“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程中學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)模式探索

侯彥利

（吉林大學(xué)公共計(jì)算機(jī)教學(xué)與研究中心，吉林長(zhǎng)春 130025）

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”公共課是高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)體系中主要面向工科學(xué)生開(kāi)設(shè)的核心課程之一。它是一個(gè)內(nèi)容龐雜、先修知識(shí)要求較多、體現(xiàn)整體系統(tǒng)認(rèn)知與應(yīng)用能力的課程。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以了解和掌握微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)基本組成、工作原理及接口電路的基本設(shè)計(jì)方法，初步具備用匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的能力，學(xué)習(xí)通過(guò)軟件控制硬件的方法，為以后從事計(jì)算機(jī)控制和信息處理等領(lǐng)域的研究打下基礎(chǔ)。目前，計(jì)算機(jī)作為一個(gè)“快速計(jì)算或者自動(dòng)化控制”的工具的認(rèn)知還是很普遍，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的目的就是教學(xué)生學(xué)會(huì)使用這個(gè)工具，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用這個(gè)工具的能力。

1 計(jì)算思維及計(jì)算思維能力的培養(yǎng)

計(jì)算機(jī)是無(wú)數(shù)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家多年研究建設(shè)的結(jié)果，這個(gè)結(jié)果蘊(yùn)含了大量的科學(xué)思維邏輯，形成了計(jì)算機(jī)技術(shù)的基本概念、基本方法，是這種思維造就了計(jì)算機(jī)，這種思維是計(jì)算機(jī)的精華和靈魂。計(jì)算思維是從思維角度體現(xiàn)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的基本概念、基本思想去組織行為、進(jìn)行問(wèn)題求解、完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思維活動(dòng)。雖然我們往往通過(guò)計(jì)算機(jī)的軟硬件，以及計(jì)算機(jī)的使用去體會(huì)計(jì)算思維，但計(jì)算思維是比計(jì)算機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)能力、比計(jì)算機(jī)的使用能力更抽象，對(duì)促進(jìn)其他學(xué)科的發(fā)展更重要的一種意識(shí)與思維方式。

文獻(xiàn)[2]對(duì)計(jì)算思維概念以及計(jì)算思維能力的培養(yǎng)進(jìn)行了較系統(tǒng)的闡述。文獻(xiàn)[3-4]給出了一個(gè)多視角的計(jì)算思維描述：“計(jì)算思維是通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)困難的問(wèn)題闡釋為如何求解它的思維方法；計(jì)算思維是一種遞歸思維，是一種并行處理，是一種把代碼譯成數(shù)據(jù)又能把數(shù)據(jù)譯成代碼，是一種多維分析推廣的類(lèi)型檢查方法；計(jì)算思維是一種采用抽象和分解的方法來(lái)控制龐雜的任務(wù)或進(jìn)行巨型復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是基于關(guān)注點(diǎn)分離的方法；計(jì)算思維是一種選擇合適的方式陳述一個(gè)問(wèn)題，或?qū)σ粋€(gè)問(wèn)題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法；計(jì)算思維是按照預(yù)防、保護(hù)及通過(guò)冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)的方式，并從最壞情況進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法；計(jì)算思維是利用啟發(fā)式推理尋求解答，即在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度的思維方法；計(jì)算思維是利用快速計(jì)算處理海量數(shù)據(jù)，在時(shí)間和空間之間、在處理能力和存儲(chǔ)容量之間進(jìn)行折中的思維方法”。

由計(jì)算機(jī)當(dāng)前已取得的巨大成就，不難看出計(jì)算思維是融入當(dāng)前每個(gè)人的工作和生活、無(wú)處不在的一個(gè)解決問(wèn)題的思想源泉。在當(dāng)今社會(huì)，計(jì)算思維方式的養(yǎng)成是多方面的。對(duì)于非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的大學(xué)生，公共計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程是培養(yǎng)其計(jì)算思維的主要教學(xué)內(nèi)容。這些課程體系以往雖然也注意到了文化層面的計(jì)算知識(shí)與能力的培養(yǎng)，但教學(xué)目標(biāo)主要強(qiáng)調(diào)操作能力、應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力、研究創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；對(duì)于理工科非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生，主要從算法實(shí)現(xiàn)能力、數(shù)據(jù)歸納能力、程序設(shè)計(jì)能力以及一定的硬件技術(shù)基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)能力[5]。近些年，隨著計(jì)算思維的提出，計(jì)算思維能力培養(yǎng)越來(lái)越受到重視。首屆“九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會(huì)”上，與會(huì)專(zhuān)家全面分析了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)現(xiàn)狀，對(duì)一系列有關(guān)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展問(wèn)題進(jìn)行了探索，提出“大學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，不僅要了解計(jì)算機(jī)是什么，計(jì)算機(jī)能夠做什么、如何做，而且還要知道這個(gè)學(xué)科領(lǐng)域解決問(wèn)題的基本方法與特點(diǎn)，即學(xué)習(xí)這個(gè)學(xué)科領(lǐng)域解決問(wèn)題的基本思維方法。計(jì)算機(jī)作為通識(shí)教育的重要內(nèi)容，不只是簡(jiǎn)單地拓展學(xué)生在計(jì)算機(jī)方面的知識(shí)面，更需要展現(xiàn)計(jì)算機(jī)學(xué)科的思維方式”[6]，認(rèn)為“計(jì)算思維能力的培養(yǎng)正是大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)”[6]。

隨著計(jì)算機(jī)知識(shí)的普及以及使用能力的普遍提高，有質(zhì)疑大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程開(kāi)設(shè)的必要性的觀點(diǎn)。而計(jì)算思維的培養(yǎng)需求不僅說(shuō)明了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的必要，同時(shí)也反映了隨著計(jì)算機(jī)的深入發(fā)展以及在人類(lèi)活動(dòng)中的重要性提高，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的需求目標(biāo)在不斷提高，也為新的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)課程體系建設(shè)提出了一個(gè)基本的出發(fā)點(diǎn)。在重新梳理原有課程體系基礎(chǔ)上，逐漸形成以計(jì)算思維培養(yǎng)為目標(biāo)的框架?！拔C(jī)原理與接口技術(shù)”是機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的重要計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程。依據(jù)課程特點(diǎn)，探索在教學(xué)中深化計(jì)算思維能力培養(yǎng)模式具有重要意義。

2 “微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程的特點(diǎn)及計(jì)算思維能力的培養(yǎng)

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)體系中“系統(tǒng)平臺(tái)與計(jì)算環(huán)境”知識(shí)領(lǐng)域的深入課程?！拔C(jī)原理與接口技術(shù)”課程的內(nèi)容主要包括微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、微處理器及總線(xiàn)、指令系統(tǒng)及匯編語(yǔ)言、存儲(chǔ)器技術(shù)、輸入輸出技術(shù)、接口電路及應(yīng)用[7]。

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是通過(guò)某款具體的微處理器為核心展開(kāi)課程內(nèi)容，其直接的教學(xué)過(guò)程是講解一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)例講原理以及知識(shí)和應(yīng)用；而其它課程往往是講解計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的一個(gè)方面的知識(shí)、理論或技術(shù)。給學(xué)生一個(gè)具體的、由基礎(chǔ)的電路構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算的可看的東西，可使其對(duì)計(jì)算機(jī)的“計(jì)算”會(huì)有更本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。尤其對(duì)于機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)，微型計(jì)算機(jī)不僅可以在計(jì)算、信息處理等方面使用，而且很重要的一個(gè)方面是在本專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的嵌入式應(yīng)用，即把微型機(jī)作為本專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)的一個(gè)部件使用。如在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的方式是輸入——機(jī)械系統(tǒng)——輸出（圖1）；這里所有功能實(shí)現(xiàn)基于機(jī)械的原理與部件；而有計(jì)算思維的問(wèn)題解決方案中，在從一開(kāi)始的考慮中“計(jì)算”就是其可選擇使用的基礎(chǔ)手段；就會(huì)給出基于“計(jì)算”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)（圖2）。而計(jì)算部分的嵌入能夠把復(fù)雜的過(guò)程進(jìn)行轉(zhuǎn)化分解，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)全機(jī)械系統(tǒng)無(wú)法比擬的功能。

圖1 純機(jī)械系統(tǒng)

圖2 嵌入“計(jì)算”的機(jī)械系統(tǒng)

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”雖然一般被認(rèn)為其主體是硬件課程，但實(shí)質(zhì)它講述的是一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)，除了硬件結(jié)構(gòu)，也包含了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計(jì)、編譯以及程序執(zhí)行的一些思想和概念，甚至涉及存儲(chǔ)器管理、接口管理等操作系統(tǒng)問(wèn)題。雖然“微機(jī)原理與接口技術(shù)”基于的計(jì)算環(huán)境是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，但對(duì)于沒(méi)有開(kāi)設(shè)過(guò)“計(jì)算機(jī)組成原理”類(lèi)課程的非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，通過(guò)本門(mén)課程了解計(jì)算機(jī)在指令級(jí)的軟硬件如何配合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算的基本過(guò)程，以及很多計(jì)算機(jī)組成原理方面的知識(shí)。

總之，從計(jì)算思維能力培養(yǎng)角度，應(yīng)當(dāng)注意通過(guò)指令基本執(zhí)行過(guò)程的學(xué)習(xí)加深對(duì)計(jì)算機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算的理解；通過(guò)數(shù)據(jù)編碼及代碼數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與表示的知識(shí)說(shuō)明代碼與數(shù)據(jù)的關(guān)系；通過(guò)硬件的總線(xiàn)與層次結(jié)構(gòu)說(shuō)明采用抽象分解方法處理龐雜任務(wù)及復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法；通過(guò)強(qiáng)調(diào)微機(jī)軟硬結(jié)合的基本工作過(guò)程，加深把算法嵌入在各種系統(tǒng)中的基本技能；注意在“串行與并行數(shù)據(jù)傳輸”、“時(shí)序及同步控制”等內(nèi)容的學(xué)習(xí)中體會(huì)時(shí)間和空間的折中思維方式。

3 “微機(jī)原理與接口技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的計(jì)算思維能力的培養(yǎng)

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是一門(mén)實(shí)踐性、設(shè)計(jì)性很強(qiáng)的課程。實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容及方法對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)有很大影響。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置、實(shí)驗(yàn)過(guò)程組織、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)等方面應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化計(jì)算思維的養(yǎng)成。“微機(jī)原理與接口技術(shù)”實(shí)驗(yàn)課程一般包括操作性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和專(zhuān)業(yè)應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)。

(1)對(duì)于操作性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，不僅要讓學(xué)生學(xué)習(xí)軟硬件的基本操作使用以及對(duì)基本原理的驗(yàn)證，而且要啟發(fā)學(xué)生思考這些基本的器件及原理在計(jì)算機(jī)以及基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)中，解決了哪些為實(shí)現(xiàn)“計(jì)算”必須實(shí)現(xiàn)的基本需求，說(shuō)明了哪些有關(guān)“計(jì)算”的基本規(guī)律。(2)對(duì)于綜合性技能實(shí)驗(yàn)，不僅要了解掌握計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題的技術(shù)與方法，而且要引導(dǎo)學(xué)生思考掌握怎么基于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的基本知識(shí)、基本原理、基本算法、基本器件構(gòu)建解決實(shí)際問(wèn)題的技術(shù)方法。(3)對(duì)于專(zhuān)業(yè)性應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，不僅要培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與方法解決其他專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域問(wèn)題的綜合能力，而且要培養(yǎng)學(xué)生在問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)中突破專(zhuān)業(yè)界限的能力。把計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)方法與本專(zhuān)業(yè)理論技術(shù)方法，在思維方式層面上融入一起，有機(jī)結(jié)合在問(wèn)題的求解方法和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中。

4 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算思維的理解以及計(jì)算思維能力的培養(yǎng)方法都處在一個(gè)不斷發(fā)展的過(guò)程。與其它計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程一樣，把計(jì)算思維能力的培養(yǎng)作為“微機(jī)原理與接口技術(shù)”公共課教學(xué)的核心任務(wù)，需要一個(gè)過(guò)程；形成較為系統(tǒng)的能夠體現(xiàn)計(jì)算思維能力培養(yǎng)的教學(xué)方法，更需要一個(gè)不斷探索和實(shí)踐的過(guò)程。推進(jìn)計(jì)算思維能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)，需要教師學(xué)習(xí)、體會(huì)并深入理解計(jì)算思維概念以及計(jì)算思維能力；計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)組織要積極推出課程體系建設(shè)指導(dǎo)意見(jiàn)；逐漸形成配套的教材以及教學(xué)環(huán)境；教學(xué)內(nèi)容及重點(diǎn)突出有利與計(jì)算思維培養(yǎng)的部分；課程講授及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)要達(dá)到能體現(xiàn)出計(jì)算思維的層次。

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[6]何欽銘,陸漢權(quán),馮博琴.計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計(jì)算思維能力的培養(yǎng)——《九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》解讀[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué),2010(9):5-9.

[7]教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì).高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告——暨計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求[M].北京:高等教育出版社,2009.