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”專業(yè)“微機原理”課程的教學(xué)內(nèi)容多、知識點零散、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性低、實踐教學(xué)薄弱等問題，提出在課程教學(xué)設(shè)計、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考試方式等方面進行改革，著眼于課堂教學(xué)、實驗教學(xué)、課外科技創(chuàng)新實踐與企業(yè)實訓(xùn)四個課堂的有機結(jié)合，注重培養(yǎng)學(xué)生的人性化發(fā)展和自主學(xué)習(xí)，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(xué)，以學(xué)生實踐和創(chuàng)新意識為主線構(gòu)建課程的教學(xué)內(nèi)容，以“應(yīng)用”為主導(dǎo)選擇課程的教學(xué)方法。通過在“微機原理”課程教學(xué)中科學(xué)合理地進行教學(xué)改革實踐，不僅能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)這門課的興趣和熱情，而且對學(xué)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(xué)生的創(chuàng)新思維，更深層次的挖掘?qū)W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”（以下簡稱為“卓越計科工程師”）專業(yè)是西南科技大學(xué)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(xué)校進行學(xué)習(xí)，最后一年在企業(yè)進行聯(lián)合培養(yǎng)），著重培養(yǎng)學(xué)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(xué)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�！拔C原理”課程是計算機科學(xué)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(xué)習(xí)，使學(xué)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(xué)中存在的問題
經(jīng)過多年的微機原理課程教學(xué)，筆者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生對“微機原理”課程的學(xué)習(xí)積極性差，教學(xué)效果不好，學(xué)生反映課程內(nèi)容比較抽象難以理解，學(xué)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(xué)習(xí)興趣大大降低。[2] [3]其存在的問題主要有以下幾點。
（一）學(xué)習(xí)主動性、積極性低
首先，“微機原理”課程教學(xué)內(nèi)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(xué)生而言，就會覺得這門課程內(nèi)容很抽象、難懂，因而導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣下降，學(xué)習(xí)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(xué)），教學(xué)主要以“老師講”為主，學(xué)生參與互動、討論少。
（二）實驗教學(xué)設(shè)計不合理
課程以理論教學(xué)為主，實驗教學(xué)安排內(nèi)容比較少，并且在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)上主要安排驗證性實驗。這使得學(xué)生不用自己設(shè)計實驗控制電路和控制程度，阻礙了學(xué)生發(fā)散思維。同時，學(xué)生對于實驗只是走過場，不用自己動腦，時間長了就會使學(xué)生產(chǎn)生惰性。因此，實驗教學(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(dǎo)致教學(xué)過程管理薄弱，對教學(xué)過程考核檢查不足，學(xué)生只重視期末考試成績，其結(jié)果是對以后課程的學(xué)習(xí)和企業(yè)實訓(xùn)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(shè)計、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考試方式對于“卓越計科工程師”專業(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”專業(yè)的“微機原理”課程的教學(xué)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(xué)、實驗教學(xué)、課外科技創(chuàng)新實踐與企業(yè)實訓(xùn)，注重培養(yǎng)學(xué)生的個性化發(fā)展和自主學(xué)習(xí)。同時，以培養(yǎng)滿足企業(yè)需求的工程師為目標，以學(xué)生實踐和創(chuàng)新意識為主線構(gòu)建課程的教學(xué)內(nèi)容，以“應(yīng)用”為主導(dǎo)選擇課程的教學(xué)方法。
（一）以學(xué)生實踐和創(chuàng)新意識為主線構(gòu)建課程的教學(xué)內(nèi)容
第一次課進行學(xué)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(xué)生明白課程的重要性及特點，讓學(xué)生明白學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)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(xué)生學(xué)習(xí)的動力。第一次課后，學(xué)生就會以主動和比較輕松的心態(tài)來學(xué)習(xí)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(dāng)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(xué)習(xí)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”�！白吭接嬁乒こ處煛睂I(yè)在進校的第三學(xué)期開設(shè)“數(shù)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”的過程中，結(jié)合“數(shù)字電路和模擬電路”來講解，能使學(xué)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(xué)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(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，適當(dāng)引入一些目前應(yīng)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，進一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)
從教學(xué)課時和教學(xué)內(nèi)容上加強實踐教學(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，因而必須通過實踐，讓學(xué)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(xué)的學(xué)時。
微機原理實踐教學(xué)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(xué)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(xué)提供實踐平臺，為“卓越計科工程師”專業(yè)學(xué)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�，掌握用微機串行口設(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(xué)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(xué)生自己動手，建立微機系統(tǒng)整體概念，訓(xùn)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(xué)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(xué)生設(shè)置。
（三）以“應(yīng)用”為主導(dǎo)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(jié)合。首先，教師要完成從“以教師為中心”的傳統(tǒng)教學(xué)觀念轉(zhuǎn)變到“以學(xué)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?dǎo)為主的角色，教師在課程教學(xué)過程中主要發(fā)揮討論、評價、導(dǎo)論的作用，對學(xué)生的學(xué)習(xí)進行指導(dǎo)、互動和示范，當(dāng)好學(xué)生的課程學(xué)習(xí)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開放課程資源和翻轉(zhuǎn)式 / 混合式教學(xué)模式提高課程教學(xué)效果。基于MOOC開放課程資源和翻轉(zhuǎn)式 / 混合式教學(xué)模式的核心是讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主人，學(xué)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(xué)習(xí)。同時，學(xué)生自學(xué)、相互學(xué)習(xí)、師生互動、學(xué)生與學(xué)生互動及教師指導(dǎo)成為重要的學(xué)習(xí)方法。[5] [6]
2.學(xué)生以小組形式進行學(xué)習(xí)�！白吭接嬁乒こ處煛睂I(yè)培養(yǎng)具有扎實的計算機科學(xué)與技術(shù)理論基礎(chǔ)，系統(tǒng)熟練地掌握計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(xué)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(xué)能力以及組織協(xié)調(diào)能力。學(xué)生以學(xué)習(xí)小組形式進行學(xué)習(xí)可以很好訓(xùn)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、宿舍、成績、團結(jié)協(xié)作能力等均衡合理劃分各學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)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(xué)過程中小組成員必須輪換闡述本小組學(xué)習(xí)成果及觀點。這樣的學(xué)習(xí)方法會使那些學(xué)差生在小組其他學(xué)生的幫助下變得主動學(xué)習(xí)。
（四）以考核學(xué)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(xué)過程的重要性，只重視課程基本理論教學(xué)，輕視教學(xué)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(xué)生的培養(yǎng)來說，應(yīng)建立以學(xué)生創(chuàng)新實踐能力為導(dǎo)向，以注重學(xué)生能力考核為主的考核方案，切實培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作、有效交流、創(chuàng)新、實踐等能力�？蓪⒖己顺煽冎衅綍r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(xué)生實踐成績，而是應(yīng)該注重考核學(xué)生分析問題、解決問題的能力，突出項目實踐成績。
（五）鍛煉學(xué)生社會適應(yīng)性能力和培養(yǎng)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，就需要自學(xué)。就“微機原理”課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)要求來說，相對中學(xué)課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)比較靈活，發(fā)揮的空間大。因此，課程教學(xué)過程中應(yīng)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(xué)中讓學(xué)生意識到自學(xué)的關(guān)鍵性。其次，結(jié)合MOOC開放課程資源，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)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(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群互動或開報告會等，鼓勵學(xué)生闡述通過自學(xué)所得，以此進一步激發(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)合理地進行教學(xué)改革實踐，不僅能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)這門課的興趣和熱情，而且對學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)改革的探索還在繼續(xù)。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(yǎng)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在計算機實踐教學(xué)中的應(yīng)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(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(xué)研究[J].計算機教育，2015（13）：9-12.
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