陳立剛　李紅　劉斌

摘要：以微機原理與接口技術(shù)課程教學(xué)改革為背景，針對教學(xué)課時大幅減少，以計算思維為切入點，探討構(gòu)建新的課程知識體系；在此基礎(chǔ)上，就如何改革教學(xué)方法和實踐教學(xué)，以滿足應(yīng)用接口技術(shù)分析、設(shè)計微機應(yīng)用系統(tǒng)的計算思維能力培養(yǎng)需求，提出一些行之有效的改革方法。

關(guān)鍵詞：微機原理；接口技術(shù)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)改革；計算思維

所謂計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。它作為計算機基礎(chǔ)教育中一個相對較新的概念，雖然已得到了教育界和學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)同，但其具體內(nèi)涵、貫徹落實的思路在學(xué)術(shù)界仍有不同見解，有待于我們在相關(guān)課程的教學(xué)實踐中不斷探索。

1 教學(xué)內(nèi)容改革

微機原理與接口技術(shù)課程內(nèi)涵可歸結(jié)為微機原理、微機接口和微機應(yīng)用3大部分，原有的知識體系如圖1所示。但隨著新一輪2012教學(xué)計劃的實施，課程教學(xué)時數(shù)大幅減少，電類與非電類專業(yè)的教學(xué)時數(shù)分別從過去的70+20學(xué)時（講授70，實驗20）和54+16學(xué)時減為52+18學(xué)時和36+10學(xué)時。顯然，繼續(xù)按原有的知識體系教學(xué)，已難以實施。如何在教學(xué)時數(shù)大幅減少的背景下，構(gòu)建新的課程教學(xué)內(nèi)容體系，將教學(xué)重點落在計算機接口及應(yīng)用技術(shù)介紹和突出計算思維能力培養(yǎng)上，我們著重從以下方面思考改革。

1.1 關(guān)于硬件編程教學(xué)

硬件編程教學(xué)實際包括兩個方面，即編程語言和穿插在接口技術(shù)及應(yīng)用教學(xué)之中的硬件編程方法。在圖1課程知識體系中，匯編語言是硬件編程的工具，內(nèi)容相對獨立，但在課程教學(xué)中所占的課時卻不少，高達(dá)14學(xué)時以上。盡管如此，由于匯編語言依賴于機器特性，指令理解和編程難度較大，要讓學(xué)生掌握匯編語言程序設(shè)計的方法和技巧，僅靠14學(xué)時的課內(nèi)教學(xué)往往難以達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果。對于理論教學(xué)僅有36學(xué)時的微機原理與接口技術(shù)課程來說，要拿出十幾個學(xué)時來進(jìn)行匯編語言的教學(xué)，顯然難以滿足以計算機接口及應(yīng)用技術(shù)為主線的教學(xué)需求。

筆者對非電類專業(yè)的微機原理與接口技術(shù)課程刪去匯編語言相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，而通過與高級語言程序設(shè)計等相關(guān)課程的銜接，將C語言作為硬件編程語言開展計算機接口及應(yīng)用教學(xué)，這樣節(jié)省的課時可用于加強接口及應(yīng)用技術(shù)的學(xué)習(xí)，有利于突出接口技術(shù)及應(yīng)用這條主線。對電類專業(yè)將減少匯編語言相關(guān)教學(xué)內(nèi)容介紹，采用匯編與c語言混合編程進(jìn)行硬件編程教學(xué)，體現(xiàn)實際工程開發(fā)的特點。

1.2 背景機選擇

隨著微處理器技術(shù)在各專業(yè)領(lǐng)域的深入應(yīng)用，單片機和嵌入式技術(shù)已成為微機應(yīng)用的主流技術(shù)之一，但為講授清楚現(xiàn)代微處理器的先進(jìn)技術(shù)，目前全國各重點大學(xué)仍普遍采用PC系列微處理器作為背景機開展教學(xué)。對于一些電類專業(yè)，往往會在該課程之后開設(shè)一門以實踐教學(xué)為主的單片機/嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程。

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，PC微處理器技術(shù)越來越先進(jìn)，性能已超過傳統(tǒng)意義上的小型機，伴隨而來的是內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，而從非計算機專業(yè)應(yīng)用計算機的特點看，一些先進(jìn)技術(shù)又并非課程重點，現(xiàn)有教學(xué)實踐大多是淡化其內(nèi)部原理介紹。采用c語言開展硬件編程教學(xué)后，編程結(jié)構(gòu)（內(nèi)部寄存器及使用）也可進(jìn)一步淡化，背景機介紹的重點實際放在與存儲器、I/O接口實現(xiàn)連接的外部接口特性上。這一層面上，各類CPU的基本接口特性大同小異，所以，教學(xué)的思路是仍以PC微處理器為主要背景機，同時兼顧單片機/嵌入式技術(shù)介紹，這樣既可通過PC背景機講清現(xiàn)代微處理器使用的先進(jìn)技術(shù)，又可通過基于PC機、單片機/嵌入式處理器接口設(shè)計案例，讓學(xué)生理解各類微處理器接口的基本原理實際是相通的，并不因背景機改變而改變。

1.3 存儲器與I/O接口擴(kuò)展教學(xué)

存儲器與I/O接口是微機系統(tǒng)必不可少的基本組成部分，是教學(xué)的重點內(nèi)容之一。圖l的知識體系是將它們作為獨立章節(jié)施教，好處是體現(xiàn)了課程的系統(tǒng)性和完整性，缺點是所需課時較多。但存儲器與I/O接口從功能、結(jié)構(gòu)和與CPU連接的特性上，均有以下本質(zhì)共性：

（1）功能上兩者都是用于存數(shù)，只不過內(nèi)存中存的是計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)，而接口中存的是CPU與I/O設(shè)備交換的信息。

（2）內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)相同，均由3種基本邏輯部件：地址譯碼器、片選與讀/寫控制邏輯和存儲電路組成，如圖2所示。作為存數(shù)主體的內(nèi)存單元和I/O端口，從數(shù)字邏輯角度看都是寄存器，都可被CPU進(jìn)行讀/寫訪問。主要差別是，存儲器只與CPU交換數(shù)據(jù)，而I/O寄存器要在兩個方向上傳遞數(shù)據(jù)，一個方向與CPU交換數(shù)據(jù)，另一方向與外設(shè)交換數(shù)據(jù)（圖中虛線所示）。

（3）與CPU連接的外部基本引腳信號線相同。數(shù)據(jù)線、存儲單元或I/O端口選擇線、片選線和讀/寫控制線4類與CPU相連的外部引腳信號線和CPU的連接方法基本相同。

從擴(kuò)展內(nèi)存和I/O接口構(gòu)成微機應(yīng)用系統(tǒng)角度，基本原理是相同的，關(guān)鍵都是在地址分配基礎(chǔ)上實現(xiàn)存儲單元/I/O寄存器地址譯碼，將兩章整合施教有利于減少教學(xué)時數(shù)，提高教學(xué)效率。

1.4 課程知識體系構(gòu)建

基于上述教學(xué)內(nèi)容改革，對圖1各章節(jié)進(jìn)行整合，構(gòu)建新的“微機原理與接口技術(shù)”知識體系，以非電類專業(yè)為例，教學(xué)內(nèi)容詳見表1。由表1不難看出，教學(xué)內(nèi)容改革的重點突出接口技術(shù)及應(yīng)用該重點與課程教學(xué)目的是一致的。對電類專業(yè)，可在此基礎(chǔ)上適當(dāng)增加匯編語言程序設(shè)計內(nèi)容及匯編與c語言混合編程方法。

2 教學(xué)手段和教學(xué)方法改革

教學(xué)手段和教學(xué)方法的改革一是要有利于提高教學(xué)時效比，二是要有利于培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和創(chuàng)新思維能力。

2.1 注重共性知識提煉，提高教學(xué)時效比

本課程有許多知識點的基本原理、基本方法是相同或相似的，如各類存儲器芯片和各種可編程接口芯片，從與CPU接口的角度，基本接口特性是相同的；程序查詢式數(shù)據(jù)傳送與程序查詢式中斷識別與判優(yōu)，總線仲裁與向量式中斷識別與判優(yōu)在原理上有許多相似性；各類ADC芯片因采用的轉(zhuǎn)換原理不同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能差別較大，但從外部引腳的設(shè)置上卻具有很大的相似性，接口方法也大同小異；與ADC類似，DAC芯片也是如此。所以教學(xué)中應(yīng)注重這些共性知識的提煉，這樣既有利于提高教學(xué)時效比，也有利于從計算思維角度去理解和分析一類解決問題的方法。endprint

2.2 精心設(shè)計教學(xué)案例，完善案例教學(xué)

從計算思維能力培養(yǎng)角度出發(fā)，計算機接口技術(shù)本身是應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)，教學(xué)的重點應(yīng)落實到如何應(yīng)用這些技術(shù)去思考、解決專業(yè)領(lǐng)域的實際問題。所以教學(xué)應(yīng)注重具有實際應(yīng)用背景的案例分析和設(shè)計方法介紹。為此，我們依據(jù)從簡單到復(fù)雜的原則，根據(jù)教學(xué)的進(jìn)度精心設(shè)計教學(xué)案例，包括存儲器與I/O接口擴(kuò)展設(shè)計、中斷處理程序設(shè)計、定時器/計數(shù)器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、鍵盤與LED顯示器接口、步進(jìn)電機控制和典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計等涵蓋課程各重要知識點應(yīng)用的案例。主要案例與知識點應(yīng)用的關(guān)系詳見表2。

教學(xué)案例設(shè)計總的原則是緊密圍繞課程重要知識點及應(yīng)用，難度要適中、便于學(xué)生理解和參與教學(xué)活動中。案例的講解要從問題的引入，分析需解決的問題和解決的方法，再到設(shè)計思想和設(shè)計方法。通過逐步引導(dǎo)使學(xué)生掌握應(yīng)用相關(guān)接口技術(shù)解決實際問題的思維方式。以鍵盤接口設(shè)計為例，首先分析歸納鍵盤接口要解決的主要問題，按鍵的識別和鍵碼的產(chǎn)生；然后分析按鍵識別的方法和鍵碼產(chǎn)生原理；再引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)并行接口設(shè)計鍵盤接口的方法，進(jìn)而編寫按鍵識別和鍵碼產(chǎn)生的接口驅(qū)動程序。

2.3 精心設(shè)計完善研討式教學(xué)

計算思維能力的培養(yǎng)過程應(yīng)該是學(xué)生積極參與、師生互動交流的過程。如何讓學(xué)生參與教學(xué)互動，激發(fā)學(xué)生的求知欲和主動思考問題的意識，除教學(xué)中精心設(shè)計啟發(fā)式提問外，研討式教學(xué)是目前為各重點大學(xué)普遍所接受、能較好地實現(xiàn)師生互動交流的教學(xué)模式。

研討式教學(xué)設(shè)計包括兩個方面，一是研討內(nèi)容的選取，這可以從精心設(shè)計的教學(xué)案例或課程實驗項目中選??；二是研討模式的設(shè)計，計算機接口設(shè)計或計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計，思維方式不同，同一問題往往有不同的解決方案，這就為研討模式設(shè)計提供了一種思路，將學(xué)員分成若干研討小組，每個組首先在組內(nèi)自行研討并提出設(shè)計方案，制作好課件拿到課堂研討。研討時，每組推選一名代表講解設(shè)計方案和思路，其他成員可對其提出的解決方案進(jìn)行補充，然后大家一起對硬、軟件方案的合理性、優(yōu)點和問題進(jìn)行討論，最后由教師進(jìn)行總結(jié)。通過這種形式的課堂討論，學(xué)生可以從不同角度提出問題，教師也可以從不同角度了解學(xué)生理解問題的癥結(jié)所在，從而從不同的層面有的放矢地幫助學(xué)生掌握正確的思維方式。

研討環(huán)境在條件允許時可選在實驗室進(jìn)行，這將更有利于理論與實踐教學(xué)相融合，研討結(jié)果可以得到實際的驗證，學(xué)生有成就感，從而提高學(xué)生主動思維的自信心。

2.4 加強教學(xué)資源建設(shè)，滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)需求

計算思維能力養(yǎng)成，需要強化學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動思維的意識，這就需要為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。結(jié)合多年在國家精品課程建設(shè)取得的成果和新一輪國家精品資源共享課建設(shè)計劃，進(jìn)一步豐富和完善課程教學(xué)資源，包括多媒體教學(xué)課件、視頻教學(xué)、教學(xué)動畫、虛擬實驗、經(jīng)典教學(xué)/實驗案例分析、疑難問題解析、習(xí)題庫及解答等教學(xué)資源。利用這些資源，學(xué)生可上網(wǎng)自主學(xué)習(xí)，亦可在模仿案例思想解題的基礎(chǔ)上，養(yǎng)成自己主動進(jìn)行計算機接口及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的思維意識。

3 實驗教學(xué)改革

實驗教學(xué)是本課程的重要組成部分，對加深學(xué)生理解與掌握理論知識，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力和實際動手能力，具有課堂教學(xué)不可替代的作用。所以注重理論教學(xué)的同時，也應(yīng)重視實踐教學(xué)模式和實驗內(nèi)容的改革，以滿足計算思維能力培養(yǎng)的需求。

3.1 被動模仿到主動設(shè)計的思維方式

人類許多創(chuàng)造發(fā)明和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，都是在積累前人經(jīng)驗、模仿前人的基礎(chǔ)上主動創(chuàng)新而來的。許多基于計算機應(yīng)用的智能系統(tǒng)，如專家系統(tǒng)的工作過程實際上就是模仿人類專家求解問題的過程，借助它的學(xué)習(xí)機制，專家系統(tǒng)可以不斷地積累新知識，從而提高其求解問題的能力。

應(yīng)用接口技術(shù)解決實際問題的計算思維能力培養(yǎng)，亦可從模仿教學(xué)/實驗案例解決簡單的應(yīng)用問題開始，在熟練掌握接口基本原理、基本方法和不斷積累應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生主動思維、主動設(shè)計的思維方式。這就需要精心選擇實驗內(nèi)容和設(shè)計實施方法。

一般對以驗證為主和簡單的設(shè)計實驗，可通過案例分析、討論，引導(dǎo)學(xué)生通過模仿案例思路在課內(nèi)或課外完成，對較難的設(shè)計性和綜合應(yīng)用性實驗，則啟發(fā)學(xué)生合理設(shè)計實驗步驟，引導(dǎo)學(xué)生從被動模仿轉(zhuǎn)為主動思考、主動設(shè)計。

以基于LED顯示的電子時鐘設(shè)計為例，實施設(shè)計詳見表3。設(shè)計內(nèi)容中，一些是安排已做的實驗或已通過實驗熟悉的內(nèi)容，通過這種分步實施，學(xué)生在模仿基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)即可逐步推進(jìn)，使學(xué)生感到設(shè)計并不復(fù)雜，有利于提振其自主思維、主動創(chuàng)新設(shè)計的自信。

3.2 注重復(fù)雜問題分解和協(xié)作精神培養(yǎng)

實際應(yīng)用開發(fā)中，往往需要將一個大的工程項目分解成許多功能相對獨立的子項目，由項目組共同協(xié)作完成。所以實驗教學(xué)中，在注重被動模仿到主動設(shè)計思維方式培養(yǎng)的同時，也應(yīng)注重復(fù)雜問題逐步求精、分而治之的思維方式和團(tuán)隊協(xié)作能力的培養(yǎng)。

對功能較多的復(fù)雜實驗，如多芯片綜合實驗和基于控制對象的應(yīng)用型實驗，可引導(dǎo)學(xué)生將實驗分解成層次結(jié)構(gòu)的多個基本功能模塊，這些模塊可以是前面實驗中已實現(xiàn)的，或者是通過案例模仿即可實現(xiàn)的。這樣就可從底層模塊開始，以搭積木的方式層層搭建來完成復(fù)雜功能。這樣既簡化了實驗，又能提高學(xué)員主動設(shè)計、完成復(fù)雜實驗的信心，還能體會實際工程開發(fā)的特點。

協(xié)作能力的培養(yǎng)則可完善“合作實驗”模式培養(yǎng)，如在課外電子設(shè)計實踐與競賽中，可將具有不同能力優(yōu)勢的學(xué)生（如硬件設(shè)計能力強的與軟件編程能力強的）組成實驗小組和攻關(guān)小組，借助各自的特長實現(xiàn)優(yōu)勢互補，通過密切配合培養(yǎng)相互協(xié)作的精神。

4 結(jié)語

近年來，因教學(xué)課時減少和計算思維能力培養(yǎng)的全局要求，我們對微機原理與接口技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與教學(xué)手段和實驗教學(xué)改革進(jìn)了一些行之有效的探索，未來將以此為基礎(chǔ)，繼續(xù)探索以計算思維為切入點的課程教材建設(shè)和考試考核方法改革。

（編輯：趙廓）endprint