微機原理與接口技術(shù)課程教學(xué)改革的方向研究

微機原理與接口技術(shù)課程教學(xué)改革的方向研究由于電子信息科學(xué)與工程類學(xué)科專業(yè)具有發(fā)展速度快和穿插學(xué)科多的特點，并隨著社會需求的不斷變化，需要統(tǒng)籌考慮、全面規(guī)劃專業(yè)教學(xué)內(nèi)容和知識體系。微機原理與接口技術(shù)和單片機原理與應(yīng)用是當(dāng)前大多數(shù)高校電子信息類專業(yè)開設(shè)的已發(fā)展較成熟的專業(yè)課程。其中，專業(yè)基礎(chǔ)課程微機原理與接口技術(shù)以早已退出應(yīng)用領(lǐng)域的Intel8086/8088CPU為教學(xué)模型機，側(cè)重于系統(tǒng)理論的教學(xué)，而單片機原理與應(yīng)用課程以51系列單片機為教學(xué)模型機，側(cè)重于理論應(yīng)用的教學(xué)。我校長期以來與大多數(shù)高校一樣，前后分兩個學(xué)期單獨開設(shè)這兩門課程。貫徹落實高校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程，亟待加強學(xué)生的理論能力和創(chuàng)新精神，針對微機原理課程教學(xué)內(nèi)容相對陳腐而兩門課程在教學(xué)內(nèi)容上存在一定反復(fù)的問題，我校將這兩門課程合二為一，課程名稱仍為微機原理與接口技術(shù)，布置45學(xué)時的理論教學(xué)，并裝備20學(xué)時的微型計算機接口(單片機)實驗。1課程教學(xué)內(nèi)容探尋求索專業(yè)知識體系由知識領(lǐng)域、知識單元和知識點三個條理構(gòu)成，專業(yè)知識體系分成學(xué)科基礎(chǔ)知識體系和專業(yè)方向知識體系。電子信息類學(xué)科基礎(chǔ)知識體系由電路與電子學(xué)知識領(lǐng)域、信號系統(tǒng)與控制知識體系、計算機知識領(lǐng)域和電磁場知識領(lǐng)域四個基本知識領(lǐng)域構(gòu)成[1]。傳統(tǒng)的微機原理課程作為計算機知識領(lǐng)域的專業(yè)基礎(chǔ)課，與計算機文化基礎(chǔ)、C語言、電路分析、模仿電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等先導(dǎo)課程聯(lián)絡(luò)嚴(yán)密，同時又是單片機原理與應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用、DSP原理與應(yīng)用、現(xiàn)代計算機體系構(gòu)造、計算機網(wǎng)絡(luò)與通信等后續(xù)課程的理論基礎(chǔ)。該課程在上述學(xué)科前三個基礎(chǔ)知識領(lǐng)域與電子信息類各專業(yè)方向知識體系之間起到承上啟下的作用。隨著集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，微處理器的發(fā)展也日新月異，其芯片集成度越來越高，內(nèi)部構(gòu)造越來越復(fù)雜，處理能力越來越強，已進入64位的微處理器時代。對于剛剛進入高校的本科生，假如直接學(xué)習(xí)32位、以至64位的微機系統(tǒng)原理，需要把握的相關(guān)背景知識過多，容易陷入技術(shù)的泥潭中[2]。而傳統(tǒng)的微機原理介紹的16位的微處理器8086/8088及其相應(yīng)的配套接口芯片早已退出應(yīng)用舞臺，造成知識點與實際應(yīng)用存在較大的脫節(jié)，讓學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)這門課程沒有用的錯覺。固然微機原理理論更系統(tǒng)，而單片機應(yīng)用性更強，但這兩門課程在內(nèi)容上(原理與接口應(yīng)用等)和形式上(指令系統(tǒng)和匯編程序設(shè)計等)具有較大的穿插，獨立設(shè)課將不可避免地出現(xiàn)知識點的反復(fù)和各自重點的缺失。除此之外，雖然微機原理課程側(cè)重于系統(tǒng)理論，但也是一門理論性很強的課程，需要通過實驗理論來加深對系統(tǒng)理論的理解，以8086/8088為核心的實驗平臺缺乏實際應(yīng)用背景，在學(xué)時較少的情況下實驗教學(xué)效果較差，假如采取廣泛使用的51系列單片機來合理地設(shè)計實驗課程內(nèi)容，實驗將具有更強的實際應(yīng)用背景，能夠更有效地與系統(tǒng)理論知識協(xié)調(diào)互補，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并引導(dǎo)學(xué)生進行課外動手理論制造，可更好地加強學(xué)生的理論能力和創(chuàng)新精神。為此，我校電子信息類專業(yè)將這兩門課程合二為一，布置45學(xué)時的理論教學(xué)和20學(xué)時的實驗教學(xué)。由于各領(lǐng)域的應(yīng)用需求不同，微型計算機系統(tǒng)構(gòu)成了以PC機為代表的通用微型計算機系統(tǒng)和以單片機、ARM，DSP，SOC，SOPC等為代表的嵌入式計算機系統(tǒng)這兩大分支。雖然這兩大分支系統(tǒng)在外形上具有很大差別，但由于本是同根生，它們都是由基本的馮諾依曼構(gòu)造計算機工作原理演變而來，存在許多共同的知識點。因而，課堂教學(xué)應(yīng)首先介紹計算機的基本原理：對數(shù)制與編碼、計算機的基本構(gòu)成邏輯電路、存儲器等基礎(chǔ)知識扼要回首，做好課程與數(shù)字電子技術(shù)課程內(nèi)容的銜接；明確計算機系統(tǒng)在硬件構(gòu)造構(gòu)成上以運算器和控制器為中心引出系統(tǒng)總線裝備存儲器和輸入輸出設(shè)備，以指令系統(tǒng)作為軟件基礎(chǔ)明確計算機是根據(jù)給定程序，逐條履行指令進而實現(xiàn)特定功能，明確程序設(shè)計語言中的機器語言、匯編語言和高級語言這三大類型語言各自的特點和互相關(guān)系；硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)有機組合在一起能力構(gòu)成完好的微機系統(tǒng)，以計算機履行訪問存儲器或I/O設(shè)備程序經(jīng)過舉例說明微型計算機的基本工作經(jīng)過和原理；從中止基本概念出發(fā)明確中止系統(tǒng)功能和中止處理經(jīng)過，介紹中止程序的一般設(shè)計方法，進而明確計算機中止系統(tǒng)的原理。由于51系列單片機麻雀雖小五臟俱全，一個芯片包括了計算機構(gòu)造中運算器、控制器、存儲器和輸入/輸出5個構(gòu)成單元，其知識相對簡單，容易理解和把握，而且有廣泛的應(yīng)用背景，比較容易進行各種系統(tǒng)設(shè)計實驗，因而，學(xué)習(xí)計算機的基本工作原理后，可側(cè)重講授51系列單片機原理及應(yīng)用。通過對51系列單片機內(nèi)部電路構(gòu)造和工作原理的學(xué)習(xí)，輔以電源電路、復(fù)位電路和時鐘電路建立單片機最小系統(tǒng)作為硬件平臺；在軟件基礎(chǔ)方面，理解和把握80C51指令系統(tǒng)中的尋址方式和指令的分類，把握各條指令有序組合在一起實現(xiàn)特定功能的匯編程序設(shè)計方法，進而更深切進入地理解和把握單片機的硬件構(gòu)造，再偱序漸進地引導(dǎo)學(xué)生采取高級語言進行程序設(shè)計，實現(xiàn)與C語言課程內(nèi)容的銜接；通過內(nèi)部重要功能單元(定時/計數(shù)器、UART串行接口和中止系統(tǒng))構(gòu)造和編程應(yīng)用、單片機系統(tǒng)擴展和接口的編程應(yīng)用的學(xué)習(xí)，從軟硬兩方面綜合實現(xiàn)單片機的實際應(yīng)用。在學(xué)時允許的條件下，最后扼要介紹微型計算機系統(tǒng)的原理與應(yīng)用，加深計算機系統(tǒng)工作原理的理解，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定理論基礎(chǔ)。教學(xué)是老師的教和學(xué)生的學(xué)所構(gòu)成的一種人類特有的人才培養(yǎng)活動。站上講臺，老師要明確教什么，幫助學(xué)生建立學(xué)科相關(guān)課程的體系構(gòu)造，讓學(xué)生明確所學(xué)課程在學(xué)科體系中的地位和作用，明確能夠?qū)W什么。以上介紹可明確我校電子信息專業(yè)微機原理與接口技術(shù)課程改革后教什么與學(xué)什么的問題。2課程教學(xué)方法探尋求索通過對課程教學(xué)內(nèi)容的探尋求索，課程重點講授微型計算機系統(tǒng)架構(gòu)及其基本工作原理、單片機工作原理和實際開發(fā)應(yīng)用兩部分內(nèi)容，課程具有較強的理論性和應(yīng)用性，課程內(nèi)容比較抽象，怎樣提升課程教學(xué)效果，需要深切進入探尋求索怎么教與怎么學(xué)的問題。2.1課堂授課方式探尋求索隨著現(xiàn)代化多媒體教學(xué)方式的普及，傳統(tǒng)的純板書教學(xué)方式逐步被多媒體投影教學(xué)方式取代。這種現(xiàn)代化的教學(xué)方式在聲形結(jié)合、圖文并茂地給學(xué)生帶來不同的學(xué)習(xí)體驗的同時，也顯現(xiàn)出一定的弊端。通常情況下，老師在控制臺講解投影屏上的教學(xué)內(nèi)容時，學(xué)生聽到的講解聲音和看到的課程內(nèi)容處于脫離狀況，視覺和聽覺難以集中[3]。除此之外，由于多媒體教學(xué)沒有老師板書環(huán)節(jié)，課堂教學(xué)信息量增大，學(xué)生對課程內(nèi)容考慮時間變短，同時長時間盯著投影屏承受大量信息容易造成視覺疲憊，導(dǎo)致教學(xué)效果欠安，不具有傳統(tǒng)板書教學(xué)方式中學(xué)生的視覺和聽覺集中在老師板書區(qū)域，能夠跟隨老師板書節(jié)拍邊聽邊理解的優(yōu)點。因而，我們針對詳細(xì)教學(xué)內(nèi)容采取傳統(tǒng)板書與現(xiàn)代化多媒體相結(jié)合的方式授課，不僅給學(xué)生帶來圖文并茂的學(xué)習(xí)體驗，同時對于重點和難點知識，采取板書形式循序漸進地引導(dǎo)學(xué)生一起互動式理解并把握，提升教學(xué)效果。例如：通過舉例方式講解匯編語言程序設(shè)計基本方法，通過課件顯示例題題目內(nèi)容可節(jié)省傳統(tǒng)板書書寫時間，對設(shè)計題目分析時，通過課件以動畫的形式生動地展現(xiàn)程序流程圖，以流程圖為根據(jù)進一步采取傳統(tǒng)板書的方式引導(dǎo)學(xué)生一起在黑板上依次書寫一條條的指令，完成程序設(shè)計，然后將備課時在計算機上編纂好的程序源代碼用仿真軟件運行并通過投影儀展現(xiàn)程序運行經(jīng)過。由于該課程在學(xué)科專業(yè)體系中承上啟下，課程內(nèi)容與數(shù)字電子技術(shù)息息相關(guān)，在授課經(jīng)過中要重視相關(guān)課程的銜接。例如：講授總線概念時，可聯(lián)絡(luò)數(shù)字電子技術(shù)課程中講授的三態(tài)門采取分時工作的工作方式，重要應(yīng)用在計算機總線中；講授存儲器擴展時，聯(lián)絡(luò)數(shù)字電子技術(shù)課程中講授的半導(dǎo)體存儲器的相關(guān)概念；講授定時/計算器時，聯(lián)絡(luò)數(shù)字電子技術(shù)課程中講授的時序邏輯電路計算器的工作原理；講授計算機中有符號數(shù)采取補碼形式可將符號位直接參與運算，結(jié)果仍為補碼形式表示時，可進一步拓展到數(shù)字系統(tǒng)中有符號表示和運算均采取補碼形式。除此之外，課程內(nèi)容自成體系，需重視課程前后知識點的連貫銜接，在授課經(jīng)過中，只要講授的新知識點與前面學(xué)習(xí)的知識點相關(guān)，我們就引導(dǎo)學(xué)生翻到教學(xué)資料學(xué)過的相關(guān)知識點位置，將前后知識點有機結(jié)合起來，幫助學(xué)生構(gòu)成完好的課程體系。由于課程部分內(nèi)容較為抽象、難以理解，在講授相關(guān)內(nèi)容時，還可采取比方的方法用日常生活中類似的事例進行類比，將抽象內(nèi)容形象化、生動化，讓學(xué)生更好地理解和把握。例如：講授中止處理經(jīng)過能夠用事例正常講課經(jīng)過中出現(xiàn)學(xué)生提出疑問并解答完畢回歸正常講課作類比。老師正常授課類似于履行主程序，學(xué)生舉手類似于中止懇求，老師請學(xué)生提出疑問類似于中止響應(yīng)，學(xué)生提出疑問以及老師解答類似于中止處理，回到正常授課類似于中止返回，除此之外，學(xué)生提出疑問前的授課進度和內(nèi)容類似于中止的斷點，學(xué)生通過這樣的類比能夠更好地理解和把握中止的相關(guān)概念。講授MOV傳送指令時，可用學(xué)生在課堂上抄作業(yè)進行類比。講授空操作指令NOP時，可拿學(xué)生在課堂上打瞌睡作類比，類比經(jīng)過引來了學(xué)生哄堂大笑，活潑踴躍課堂氣氛的同時，也提醒部分學(xué)生要遵照課堂紀(jì)律，不要在課堂上虛度光陰。2.2重視實驗理論環(huán)節(jié)本課程是理論性和應(yīng)用性非常強的專業(yè)基礎(chǔ)課，僅僅通過課堂教學(xué)來學(xué)習(xí)把握基本系統(tǒng)概念、工作原理、設(shè)計原則和方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，尤其在當(dāng)今鼎力提倡以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為核心的素質(zhì)教育中，為知足經(jīng)濟社會發(fā)展對高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的需要，必需將理論和理論嚴(yán)密結(jié)合起來，用理論指點理論，用理論強化理論。因而，教學(xué)雙方都要重視實驗理論教學(xué)環(huán)節(jié)，正確合理地設(shè)計實驗課程內(nèi)容，并采取探究式教學(xué)方法，以老師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，調(diào)動學(xué)生的積極性，發(fā)掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛力，變被動接收為自動探求，做中學(xué)，學(xué)中做，做到學(xué)以致用、活學(xué)活用。實驗課程采取條理化的實驗理論內(nèi)容體系，分成基礎(chǔ)實驗、系統(tǒng)綜合實驗和課程設(shè)計理論三個條理?；A(chǔ)實驗內(nèi)容包含：軟件開發(fā)環(huán)境和簡單程序設(shè)計，I/O口輸入、輸出實驗，中止、定時器實驗；異步串行通信實驗，D/A和A/D接口實驗等。通過基礎(chǔ)實驗逐步把握單片機的定時/計數(shù)器、中止、串行通信、系統(tǒng)擴展、接口技術(shù)等功能，在實驗經(jīng)過中偱序漸進地引導(dǎo)學(xué)生采取C語言進行程序設(shè)計。以簡易數(shù)字時鐘設(shè)計為題進行系統(tǒng)綜合實驗訓(xùn)練，讓學(xué)生將基礎(chǔ)實驗中把握的單片機各功能模塊構(gòu)成完好系統(tǒng)，建立單片機系統(tǒng)整體概念，學(xué)會站在系統(tǒng)的高度分析和解決問題，初步具備單片機系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)能力。通過以上兩個條理的訓(xùn)練后，學(xué)生有了一定的理論基礎(chǔ)以及理論能力，則進入課程設(shè)計理論環(huán)節(jié)。學(xué)生通過課外時間自行選擇課題，獨立完成相關(guān)軟件和硬件的設(shè)計，要求設(shè)計實物系統(tǒng)測試驗收，訓(xùn)練學(xué)生自立解決問題的能力和創(chuàng)新能力。由于實驗項目設(shè)計來自實際應(yīng)用課題，使得實驗課程更接近實際應(yīng)用。設(shè)計性、綜合性實驗占85%，要求根據(jù)任務(wù)，做好預(yù)習(xí)，根據(jù)參考方案或自行設(shè)計硬件電路，編寫相應(yīng)的程序。每位學(xué)生獨立完成軟硬件的調(diào)試，做好實驗記錄并由指點老師檢查后簽字確認(rèn)。每個實驗結(jié)束后，要求學(xué)生提交完好的實驗報告，包含程序清單、電路原理圖、測試記錄、結(jié)果分析等。3課程教學(xué)目的探尋求索將傳統(tǒng)的微機原理與接口技術(shù)和單片機原理與應(yīng)用課程合二為一后，為了能夠?qū)崿F(xiàn)為后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定較強的微機系統(tǒng)理論基礎(chǔ)并把握單片機系統(tǒng)原理和具備單片機實際應(yīng)用開發(fā)能力的教學(xué)目的，我們還需要進一步討論教學(xué)經(jīng)過中教到什么水平與學(xué)到什么水平的問題。微機系統(tǒng)理論基礎(chǔ)是原理性的，傳統(tǒng)的微機原理課程基于8/16位微處理器展開，而由于技術(shù)不斷發(fā)展，現(xiàn)代微處理器已進入64位的時代，教學(xué)內(nèi)容與實際應(yīng)用之間存在宏大的脫節(jié)。雖然技術(shù)在不斷變換，但是從計算機面世以來，基本原理沒有發(fā)生太大的改變，從馮諾依曼構(gòu)造提出到如今已有幾十年，即便技術(shù)工藝有了翻天覆地的變化，但體系構(gòu)造沒有發(fā)生實質(zhì)改變[4]。因而，課程拋開詳細(xì)的微處理器型號，把握通用微型計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)這兩大分支的共性，以共性為基礎(chǔ)建立微型計算機系統(tǒng)軟硬件體系架構(gòu)，并了解微型計算機技術(shù)的發(fā)展趨勢，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定理論基礎(chǔ)。然后學(xué)習(xí)比較容易下手的單片機原理及應(yīng)用的相關(guān)內(nèi)容：一方面，通過理論教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合，把握51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計及調(diào)試方法，把握單片機開發(fā)工具的使用方法，鍛煉和提升學(xué)生的工程理論能力，為新型單片機的學(xué)習(xí)和應(yīng)用打下基礎(chǔ)；另一方面，通過詳細(xì)型號的單片機內(nèi)部構(gòu)造、工作原理和應(yīng)用開發(fā)的學(xué)習(xí)，夯實微型計算機系統(tǒng)軟硬件體系架構(gòu)的理解，把握微型計算機系統(tǒng)學(xué)習(xí)的一般方法，用于后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。除此之外，隨著編譯技術(shù)的進步，現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中的軟件大多采取高級語言編寫，僅少量引導(dǎo)代碼采取匯編語言編寫[5]。因而，在課程中，對于51單片機指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計的教學(xué)只需要效勞于幫助學(xué)生更深切進入地理解和把握單片機的硬件構(gòu)造和高級語言程序的相關(guān)原