工科計(jì)算機(jī)硬件課程的融合

摘要：針對(duì)目前高校工科計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)的實(shí)際情況，分析“微機(jī)原理與接口技術(shù)”和“單片機(jī)原理與應(yīng)用”兩門課程的教學(xué)要求和特點(diǎn)，闡述兩門課程的共性和異性，提出將兩門課程進(jìn)行融合教學(xué)，為工科計(jì)算機(jī)硬件課程的設(shè)置和教學(xué)改革提供思路和方法。

關(guān)鍵詞：微機(jī)原理與接口技術(shù)；單片機(jī)原理與應(yīng)用；課程融合；教學(xué)改革；硬件課程

文章編號(hào)：1672-5913（2013）03-0054-03

中圖分類號(hào)：G642

0 引言

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”“單片機(jī)原理與應(yīng)用”等涉及計(jì)算機(jī)硬件的課程是高校自動(dòng)化、測(cè)控、電氣、電子、通信等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。這些課程有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，課程信息量大、知識(shí)點(diǎn)多、概念抽象，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)困難，不容易掌握。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高校教育要求教授給學(xué)生的知識(shí)更加寬泛。這樣就難免要添加許多新的課程，例如，“嵌入式系統(tǒng)”原本是研究生的課程，但是現(xiàn)在各大高校都在本科階段開設(shè)。在相同學(xué)制下，要加入緊跟技術(shù)發(fā)展的新課程，就必然要壓縮傳統(tǒng)課程的教學(xué)學(xué)時(shí)。筆者從事高校教學(xué)工作十余年，連續(xù)講授“微機(jī)原理與接口技術(shù)”和“單片機(jī)原理與應(yīng)用”這兩門課程超過八年，提出將兩門課程的教學(xué)融合為一門課程的教學(xué)研究思路，以達(dá)到降低學(xué)時(shí)但不減弱講授內(nèi)容的教學(xué)目的。

1 課程對(duì)比分析

在兩個(gè)學(xué)期分別安排上述兩門課程是傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)置方式，這種思路源于強(qiáng)調(diào)各門課程的完整性和獨(dú)立性，但是導(dǎo)致的最終結(jié)果就是在兩門課程中部分內(nèi)容出現(xiàn)了交叉重復(fù)。我們希望能將兩門課程融合為一門課程來講解，達(dá)到不同內(nèi)容要講清、相同內(nèi)容要講透的目的，這需要對(duì)兩門課程進(jìn)行全方位的對(duì)比。

1.1課程結(jié)構(gòu)和教學(xué)意義對(duì)比

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程主要介紹微型計(jì)算機(jī)的基本組成，以Intel 8086/8088為重點(diǎn)講解微型計(jì)算機(jī)的CPU、存儲(chǔ)器、中斷系統(tǒng)和常用輸入輸出接口的工作原理及接口的設(shè)計(jì)方法；此外，還適當(dāng)介紹32位CPU的相關(guān)技術(shù)。學(xué)習(xí)該課程后，學(xué)生基本掌握計(jì)算機(jī)的組成及工作原理、常用接口芯片的使用方法，建立微型計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念，并對(duì)現(xiàn)代高檔微型計(jì)算機(jī)及其先進(jìn)技術(shù)有所了解和認(rèn)識(shí)。

“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程主要以某一系列的單片機(jī)（國(guó)內(nèi)通常講授MCS-51）為主介紹其基本原理、發(fā)展過程、匯編語言及程序設(shè)計(jì)，詳細(xì)講授單片機(jī)的擴(kuò)展技術(shù)、輸入輸出通道接口、交互通道的配置與接口、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法及設(shè)計(jì)原理。為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及今后單片機(jī)的應(yīng)用、分析、設(shè)計(jì)和開發(fā)提供必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

對(duì)上述兩門課程的結(jié)構(gòu)和意義進(jìn)行分析得出：兩門課程的講授結(jié)構(gòu)都是以處理器為中心，介紹整個(gè)系統(tǒng)的組成和基本原理，講授接口的使用方法和設(shè)計(jì)方法。那么，我們能否將兩門課程進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，用對(duì)比的方法來同時(shí)講授兩門課程呢？

1.2重點(diǎn)講授內(nèi)容的對(duì)比

上述兩門課程講授的結(jié)構(gòu)是相同的，但是在具體內(nèi)容上，兩者又有著明顯的區(qū)別。我們完全可以在講授中，以這些區(qū)別作為重點(diǎn)讓學(xué)生用對(duì)比的形式進(jìn)行同一知識(shí)點(diǎn)、不同實(shí)例特性的學(xué)習(xí)，這更能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。課程的重點(diǎn)講授內(nèi)容比較如表1所示。

通過表1可以看出兩門課程在講授中完全可以針對(duì)一個(gè)知識(shí)節(jié)點(diǎn)，通過對(duì)比來同時(shí)講授兩種主控器的特點(diǎn)。從內(nèi)容上看，這兩門計(jì)算機(jī)硬件課程具有融合成一門課程進(jìn)行教學(xué)的條件，但是需要我們認(rèn)真研究出一個(gè)教學(xué)上的突破口，來實(shí)現(xiàn)課程融合。

2 課程的融合研究

2.1課程融合主線

想要將兩門課程進(jìn)行融合，我們需要找到融合的主線，由主線貫穿教學(xué)的始終，支撐起課程的思想和內(nèi)容。這個(gè)主線就應(yīng)該是兩者的最大共性和最大的異性，用它們來進(jìn)行對(duì)比講解，就能達(dá)到事半功倍的效果。

針對(duì)兩門課程，最大的共性就是對(duì)寄存器的操作。不管是CPU執(zhí)行程序還是對(duì)外設(shè)編程進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入輸出，其實(shí)都是對(duì)若干寄存器的設(shè)置與操作。8086通過片內(nèi)14個(gè)16位寄存器，51單片機(jī)通過片內(nèi)的特殊功能寄存器完成對(duì)程序、數(shù)據(jù)、堆棧的訪問；8086訪問外部設(shè)備，需要進(jìn)行接口的擴(kuò)展，需要對(duì)外部接口的寄存器進(jìn)行設(shè)置和操作；而51單片機(jī)使用片內(nèi)接口時(shí)，只需要對(duì)片內(nèi)的特殊功能寄存器進(jìn)行操作，只有在擴(kuò)展本身不具有的功能接口時(shí)，才需要對(duì)外部接口的寄存器進(jìn)行設(shè)置和操作。

我們也要找到兩者的最大差異，就是各自的結(jié)構(gòu)體系。8086是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的代表，使用分段定義的形式來管理數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)空間，而且8086沒有片內(nèi)片外存儲(chǔ)空間的區(qū)別，只有存儲(chǔ)空間和端口地址的區(qū)分；51單片機(jī)則是哈佛結(jié)構(gòu)的代表，嚴(yán)格界定數(shù)據(jù)空間和程序空間，區(qū)分片內(nèi)片外存儲(chǔ)空間，需要使用不同的指令來訪問數(shù)據(jù)或程序空間，使用不同指令來訪問片內(nèi)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域。

通過對(duì)比兩門課程最大的共性和異性，學(xué)生能很快抓住兩者的主要特點(diǎn)，在充分掌握兩個(gè)處理器的系統(tǒng)知識(shí)后，對(duì)于接口部分的學(xué)習(xí)就會(huì)簡(jiǎn)單很多。接口擴(kuò)展的片選方法兩者是相同的，包括線選、部分譯碼和全譯碼方式，所以教師在介紹接口的寄存器定義時(shí)，只需強(qiáng)調(diào)當(dāng)主控制器是不同處理器時(shí)，按各自的地址管理方式通過端口地址訪問來進(jìn)行設(shè)置和操作即可。這樣的對(duì)比教學(xué)，可以讓學(xué)生對(duì)兩門課程的主控器特點(diǎn)都加以認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化共同點(diǎn)，突出不同點(diǎn)的融合目的。

2.2教學(xué)方法及實(shí)驗(yàn)安排

在教學(xué)手段和方法上，我們需要擺脫傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)方式，考慮如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生的思維，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，這是改進(jìn)教學(xué)方法的重點(diǎn)和難點(diǎn)。實(shí)行啟發(fā)式和討論式教學(xué)，利用多媒體課件提升課堂效果，這些都是目前高校教學(xué)的常用改革方式。但是，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，教師要充分發(fā)揮新媒體在知識(shí)傳播上的巨大作用，利用計(jì)算機(jī)、手機(jī)和學(xué)生隨時(shí)交流并給予指導(dǎo)，幫助學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)中尋找感興趣的學(xué)習(xí)資料，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。針對(duì)這兩門課程的融合教學(xué)，可以推薦講授Protues仿真軟件，該軟件對(duì)8088/8086處理器和51單片機(jī)都可以進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真，培養(yǎng)學(xué)生的電子電路設(shè)計(jì)能力，這也是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件課程應(yīng)該具備的一種技能。如學(xué)生使用該軟件遇到問題時(shí)，可以上網(wǎng)查詢正確的解決辦法，這能培養(yǎng)學(xué)生網(wǎng)絡(luò)篩選查閱相關(guān)資料的自學(xué)能力。

要將兩門課程融合，還需要對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容進(jìn)行合理的安排。以講授內(nèi)容為基礎(chǔ)，我們可以安排兩兩成對(duì)的5組實(shí)驗(yàn)：編程語言和編程環(huán)境實(shí)驗(yàn)、綜合程序編程實(shí)驗(yàn)、中斷管理編程實(shí)驗(yàn)、定時(shí)/計(jì)數(shù)配合并行接口的綜合實(shí)驗(yàn)、接口擴(kuò)展綜合實(shí)驗(yàn)。每組實(shí)驗(yàn)都分別用兩個(gè)處理器為主控單元來完成，在綜合實(shí)驗(yàn)部分可以安排學(xué)生設(shè)計(jì)8086和51單片機(jī)之間的串行通信實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生體會(huì)：雖然針對(duì)不同處理器實(shí)現(xiàn)控制的手段不同，但用不同的手段來實(shí)現(xiàn)共同的控制要求才是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件課程的目標(biāo)。如果教學(xué)計(jì)劃允許，可以在課程學(xué)習(xí)結(jié)束后，安排兩周的課程設(shè)計(jì)。在此環(huán)節(jié)，老師可以講授系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，隨后給出若干設(shè)計(jì)要求，讓學(xué)生自主選擇一個(gè)主控器來完成設(shè)計(jì)任務(wù)，達(dá)到讓學(xué)生初步融會(huì)貫通所學(xué)知識(shí)的目的。

2.3課時(shí)安排與分配

大部分學(xué)校對(duì)“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程通常設(shè)置72學(xué)時(shí)，其中有5～8個(gè)實(shí)驗(yàn)占10～16學(xué)時(shí)；“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程通常設(shè)置56學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)也有5～8個(gè)，占10～16學(xué)時(shí)。課程融合的目的之一就是為了減少課時(shí)數(shù)，如果我們安排16周，每周6學(xué)時(shí)，那么就有96學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)為20學(xué)時(shí)。最后再安排兩周的課程設(shè)計(jì)。這樣的課程設(shè)置，可以使我們用一個(gè)學(xué)期完成原來需要兩個(gè)學(xué)期才能講授完的內(nèi)容，達(dá)到精簡(jiǎn)學(xué)時(shí)而不減少教學(xué)內(nèi)容的目的。

3 結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，幾乎所有的工科專業(yè)都要求進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件課程的學(xué)習(xí)，如何利用有限課時(shí)講授更豐富的內(nèi)容是面對(duì)當(dāng)前知識(shí)擴(kuò)容的基本教學(xué)要求。本文提出了將最常講授的兩門計(jì)算機(jī)硬件課程融合教學(xué)的思路，為工科相關(guān)課程的設(shè)置與授課提供參考。

（見習(xí)編輯：劉麗麗；編輯：彭遠(yuǎn)紅）