突出計算思維能力培養的微機原理與接口技術教學改革

陳立剛　李紅　劉斌

摘要：以微機原理與接口技術課程教學改革為背景，針對教學課時大幅減少，以計算思維為切入點，探討構建新的課程知識體系；在此基礎上，就如何改革教學方法和實踐教學，以滿足應用接口技術分析、設計微機應用系統的計算思維能力培養需求，提出一些行之有效的改革方法。

關鍵詞：微機原理；接口技術；教學內容；教學改革；計算思維

所謂計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。它作為計算機基礎教育中一個相對較新的概念，雖然已得到了教育界和學術界的廣泛認同，但其具體內涵、貫徹落實的思路在學術界仍有不同見解，有待于我們在相關課程的教學實踐中不斷探索。

1 教學內容改革

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

1.1 關于硬件編程教學

硬件編程教學實際包括兩個方面，即編程語言和穿插在接口技術及應用教學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，內容相對獨立，但在課程教學中所占的課時卻不少，高達14學時以上。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，要讓學生掌握匯編語言程序設計的方法和技巧，僅靠14學時的課內教學往往難以達到預期教學效果。對于理論教學僅有36學時的微機原理與接口技術課程來說，要拿出十幾個學時來進行匯編語言的教學，顯然難以滿足以計算機接口及應用技術為主線的教學需求。

筆者對非電類專業的微機原理與接口技術課程刪去匯編語言相關教學內容，而通過與高級語言程序設計等相關課程的銜接，將C語言作為硬件編程語言開展計算機接口及應用教學，這樣節省的課時可用于加強接口及應用技術的學習，有利于突出接口技術及應用這條主線。對電類專業將減少匯編語言相關教學內容介紹，采用匯編與c語言混合編程進行硬件編程教學，體現實際工程開發的特點。

1.2 背景機選擇

隨著微處理器技術在各專業領域的深入應用，單片機和嵌入式技術已成為微機應用的主流技術之一，但為講授清楚現代微處理器的先進技術，目前全國各重點大學仍普遍采用PC系列微處理器作為背景機開展教學。對于一些電類專業，往往會在該課程之后開設一門以實踐教學為主的單片機/嵌入式系統設計課程。

隨著計算機技術的飛速發展，PC微處理器技術越來越先進，性能已超過傳統意義上的小型機，伴隨而來的是內部結構越來越復雜，而從非計算機專業應用計算機的特點看，一些先進技術又并非課程重點，現有教學實踐大多是淡化其內部原理介紹。采用c語言開展硬件編程教學后，編程結構（內部寄存器及使用）也可進一步淡化，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/嵌入式技術介紹，這樣既可通過PC背景機講清現代微處理器使用的先進技術，又可通過基于PC機、單片機/嵌入式處理器接口設計案例，讓學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接口擴展教學

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

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

（2）內部基本結構相同，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。作為存數主體的內存單元和I/O端口，從數字邏輯角度看都是寄存器，都可被CPU進行讀/寫訪問。主要差別是，存儲器只與CPU交換數據，而I/O寄存器要在兩個方向上傳遞數據，一個方向與CPU交換數據，另一方向與外設交換數據（圖中虛線所示）。

（3）與CPU連接的外部基本引腳信號線相同。數據線、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。

從擴展內存和I/O接口構成微機應用系統角度，基本原理是相同的，關鍵都是在地址分配基礎上實現存儲單元/I/O寄存器地址譯碼，將兩章整合施教有利于減少教學時數，提高教學效率。

1.4 課程知識體系構建

基于上述教學內容改革，對圖1各章節進行整合，構建新的“微機原理與接口技術”知識體系，以非電類專業為例，教學內容詳見表1。由表1不難看出，教學內容改革的重點突出接口技術及應用該重點與課程教學目的是一致的。對電類專業，可在此基礎上適當增加匯編語言程序設計內容及匯編與c語言混合編程方法。

2 教學手段和教學方法改革

教學手段和教學方法的改革一是要有利于提高教學時效比，二是要有利于培養學生的計算思維和創新思維能力。

2.1 注重共性知識提煉，提高教學時效比

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；程序查詢式數據傳送與程序查詢式中斷識別與判優，總線仲裁與向量式中斷識別與判優在原理上有許多相似性；各類ADC芯片因采用的轉換原理不同，內部結構可能差別較大，但從外部引腳的設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。所以教學中應注重這些共性知識的提煉，這樣既有利于提高教學時效比，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 精心設計教學案例，完善案例教學

從計算思維能力培養角度出發，計算機接口技術本身是應用的技術基礎，教學的重點應落實到如何應用這些技術去思考、解決專業領域的實際問題。所以教學應注重具有實際應用背景的案例分析和設計方法介紹。為此，我們依據從簡單到復雜的原則，根據教學的進度精心設計教學案例，包括存儲器與I/O接口擴展設計、中斷處理程序設計、定時器/計數器應用系統設計、鍵盤與LED顯示器接口、步進電機控制和典型數據采集系統設計等涵蓋課程各重要知識點應用的案例。主要案例與知識點應用的關系詳見表2。

教學案例設計總的原則是緊密圍繞課程重要知識點及應用，難度要適中、便于學生理解和參與教學活動中。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，再到設計思想和設計方法。通過逐步引導使學生掌握應用相關接口技術解決實際問題的思維方式。以鍵盤接口設計為例，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生；然后分析按鍵識別的方法和鍵碼產生原理；再引導學生應用所學并行接口設計鍵盤接口的方法，進而編寫按鍵識別和鍵碼產生的接口驅動程序。

2.3 精心設計完善研討式教學

計算思維能力的培養過程應該是學生積極參與、師生互動交流的過程。如何讓學生參與教學互動，激發學生的求知欲和主動思考問題的意識，除教學中精心設計啟發式提問外，研討式教學是目前為各重點大學普遍所接受、能較好地實現師生互動交流的教學模式。

研討式教學設計包括兩個方面，一是研討內容的選取，這可以從精心設計的教學案例或課程實驗項目中選??；二是研討模式的設計，計算機接口設計或計算機應用系統設計，思維方式不同，同一問題往往有不同的解決方案，這就為研討模式設計提供了一種思路，將學員分成若干研討小組，每個組首先在組內自行研討并提出設計方案，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計方案和思路，其他成員可對其提出的解決方案進行補充，然后大家一起對硬、軟件方案的合理性、優點和問題進行討論，最后由教師進行總結。通過這種形式的課堂討論，學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生理解問題的癥結所在，從而從不同的層面有的放矢地幫助學生掌握正確的思維方式。

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

2.4 加強教學資源建設，滿足學生自主學習需求

計算思維能力養成，需要強化學生自主學習和主動思維的意識，這就需要為學生自主學習提供良好的學習環境。結合多年在國家精品課程建設取得的成果和新一輪國家精品資源共享課建設計劃，進一步豐富和完善課程教學資源，包括多媒體教學課件、視頻教學、教學動畫、虛擬實驗、經典教學/實驗案例分析、疑難問題解析、習題庫及解答等教學資源。利用這些資源，學生可上網自主學習，亦可在模仿案例思想解題的基礎上，養成自己主動進行計算機接口及應用系統設計的思維意識。

3 實驗教學改革

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

3.1 被動模仿到主動設計的思維方式

人類許多創造發明和科學技術的進步，都是在積累前人經驗、模仿前人的基礎上主動創新而來的。許多基于計算機應用的智能系統，如專家系統的工作過程實際上就是模仿人類專家求解問題的過程，借助它的學習機制，專家系統可以不斷地積累新知識，從而提高其求解問題的能力。

應用接口技術解決實際問題的計算思維能力培養，亦可從模仿教學/實驗案例解決簡單的應用問題開始，在熟練掌握接口基本原理、基本方法和不斷積累應用經驗的基礎上，培養學生主動思維、主動設計的思維方式。這就需要精心選擇實驗內容和設計實施方法。

一般對以驗證為主和簡單的設計實驗，可通過案例分析、討論，引導學生通過模仿案例思路在課內或課外完成，對較難的設計性和綜合應用性實驗，則啟發學生合理設計實驗步驟，引導學生從被動模仿轉為主動思考、主動設計。

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

3.2 注重復雜問題分解和協作精神培養

實際應用開發中，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，由項目組共同協作完成。所以實驗教學中，在注重被動模仿到主動設計思維方式培養的同時，也應注重復雜問題逐步求精、分而治之的思維方式和團隊協作能力的培養。

對功能較多的復雜實驗，如多芯片綜合實驗和基于控制對象的應用型實驗，可引導學生將實驗分解成層次結構的多個基本功能模塊，這些模塊可以是前面實驗中已實現的，或者是通過案例模仿即可實現的。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雜功能。這樣既簡化了實驗，又能提高學員主動設計、完成復雜實驗的信心，還能體會實際工程開發的特點。

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

4 結語

近年來，因教學課時減少和計算思維能力培養的全局要求，我們對微機原理與接口技術課程教學內容、教學方法與教學手段和實驗教學改革進了一些行之有效的探索，未來將以此為基礎，繼續探索以計算思維為切入點的課程教材建設和考試考核方法改革。

（編輯：趙廓）endprint