昂朝群+陳修亮+梁英杰

（海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

摘 要：分析當(dāng)前微機原理與接口技術(shù)中存在的知識體系較落后、教學(xué)方法較傳統(tǒng)以及實踐教學(xué)過程中創(chuàng)新能力培養(yǎng)不夠突出等問題，結(jié)合軍隊院校教學(xué)實際，提出從課程內(nèi)容體系的設(shè)置、先進教學(xué)理念的運用以及學(xué)員創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等3個方面，深入推進微機原理與接口技術(shù)課程改革，為軍隊院校微機原理與接口技術(shù)課程建設(shè)和教學(xué)改革提供有力的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：微機原理與接口技術(shù)；軍隊院校；混合模式；一體化；教學(xué)改革；CDIO

0 引 言

微機原理與接口技術(shù)作為一門電子與信息類等專業(yè)的計算機核心課程，在軍隊院校主要面向工程技術(shù)專業(yè)學(xué)員開設(shè)，該課程重點培養(yǎng)學(xué)員的硬件思維，使其具備初步的硬件系統(tǒng)設(shè)計與分析能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實踐能力夯實基礎(chǔ)，從而提高學(xué)員的核心競爭力[1]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和新型裝備的不斷列裝，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)手段已不能滿足高新武器人才培養(yǎng)的需要，因此，深入分析該門課程的特點規(guī)律，剖析教學(xué)過程中面臨的主要問題，研究進一步提高教員教學(xué)水平與學(xué)員創(chuàng)新實踐能力的方法途徑，對于高科技軍事人才的培養(yǎng)具有重要意義。

1 微機原理與接口技術(shù)課程存在的主要問題

1.1 教學(xué)內(nèi)容重軟件、輕硬件

目前，傳統(tǒng)教學(xué)仍然以8086/8088 CPU微處理器為主線，介紹微型計算機的基本結(jié)構(gòu)與工作原理、8086的指令系統(tǒng)和匯編語言程序的設(shè)計方法、存儲器系統(tǒng)的組成與設(shè)計以及8253等典型接口芯片的基本初始化編程與應(yīng)用，基本不涉及ARM等當(dāng)前普遍應(yīng)用的新型微型計算機系統(tǒng)[2]，更不涉及軍事作戰(zhàn)、武器裝備等領(lǐng)域使用較普遍的嵌入式操作系統(tǒng)的有關(guān)內(nèi)容。該課程對學(xué)員的軟硬件知識和自主設(shè)計能力要求都較高，但由于實驗條件與課時的限制，學(xué)員主要靠死記硬背特定芯片的初始化程序，不會查看芯片的文檔并靈活運用，更談不上創(chuàng)新設(shè)計，這與應(yīng)用創(chuàng)新型和高新武器人才培養(yǎng)目標是不相符的。

1.2 教學(xué)方法重灌輸、輕引導(dǎo)

微機原理與接口技術(shù)課程包含的知識點較多，內(nèi)容大多比較抽象、枯燥乏味。目前，普遍采用“填鴨”“滿堂灌”式的授課方法，理論課以教員講、學(xué)員聽為主要形式，單調(diào)乏味。軍隊院校目前在大力推廣多媒體等多種教學(xué)手段，但在多媒體手段的選擇上，往往局限于采用簡單的Flash或PPT動畫演示基本工作原理或流程，雖然能夠在某種程度上吸引部分學(xué)員的注意力，但該類方法互動性較差，不能充分調(diào)動學(xué)員的積極性。實驗課教學(xué)主要采用“實驗箱+匯編集成開發(fā)環(huán)境”模式，教員講授基本實驗方法與有關(guān)要求，學(xué)員按規(guī)定的步驟操作即可，基本上處于課堂講什么、實驗做什么的階段，需要學(xué)員主動思考的實驗內(nèi)容相對較少，限定了思維發(fā)散。

1.3 課時安排重理論、輕實踐

該課程在軍隊院校中普遍安排50學(xué)時左右，在有限的時間內(nèi)，需要學(xué)習(xí)內(nèi)容繁多且抽象難懂的知識，對教員的教和學(xué)員的學(xué)都是很大的挑戰(zhàn)。以海軍工程大學(xué)為例，微機原理與接口技術(shù)課只有50學(xué)時，其中理論部分安排36學(xué)時，實驗部分僅安排14學(xué)時，主要包括兩次匯編語言程序設(shè)計、I/O地址譯碼實驗、中斷控制器8259、計時/計數(shù)器8253、并行接口8255應(yīng)用編程等。同時，受實踐課時過少的限制，部分實驗無法深層次展開。以匯編語言程序設(shè)計實驗為例，目前，僅安排兩次實驗課程，第一次主要熟悉匯編語言編程環(huán)境并進行簡單的驗證程序的調(diào)試，第二次主要編寫實現(xiàn)指定功能的匯編程序，大部分學(xué)員并不能獨立自主完成，無法達到匯編語言程序設(shè)計的學(xué)習(xí)目的，使得在后續(xù)課程的學(xué)習(xí)中會感到比較吃力。

1.4 實驗教學(xué)重驗證、輕創(chuàng)新

實驗是驗證基本原理，提高創(chuàng)新能力的重要途徑之一。當(dāng)前，對于微機原理與接口技術(shù)課程的實驗授課，采取的主要形式還是“傻瓜式”教學(xué)。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

一是在實驗方法上，主要按實驗指導(dǎo)書指定的實驗組織教學(xué)，指導(dǎo)書提供實驗過程中所需要的源程序代碼、固定的硬件連接、程式化的操作步驟。實驗過程中，學(xué)員不需考慮實驗的基本原理，只需完全照抄實驗指導(dǎo)書中的程序即可輕松完成實驗。學(xué)員在沒有實驗指導(dǎo)書的情況下，基本什么程序都寫不出來，遇到簡單的問題也不會解決。如對于程序中的逗號，部分學(xué)員在中文狀態(tài)下輸入了該符號，程序無法正常編譯通過，很多學(xué)員不能根據(jù)編譯器的提示修正該錯誤。

二是在實驗設(shè)備上，該門課程的實驗大都需要在實驗箱上完成，限于實驗室管理及條件不足，學(xué)員只有在上實驗課時才能真正接觸并動手進行實驗操作，但由于傳統(tǒng)實驗箱的硬件電路等基本已固化，學(xué)員不能根據(jù)自己的需要靈活自由地設(shè)計實驗，限制了學(xué)員思維的發(fā)散。

三是在實驗內(nèi)容上，驗證性實驗較多，如有的院校在實驗環(huán)節(jié)設(shè)計了IO地址譯碼、8259芯片、8253芯片和8255芯片等應(yīng)用編程，只是簡單地根據(jù)實驗指導(dǎo)書給出程序，對實驗結(jié)果進行簡單的驗證，查看是否存在特定的實驗現(xiàn)象；而設(shè)計性和綜合應(yīng)用性實驗偏少，即使對于設(shè)計性和綜合性實驗，也都是要求學(xué)員在相對較短的學(xué)時內(nèi)完成，對各項時間較固定的軍校學(xué)員來講難度較大，基本不能達到設(shè)計與綜合的教學(xué)效果。如要求學(xué)員綜合應(yīng)用8259中斷控制器、8253計時/計數(shù)器和8255并行接口芯片，在2個學(xué)時內(nèi)完成一個綜合性實驗；受學(xué)員時間零散以及實驗室管理等因素影響，創(chuàng)新性實驗幾乎無法開展，所以基本就沒有對學(xué)員有相應(yīng)的要求。

總體來講，無論是從實驗方法上還是實驗內(nèi)容設(shè)計以及實驗硬件條件建設(shè)上，實驗課程的設(shè)置不能較好地體現(xiàn)學(xué)員的主體作用，這就容易削弱學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性和主動性，更不利于學(xué)員創(chuàng)新思維以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 推進課程改革，提升學(xué)員創(chuàng)新實踐能力

2.1 構(gòu)建獨具軍隊特色的一體化課程體系

嵌入式技術(shù)是實現(xiàn)各種武器裝備自動控制與智能感知的關(guān)鍵技術(shù)，被稱為后PC時代的核心技術(shù)[4]。嵌入式系統(tǒng)已廣泛運用于各型火炮、導(dǎo)彈等的控制以及各型軍用雷達、電子對抗通信裝備等，這就要求課程組必須緊盯新技術(shù)發(fā)展趨勢和新教學(xué)手段的改革應(yīng)用，結(jié)合高素質(zhì)新型軍事人才培養(yǎng)實際，采用“基礎(chǔ)+方向+前沿”的形式組織教學(xué)內(nèi)容，建立具有軍隊特色的、一體化的微機原理與接口技術(shù)課程體系。

（1）基礎(chǔ)內(nèi)容部分。根據(jù)微機原理與接口技術(shù)的內(nèi)在特點，將各專業(yè)人才必須掌握的微型計算機原理、匯編語言、存儲器、I/O接口等計算機硬件知識作為基礎(chǔ)內(nèi)容，打破傳統(tǒng)以微處理器為主線的內(nèi)容體系，以總線為主線重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，在講解總線標準及其相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)上，重點講授CPU、存儲技術(shù)和輸入輸出接口等，形成完整的微機原理教學(xué)體系。為使學(xué)員能夠真正做到學(xué)為所用、學(xué)有所用，將ARM作為主體對象，重點講解微處理器體系結(jié)構(gòu)、處理器設(shè)計、指令系統(tǒng)設(shè)計、指令流水線技術(shù)、ARM的內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)、編程模型和ARM指令系統(tǒng)等[3]，同時對現(xiàn)有的Intel x86微處理器進行簡要的對比講解。

（2）方向內(nèi)容部分。根據(jù)專業(yè)與工作崗位，區(qū)分信息網(wǎng)絡(luò)類、電子對抗類以及武器裝備類等專業(yè)方向，設(shè)置相應(yīng)的特色內(nèi)容。如信息網(wǎng)絡(luò)類主要側(cè)重于微機原理與接口技術(shù)在通信網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備開發(fā)中的應(yīng)用，將接口技術(shù)、總線技術(shù)和嵌入式技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)終端中，并讓學(xué)員參與開發(fā)無線網(wǎng)絡(luò)終端；電子對抗類專業(yè)側(cè)重于硬件電路設(shè)計和匯編語言編程能力的培養(yǎng)，為后續(xù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等能力的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)；武器裝備類側(cè)重基于嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計以及軟件編程能力培養(yǎng)。

（3）前沿內(nèi)容部分。隨著微機新技術(shù)的進一步發(fā)展，需要緊跟前沿技術(shù)，及時將多核技術(shù)等新技術(shù)和新理念及時補充到教學(xué)內(nèi)容中，保持授課內(nèi)容的新鮮度。該部分內(nèi)容主要以教員引導(dǎo)、學(xué)員自學(xué)的方式進行，學(xué)員可通過查閱資料、相互交流以及撰寫小論文等手段了解微型機技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀及新技術(shù)的發(fā)展趨勢，在最大程度上提升學(xué)員自學(xué)能力。

2.2 探索基于混合模式的理論授課方法

隨著高等教育及信息技術(shù)的發(fā)展，MOOC（massive open online courses，大規(guī)模在線課程）[5-7]翻轉(zhuǎn)課堂[8]、SPOC（small private online course，小眾限制性在線課程）[9]等新的教學(xué)模式的出現(xiàn)，不斷挑戰(zhàn)傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式。不可否認的是，受互聯(lián)網(wǎng)條件、學(xué)員自主學(xué)習(xí)時間以及每班次人數(shù)等的限制，MOOC和SPOC等在線教育模式并不能完全替代教員的課堂教學(xué)，上述單一的教學(xué)模式很難在軍隊院校大規(guī)模地推廣應(yīng)用，因此，必須針對課程的培養(yǎng)目標以及學(xué)員和專業(yè)的具體特點，充分研究并吸取MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂、SPOC等先進教學(xué)模式的優(yōu)點，將其與傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式進行有機融合，綜合應(yīng)用于微機原理與接口技術(shù)課程的教學(xué)中，探索基于混合模式的理論授課方法。在發(fā)揮教員引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)過程主導(dǎo)作用的同時，能夠更加充分地體現(xiàn)出學(xué)員的主動性、積極性與創(chuàng)造性。

混合教學(xué)模式下的微機原理與接口技術(shù)課程建設(shè)主要包括：微機原理與接口技術(shù)的課程結(jié)構(gòu)、課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計與安排、基于MOOC和SPOC的課程教學(xué)資源建設(shè)以及課堂討論的組織方式探索等。在課程結(jié)構(gòu)以及課程教學(xué)內(nèi)容的安排上，必須結(jié)合具有軍隊院校特色的一體化課程體系，同時兼顧傳統(tǒng)課堂教學(xué)需要，科學(xué)劃分教學(xué)內(nèi)容，如確定課堂講授、課下學(xué)習(xí)以及課堂練習(xí)的內(nèi)容以及課堂討論主題等；對部分先修課程內(nèi)容采用課外視頻學(xué)習(xí)+在線自測練習(xí)的方法，督促學(xué)員進行充分的復(fù)習(xí)和了解。

課程資源建設(shè)主要包括教學(xué)微視頻、在線自測練習(xí)題庫以及關(guān)鍵知識點動畫案例等。MOOC課程的內(nèi)容與視頻設(shè)計要充分考慮學(xué)員的關(guān)注度和視頻本身的吸引力，建議將需線下學(xué)習(xí)的課程內(nèi)容按知識點錄制為5～10分鐘的教學(xué)微視頻，在每一個教學(xué)片段后安排相應(yīng)的問答題目作為隨堂測試。

2.3 探索基于CDIO模式的實驗教學(xué)方法

由麻省理工學(xué)院等4所高校聯(lián)合研究出來的CDIO（conceive—design—implement—operate，即構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運作）工程教育模式，主張課程實驗教學(xué)從具體實踐出發(fā)，以創(chuàng)作最終產(chǎn)品為教學(xué)目標，注重實踐性教學(xué)和實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，是一種先進的工程教育體系，也是培養(yǎng)高級工程技術(shù)人才需求的理想選擇[10]。

研究基于CDIO教育模式的實驗教學(xué)方法，科學(xué)制定CDIO能力培養(yǎng)目標，使學(xué)員在系統(tǒng)學(xué)習(xí)課程理論知識和有關(guān)專業(yè)知識的同時，能有目的地開展和參與各項實踐教學(xué)活動，最終達到培養(yǎng)具備高技術(shù)水平和實操能力的高科技軍事人才的目標。根據(jù)CDIO模式的基本理念和要求，可將實驗內(nèi)容和組織形式采用階段式、層次式結(jié)構(gòu)劃分5個階段和5個層次，如圖1所示。

5個層次的實驗設(shè)計方法要求教員具備較高的水平和把握課堂的能力，并結(jié)合實驗進度和實驗層次，采取不同的教學(xué)方法和手段并進行適時的調(diào)整。

對于驗證性實驗，主要采取演示教學(xué)法講授，要求所有學(xué)員在規(guī)定時間內(nèi)在配套的實驗箱上完成全部的實驗。鑒于學(xué)員首次接觸微機原理與接口技術(shù)軟硬件相結(jié)合類型的實驗，大部分學(xué)員基本會感到無從下手，往往不能排除實驗中遇到的問題或故障。教員需要對實驗過程中的軟硬件設(shè)計方法進行耐心細致地講授，協(xié)助并引導(dǎo)學(xué)員解決問題，逐步培養(yǎng)學(xué)員的軟件程序調(diào)試和硬件故障分析與排除的基本方法和技能，使學(xué)員養(yǎng)成嚴謹規(guī)范的實驗作風(fēng)，為后續(xù)實驗奠定基礎(chǔ)。

對于設(shè)計性實驗，主要是指匯編語言程序設(shè)計實驗，該部分實驗側(cè)重于軟件，教員重點引導(dǎo)學(xué)員根據(jù)程序設(shè)計題目的要求，設(shè)計合適的算法，指導(dǎo)學(xué)員正確編譯并發(fā)現(xiàn)程序中存在的錯誤。

對于綜合性和應(yīng)用性實驗，可區(qū)分必做和選做兩部分。教員主要采取啟發(fā)或引導(dǎo)的方式，不主動干預(yù)學(xué)員的實驗全過程，著眼發(fā)現(xiàn)學(xué)員實驗過程中的問題，鼓勵學(xué)員通過相互討論解決實驗中存在的問題。此外，也可鼓勵部分學(xué)有余力的學(xué)員在課外通過Quartus II等軟件和開放實驗室進行，這要求學(xué)員必須發(fā)揮自己的主動性和創(chuàng)造性。

對于創(chuàng)新性實驗，主要采取自由的方式讓學(xué)員在討論中完成，按每2～3人一組，結(jié)合實驗題目和學(xué)員興趣，根據(jù)自己專業(yè)和軍事應(yīng)用實際，采取分組討論、查閱資料、自行設(shè)計與實現(xiàn)等方法或手段，促使學(xué)員在整個過程中能夠自己摸索，教員的角色就轉(zhuǎn)換為提供有關(guān)咨詢和驗收設(shè)計的結(jié)果等。該類型實驗對教員和學(xué)員的要求均較高，教員需注意以下兩點：一是要總體把握學(xué)員所選課題的新穎性和實用性；二是要教授學(xué)員相應(yīng)的技術(shù)資料查詢方法，引導(dǎo)學(xué)員主動學(xué)習(xí)。

CDIO教育需要有良好的實驗環(huán)境。在保證實驗平臺能夠進行基本驗證和設(shè)計性實驗的同時，重新設(shè)計或配發(fā)基于FPGA的、能夠進行創(chuàng)新性實驗的實驗平臺，同時，還須引入常用的硬件電路設(shè)計與仿真軟件（如Quartus II等）彌補純粹硬件實驗的不足，增加實驗的靈活性和學(xué)員實驗的自主性。

在完成課上實驗教學(xué)的同時，可鼓勵學(xué)員積極參加課外實踐活動和學(xué)科競賽以提升綜合實踐能力。學(xué)科競賽是對本課程實踐教學(xué)的拓展，能夠在全面提高學(xué)員主動學(xué)習(xí)、樂于學(xué)習(xí)興趣的同時，提高動手和創(chuàng)新能力，獲得學(xué)以致用的成就感。

3 結(jié) 語

從推進課程教學(xué)改革，提升學(xué)員創(chuàng)新實踐能力的角度，探索建立基于CDIO模式的實驗教學(xué)體系，為軍隊院校微機原理與接口技術(shù)課程建設(shè)提供有力的科學(xué)支撐。同時，我們也清醒地認識到，微機原理與接口技術(shù)課程的教學(xué)改革是一項經(jīng)常性和長期性的工作，需要不斷地探索和總結(jié)經(jīng)驗，逐步完善微機原理與接口技術(shù)課程的內(nèi)容體系，為提高學(xué)員創(chuàng)新實踐能力，培養(yǎng)高素質(zhì)新型軍事人才奠定堅實的基礎(chǔ)。

基金項目：海軍工程大學(xué)教育科研立項課題（NUE2016216）。

作者簡介：昂朝群，女，工程師，研究方向為計算機教學(xué)，tyfhxb@163.com；

陳修亮（通信作者），男，工程師，研究方向為計算機教學(xué)，hgchenxiuliang@163.com。

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