(zhuǎn)變?yōu)橹笇橹鞯慕巧處熢谡n程教學過程中主要發(fā)揮討論、評價、導論的作用，對學生的學習進行指導、互動和示范，當好學生的課程學習服務(wù)員。再次，最重要的是要變革課堂教學方式，利用基于MOOC開放課程資源和翻轉(zhuǎn)式 / 混合式教學模式提高課程教學效果。基于MOOC開放課程資源和翻轉(zhuǎn)式 / 混合式教學模式的核心是讓學生成為學習的主人，學生除了課堂時間外，還可以利用個性化時間和碎片時間進行課程學習。同時，學生自學、相互學習、師生互動、學生與學生互動及教師指導成為重要的學習方法。[5] [6]
2.學生以小組形式進行學習。“卓越計科工程師”專業(yè)培養(yǎng)具有扎實的計算機科學與技術(shù)理論基礎(chǔ)，系統(tǒng)熟練地掌握計算機科學與技術(shù)學科專門知識及基本技能，并具備團隊協(xié)作和有效交流能力、優(yōu)秀的科學文化素質(zhì)及創(chuàng)新實踐能力，能從事軟硬件工程技術(shù)研制、設(shè)計、開發(fā)、管理、服務(wù)等工作的應(yīng)用型、復(fù)合型的高級技術(shù)人才。由于軟硬件開發(fā)和管理是一項復(fù)雜性系統(tǒng)工作，這就要求開發(fā)和管理人員具備很強的創(chuàng)新實踐能力、團隊合作能力、自學能力以及組織協(xié)調(diào)能力。學生以學習小組形式進行學習可以很好訓練學生的這些能力。把班級學生按照性別比例、性格特長、宿舍、成績、團結(jié)協(xié)作能力等均衡合理劃分各學習小組（3到5人為一組較為合適）。在課堂上，主要以小組為單位進行討論、提問，同樣在實驗及課后作業(yè)或基于MOOC開放課程資源學習等上也還是主要以小組為單位，在課程結(jié)束后以小組為單位進行課程考核。為了能讓小組的每一個成員有機會得到能力的鍛煉，在進行提問、討論、實驗等教學過程中小組成員必須輪換闡述本小組學習成果及觀點。這樣的學習方法會使那些學差生在小組其他學生的幫助下變得主動學習。
（四）以考核學生創(chuàng)新能力為原則突出項目實踐成績
現(xiàn)有的考核方式（期末考試成績占總成績的70%，實驗成績占總成績的20%，平時成績只占總成績的10%）忽視了課程教學過程的重要性，只重視課程基本理論教學，輕視教學實踐，重視知識概念的記憶，輕視創(chuàng)新實踐能力。因此對于“卓越計科工程師”專業(yè)學生的培養(yǎng)來說，應(yīng)建立以學生創(chuàng)新實踐能力為導向，以注重學生能力考核為主的考核方案，切實培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作、有效交流、創(chuàng)新、實踐等能力。可將考核成績中平時成績占總評比例的10%增加至30%，其中平時成績主要由課堂參與小組討論、回答問題、參與課堂互動、課堂作業(yè)、出勤、階段性大作業(yè)情況等共同構(gòu)成，降低期末考試比例，并且在期末試卷中增加主觀題的考查內(nèi)容。同時，在實踐考核中，不能僅僅以實驗結(jié)果來判斷學生實踐成績，而是應(yīng)該注重考核學生分析問題、解決問題的能力，突出項目實踐成績。
（五）鍛煉學生社會適應(yīng)性能力和培養(yǎng)自學能力
科學技術(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，就需要自學。就“微機原理”課程的學習內(nèi)容和學習要求來說，相對中學課程內(nèi)容的學習比較靈活，發(fā)揮的空間大。因此，課程教學過程中應(yīng)鼓勵學生自學與課程相關(guān)和感興趣的知識，這對于提高學生科學素質(zhì)和專業(yè)技術(shù)能力是非常有幫助的。首先，教師在專業(yè)課程的教學中讓學生意識到自學的關(guān)鍵性。其次，結(jié)合MOOC開放課程資源，讓學生自主學習本課程或相關(guān)課程知識點，布置適量課后作業(yè)或課后論文，讓學生自主完成。最后，教師要檢查學生課程的自學情況。檢查形式可多樣，如組織討論、QQ群互動或開報告會等，鼓勵學生闡述通過自學所得，以此進一步激發(fā)學生的自學熱情。
在“微機原理”課程中，從教學計劃的制訂，到使用靈活的教學方法，科學合理地進行教學改革實踐，不僅能夠提高學生學習這門課的興趣和熱情，而且對學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是一個有益的嘗試。同時，也培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，更深層次的挖掘?qū)W生才能，使學生能夠全面均衡的發(fā)展。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，“微機原理”課程教學改革的探索還在繼續(xù)。只有尋求更科學合理的教學改革方案，才能夠有效的提高教學質(zhì)量，以達到“卓越計科工程師”人才培養(yǎng)的目的。
[ 注 釋 ]
[1] 侯利娟.《微機原理與接口技術(shù)》課程教學方法改革初探[J].教育教學研究，2011（12）：120-121.
[2] 李秋潔.“微機原理及接口技術(shù)”課程教學探討[J].教育教學論壇，2015（4）：127-128.
[3] 韓松.“微機原理與接口技術(shù)”教學改革與探討[J].中國電力教育，2012（10）：36-38.
[4] 周麗濤，劉越，彭立宏.探索MOOC在計算機實踐教學中的應(yīng)用[J].計算機工程與科學，2014（4）：118-122.
[5] 邢麗莉，張兵，周海全.融合MOOC與翻轉(zhuǎn)課堂原理的信息類課程設(shè)計方案與實踐[J].軟件，2014（52）：97-101.
[6] 馬漢達.基于MOOC的計算機硬件課程實驗教學研究[J].計算機教育，2015（13）：9-12.
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