高校微機(jī)原理課程跨專業(yè)整合的思考

張穎　周芳　陳鑫

摘要：微機(jī)原理課程是高校電類相關(guān)專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其教學(xué)大綱和授課形式等往往依各專業(yè)特性而有所不同，但仍有相當(dāng)多的重合部分，而相應(yīng)的實驗平臺也同樣存在重復(fù)構(gòu)建的情況。針對這樣的現(xiàn)狀，整合現(xiàn)有的微機(jī)原理課程的教學(xué)和實踐資源，包括教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實驗室建設(shè)等方面，形成基本統(tǒng)一的格局，不僅有利于資源的優(yōu)化配置和高效應(yīng)用，更將有效地提升該課程的整體教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：微機(jī)原理課程；跨專業(yè)；教學(xué)資源整合；教學(xué)改革；教學(xué)現(xiàn)狀

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）07-1490-03

1 概述

微機(jī)原理課程是一門講述微型計算機(jī)基本結(jié)構(gòu)和相關(guān)接口模塊原理的專業(yè)基礎(chǔ)課，是學(xué)習(xí)硬件系統(tǒng)設(shè)計的重要專業(yè)基礎(chǔ)課之一。該課程的任務(wù)是使學(xué)生從理論和實踐上掌握微機(jī)的基本組成、工作原理、接口電路及硬件的連接，建立微機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念，使學(xué)生具有微機(jī)系統(tǒng)軟、硬件開發(fā)的初步能力，并為其它課程奠定硬件知識基礎(chǔ)[1]。微機(jī)原理課程是本校的機(jī)電、控制、電子、計算機(jī)等電類專業(yè)的必修課，其教學(xué)目標(biāo)和大綱也基本一致。但其教學(xué)內(nèi)容與實踐環(huán)節(jié)往往設(shè)置的各不相同，造成該課程教學(xué)資源的一定程度上的浪費(fèi)。如何有效地整合不同專業(yè)的微機(jī)原理課程，既能調(diào)配和管理好現(xiàn)有各項資源，又能同時提升課程的整 體教學(xué)水平和教學(xué)效果，是目前本校該課程教學(xué)改革的重要內(nèi)容，同時也對電類專業(yè)的人才培養(yǎng)具有重大意義。

2 微機(jī)原理課程的跨專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀和存在問題

2.1 教學(xué)內(nèi)容相對陳舊，缺乏整合性

現(xiàn)有的本校微機(jī)原理課程主要授課內(nèi)容可分為兩類，一類是以X86/Pentium處理器為模型機(jī)，一類是以嵌入式、單片機(jī)為主，其中又以第一類為多。X86/Pentium為模型機(jī)的講授內(nèi)容雖從大綱或者配套教材上來說，是覆蓋了8088/8086至Pentium的所有處理器芯片的原理、匯編指令和相應(yīng)接口控制等，但考慮到講授的清晰度、學(xué)生的易于理解等因素，大多仍以8088/8086作為教學(xué)內(nèi)容的重點。但問題是目前8088/8086芯片及其接口已經(jīng)幾乎在市場中不可見，相應(yīng)的應(yīng)用也非常少。嵌入式、單片機(jī)則主要以講授ARM7和89C51為主，這兩款芯片雖仍在實際系統(tǒng)中使用，但也并非目前嵌入式系統(tǒng)的主流芯片。此外這兩類課程雖然都將介紹微處理器的自身結(jié)構(gòu)、匯編程序設(shè)計及硬件接口，但由于硬件相關(guān)性大，其講授內(nèi)容差異很大，若直接將其合并，基本原理上又存在太多重復(fù)之處，因而將其進(jìn)行整合具備較大的難度。

2.2 課程大綱及教學(xué)重點中缺少行業(yè)、企業(yè)考量

微機(jī)原理課程雖然是一門基礎(chǔ)課，但同時也是實用性很強(qiáng)的課程。微處理器廣泛應(yīng)用于民用、軍用的各個領(lǐng)域中，可以說是滲透進(jìn)人們生活的方方面面，不僅致力于開發(fā)其應(yīng)用系統(tǒng)的企業(yè)數(shù)目眾多，此外，還有相當(dāng)一部分公司和國防科研院所正在研發(fā)定制的微處理器芯片。但目前微機(jī)原理的教學(xué)內(nèi)容中卻很少能提供具體的行業(yè)、企業(yè)信息，其中固然有課時相對緊張的客觀因素，但主要還是教學(xué)理念上的層次和立意還不夠高。

2.3 實踐環(huán)節(jié)和平臺重復(fù)建設(shè)，形成資源浪費(fèi)

目前各專業(yè)都配置了與其教學(xué)內(nèi)容配套的實驗平臺，硬件平臺型號各異，但功能相似，而且即使課程選擇的主處理器類型一致，也往往構(gòu)建各自不同的實驗室，使得在全校范圍內(nèi)造成實驗設(shè)備的重復(fù)購置。而事實上，現(xiàn)有眾多可同時支持多種類型處理器的實驗平臺，可在一定程度上實現(xiàn)通用性，以便配合不同專業(yè)使用。此外，配套的實驗和課程設(shè)計等環(huán)節(jié)的具體內(nèi)容隨著專業(yè)和課程內(nèi)容的不同而千差萬別，整合性也相對較差。

2.4 學(xué)生的應(yīng)用能力相對較差

課堂教學(xué)時，往往是老師教什么，學(xué)生就接受什么，而實驗時，通常也是實驗老師將實驗演示后，學(xué)生照著接下線，走個流程就完成，所以雖然大多數(shù)同學(xué)均順利完成學(xué)習(xí)并通過考核，但實際運(yùn)用微機(jī)原理相關(guān)知識的能力不強(qiáng)。比如在后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，或者是各種相關(guān)的科創(chuàng)競賽中，無法將所學(xué)知識轉(zhuǎn)化、運(yùn)用到新的系統(tǒng)中。問題的出現(xiàn)雖然和學(xué)生的學(xué)習(xí)方法不正確有關(guān)，但最主要的還是由于教學(xué)形式和方法的單調(diào)、機(jī)械，無法充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，單一的考核方式也無法正確地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的側(cè)重點等。

3 微機(jī)原理課程的跨專業(yè)整合措施

針對目前本校各專業(yè)微機(jī)原理課程的教學(xué)現(xiàn)狀，如何有效地進(jìn)行整合，并合理地調(diào)配資源，應(yīng)從教學(xué)內(nèi)容調(diào)整、實驗室管理、豐富多樣的教學(xué)方式和網(wǎng)絡(luò)平臺的支撐等幾個方面著力進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 教學(xué)內(nèi)容調(diào)整

不論是X86/Pentium或是嵌入式、單片機(jī)為主的講授，其內(nèi)容基本包括三個部分：①某個微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及以其為主線說明計算機(jī)系統(tǒng)的總體構(gòu)成；②該處理器的匯編指令集及其匯編程序設(shè)計；③基于該處理器的存儲器連接和I/O接口控制編程。此處的微處理器可在8086/8088，80386，Pentium，89C51，ARM7，ARM9，Cortex M0等中進(jìn)行選擇。目前本校微機(jī)原理課程中，以X86/Pentium為模型機(jī)的多數(shù)選擇8086/8088，單片機(jī)通常是89C51，而嵌入式多數(shù)是ARM7。

若需要對跨專業(yè)微機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，首先面臨的問題就是要確定主講的微處理器類型。若先不考慮具體芯片型號，首要選擇的是X86體系還是ARM體系的微處理器，它們分別是PC系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的主流體系。誠然，嵌入式系統(tǒng)在整個應(yīng)用系統(tǒng)中的比重日益增加，但是X86體系仍在現(xiàn)有系統(tǒng)中廣泛使用，其特性除了對于系統(tǒng)的使用和開發(fā)者有理解的必要性，對于處理器的設(shè)計開發(fā)人員更是有重要的參考價值。所以，整合后的微機(jī)原理課程的主處理器仍建議選擇X86系列的。在X86系列的微處理器中，擯棄經(jīng)典但內(nèi)容太過陳舊的8086/8088，考慮到學(xué)生的接受和理解水平，也不選擇結(jié)構(gòu)太過復(fù)雜的Pentium及其后續(xù)芯片，以第一款32位X86芯片80386作為講授微機(jī)課程的主體處理器芯片較為合適。80386的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相比其他32位處理器簡單、易于理解，但同時具備32位處理器的保護(hù)模式、虛擬存儲、流水線等特性，可與目前廣泛使用的Pentium、多核處理器實現(xiàn)很好的對接，兼顧實用性和易于講解性。

需要指出的是，雖然確立了主講的微處理器，但不代表所有專業(yè)都強(qiáng)制只講這款處理器及其相關(guān)內(nèi)容。要兼顧眾多專業(yè)特性，課程內(nèi)容需要考慮類似“套餐”的方式，例如對于電子科學(xué)與技術(shù)系的學(xué)生，其需要掌握以80386為主的微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、ARM體系的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等，而對于機(jī)電或者控制的某些方向的學(xué)生而言，專業(yè)特性只是需要掌握單片機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)即可。因而可將ARM結(jié)構(gòu)、單片機(jī)系統(tǒng)作為“套件”，利于不同專業(yè)的教學(xué)加以選擇，但是這樣的套件如何標(biāo)準(zhǔn)化，需要各個專業(yè)的微機(jī)原理的主講教師共同協(xié)調(diào)、規(guī)整。

至于匯編語言部分，考慮到現(xiàn)有系統(tǒng)中除了引導(dǎo)程序或者部分底層控制仍需匯編編程之外，大部分都采用C語言或者其他高級語言，同時學(xué)生對高級語言相對熟悉，應(yīng)適當(dāng)減少指令系統(tǒng)和匯編程序設(shè)計的教學(xué)比重，可適當(dāng)延伸到C語言或者C語言與匯編的混合編程下的硬件控制。事實上，微機(jī)原理課程有相關(guān)的前導(dǎo)課程“數(shù)字邏輯與電路設(shè)計”，該課程中同時涉及邏輯和具體電路，其電路與高級語言之間有更直接的關(guān)聯(lián)性，在整合課程內(nèi)容的過程中，完全可以將其與微機(jī)課程統(tǒng)籌考慮，提升課程之間的銜接性，同時也會更有利于學(xué)生對整個體系的理解。

3.2 實驗室管理和實踐環(huán)節(jié)調(diào)整

現(xiàn)有相關(guān)微機(jī)原理實驗室分散在各個學(xué)院，大量實驗平臺存在重復(fù)建設(shè)的問題。當(dāng)然，考慮到涉及專業(yè)和學(xué)生人數(shù)，完全將實驗室整合成一個獨立的微機(jī)原理實驗中心不太現(xiàn)實，但可以將現(xiàn)有的“點”連成“線”，進(jìn)而連成“面”。實驗平臺選擇可支持多處理器的，便于適應(yīng)不同體系下的實踐課程安排。原先不少學(xué)院都設(shè)立了學(xué)生的創(chuàng)新實驗室，供學(xué)生自行開展科創(chuàng)活動，在整合過現(xiàn)有實驗室資源之后，可將多余的開發(fā)平臺、基礎(chǔ)設(shè)施等合并，單獨設(shè)立一個多專業(yè)共享的創(chuàng)新實驗室，充分利用硬件環(huán)境和資源，同時為學(xué)生提供自我實踐、創(chuàng)造性地設(shè)計開發(fā)的公共平臺。

配合著課程內(nèi)容的套餐式設(shè)定，實驗內(nèi)容當(dāng)然也需要適應(yīng)性地設(shè)置成不同的組合形式。同時實驗應(yīng)減少驗證性實驗，增加更多的設(shè)計性和綜合性實驗[2]，創(chuàng)造更多機(jī)會讓學(xué)生真正動手去實踐課堂所學(xué)的理論。對于有一定難度的設(shè)計或綜合實驗，允許學(xué)生自行組隊，即能激發(fā)他們分析問題、解決問題的熱情，又能鍛煉和培養(yǎng)團(tuán)隊合作能力。

3.3 教學(xué)形式優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè)

微機(jī)原理課程的內(nèi)容抽象、單純的講課方式往往比較枯燥，雖然在教學(xué)方式上有很多方法可以優(yōu)化教學(xué)效果，例如案例教學(xué)法、形象化教學(xué)法、啟發(fā)式教學(xué)法、歸納式教學(xué)法、討論式教學(xué)法[3]等，但更重要的是應(yīng)該考慮如何提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

前面提及現(xiàn)有課程安排中缺乏行業(yè)、企業(yè)的考量，在學(xué)時合理安排的情況下，可以增加現(xiàn)有行業(yè)特性的專題說明（有條件的話，也可邀請相關(guān)專家做個主題講座），同時利用課外實踐的時間組織學(xué)生進(jìn)行參觀等活動，不僅增加感性認(rèn)識，更重要的是讓學(xué)生意識到微機(jī)原理的廣泛應(yīng)用，增強(qiáng)他們學(xué)習(xí)這門課程的主動和自覺性，同時也能啟發(fā)他們的創(chuàng)造性。

學(xué)生們相對接觸個人電腦時間比較早，對于軟件編程和使用要比硬件熟悉的多，所以微機(jī)原理課程中所涉及的硬件結(jié)構(gòu)、匯編指令、接口電路等對他們而言，接受起來相對困難，再加上傳統(tǒng)的講課方式單一，因而很難激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情。實踐環(huán)節(jié)雖可以提供更多實際操作的機(jī)會，提升他們的應(yīng)用能力，但通常都與課程講授分離，因而如果可以在課堂上使用軟件仿真的方式演示系統(tǒng)連接、硬件控制將極大地提高教學(xué)效果。Proteus軟件可以用于仿真、分析各種模擬電路和集成電路[4]，最初主要用于支持單片機(jī)系統(tǒng)的仿真，但從Proteus 7.5 SP3版本開始，可以支持X86處理器及其接口芯片的仿真，因而可以很好地配合微機(jī)原理課程的教學(xué)。任課教師可在課堂教學(xué)中，配合所講理論知識，輔以Proteus軟件驗證、演示微機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果。學(xué)生也可在課外自行使用Proteus軟件，即可加深對微機(jī)原理基本知識的理解，又能去除實驗室使用時間受限的影響，隨時對微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、仿真，其使用方式簡單，能極大地提升學(xué)生學(xué)習(xí)微機(jī)課程的興趣。

現(xiàn)在通信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展迅猛，日益改變著人們之間溝通和交流的方式，傳統(tǒng)教學(xué)方式也應(yīng)隨著調(diào)整、改進(jìn)。目前在高校內(nèi)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的軟、硬件技術(shù)基礎(chǔ)都日益成熟[5]，這種網(wǎng)絡(luò)平臺不只是簡單的在網(wǎng)上提供課程課件和習(xí)題等資源，讓學(xué)生可以實現(xiàn)主動學(xué)習(xí)，更重要地是構(gòu)建網(wǎng)上的互動平臺，可提供師生之間、學(xué)生之間的實時討論、交流。依托這樣的平臺，老師和學(xué)生平等地參與教學(xué)活動，將充分地調(diào)動“教”與“學(xué)”的積極性。在進(jìn)行跨專業(yè)的整合中，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺可成為本校所有電類專業(yè)的教師、學(xué)生的公共平臺，將更加有利于資源共享和各專業(yè)之間的溝通，必將更好地提升微機(jī)原理課程的整體教學(xué)效果。

4 結(jié)論

為了能夠有效調(diào)配現(xiàn)有的教學(xué)和實踐資源，同時以多種方式促進(jìn)整體課程的教學(xué)效果的提升，有效地開展微機(jī)原理課程的跨專業(yè)整合工作是非常重要的。但是這種整合絕非簡單的合并或刪去，而是應(yīng)結(jié)合各專業(yè)特性有機(jī)地進(jìn)行組合，這項工作的開展不僅需要具體的措施和方法，更重要的是需要任課教師不斷提升自我的教學(xué)方法和教學(xué)理念，同時也需要跨專業(yè)的任課教師之間形成有效的溝通和良好的協(xié)作。

參考文獻(xiàn)：

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