問題驅動和實例貫穿模式的微機接口技術課程教學改革

何業(yè)蘭

摘 要：分析微機接口技術課程的課堂教學模式，提出基于“問題驅動、實例貫穿”的教學模式，說明該模式在課堂教學中的應用并總結實效。

關鍵詞：問題驅動；實例貫穿；微機接口技術；教學改革

文章編號：1672-5913（2017）05-0048-04

中圖分類號：G642

0 引 言

微機接口技術是一門以硬件知識為主，軟硬件結合的課程，它的原理性、實踐性、綜合性都很強。課程內容涉及I/O端口地址譯碼技術、中斷系統(tǒng)、存儲器接口以及常用I/O接口硬件（并行接口、串行接口、定時器/計數(shù)器、數(shù)/模轉換和模/數(shù)轉換等）的功能、內部結構、外部信號、工作原理及編程應用。由于課程內容繁雜、概念抽象、知識點分散卻又緊密聯(lián)系和相互交叉，既需要從系統(tǒng)的角度理解各個部分的邏輯關系，又要理論聯(lián)系實際，因此，對于一貫“欺軟怕硬”的學生來說，該課程是一根難啃的骨頭。在傳統(tǒng)的“重理論、輕應用”的教學模式下，不少學生更是感覺該課程枯燥難懂，思路不清晰，實際應用能力差，工程化能力不足。因此，有必要將新的教學模式引入到微機接口技術的教學過程中。

1 基于“問題驅動、實例貫穿”的教學模式

近年來，國內外一些學者先后提出將“實例化”教學法、“問題驅動”教學法等應用于微機原理與接口技術課程教學中[1-4]?！皩嵗苯虒W法是指教師選擇實用而不復雜的產品作為實例，引出相關理論知識，引導學生理解、模仿，將零散知識點串聯(lián)起來，從而達到活學活用的教學目的?！皢栴}驅動”教學法是教師以設計的問題為基礎，以學生為中心， 以引導為手段，采取互動協(xié)作和自主探索等方式開展學習、解決實際問題的教學方法。然而，在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，單純使用“實例化”教學法從實際應用出發(fā)，能激發(fā)學生學習興趣，讓學生了解解決問題大概的方法，但由于理論基礎不足，學生對實例的具體理解與模仿比較困難；而單一運用“問題驅動”教學法時，雖然能夠使學生在解決一個個分解的問題過程中掌握理論知識，但是學生的綜合應用能力還是不足。因此，我們嘗試將“實例化”和“問題驅動”教學法相結合，采用“問題驅動、實例貫穿”的教學模式，以實例開發(fā)過程為框架，以問題驅動為線索，達到優(yōu)勢互補，教學相長，提高教學質量的目的。

在“問題驅動、實例貫穿”教學模式下，教師要選取既典型又不復雜的案例，貫穿課堂教學的每一個環(huán)節(jié)，通過案例引入新知識，作為學習模板，融會貫通知識點；圍繞實例的開發(fā)過程作為框架，以“問題驅動”為線索，將大問題劃分為具體的、細化的小問題，引導學生按照提出問題—分析問題—解決問題的方法進行主動學習。

2 課堂教學改革

2.1 以實例開發(fā)過程為框架

“問題驅動、實例貫穿”教學法是以實例的開發(fā)過程作為框架，比如學習接口芯片應用，首先通過實例功能分析引入相關接口芯片的用途、性能等；接著按照芯片選用、接口電路設計、軟件設計3個開發(fā)步驟，分別引入芯片的相關原理與應用。接口芯片應用學習框架如圖1所示。

實例的選取很關鍵，要既典型又不過于復雜，如果實例太復雜，教師難以展開教學，學生難以入門；如果實例太簡單，就起不到融會貫通知識點、提高學生綜合應用能力的效果。那些既可以簡化又能延伸的實例比較合適，比如在學習定時計數(shù)芯片8254時，使用一組燈光控制的實例，燈光可以設置為亮1秒鐘再暗1秒鐘，閃爍10次后熄滅，由此引出計數(shù)和定時的概念；然后講解簡化了的實例“實現(xiàn)亮1秒鐘再暗1秒鐘” 的開發(fā)過程，再進一步研究整個實例；最后擴展為“設置8個燈光不同的亮滅規(guī)則，比如流水燈”等綜合實例。這樣由一個實例把一類問題由淺入深地搞透。有些實例之間還可以聯(lián)系起來，比如，8255芯片學習中，使用8255的輸出功能和軟件延時的方法實現(xiàn)定時計數(shù)章節(jié)中的燈光閃爍的實例，引導學生比較不同方法的區(qū)別，進一步結合兩種方法，用第三種方法實現(xiàn)實例。

除了整塊章節(jié)知識點可以使用一個貫穿的、靈活的實例，也可以在一個小的知識點使用多個實例。比如，學習CPU與接口交換數(shù)據(jù)的方式，提出控制交通燈、打印文件、報警系統(tǒng)、批量傳送數(shù)據(jù)等4個實例，讓學生匹配合適的交換方式。通過實例開發(fā)過程的比較，引導學生從應用的角度對接口理論有清晰的感性認識。

2.2 以問題驅動為線索

“問題驅動”是指教學過程是在實例框架下，以問題為線索來展開。實例的開發(fā)過程實際上是解決問題的過程，問題要一步步解決，需把大問題劃分為小問題。教師在進行問題劃分時，既要注重課程知識點的涵蓋，也要注重問題之間的關聯(lián)性，使學生能循序漸進、環(huán)環(huán)相扣地消化吸收課程的基礎理論和方法。因此，老師事前要充分準備，適時提出問題，引導學生通過思考、模仿、討論等方式來理解和分析問題；最后老師根據(jù)課堂情況，進行反饋強化，針對性地進行講解，最終引導學生解決問題。

課堂上，常常通過問題引入知識點。比如：“打上課鈴后定時45分鐘，就打下課鈴，這是定時。數(shù)數(shù)上課時有幾個同學在低頭玩手機，這是計數(shù)。那么請同學們舉例說說計算機應用、工業(yè)控制領域有哪些定時和計數(shù)的應用呢？”“你們的主機或筆記本有并行接口嗎？通常什么外設是通過并口和計算機連接的？”，通過問題的討論，老師了解了學生對相關知識的認識程度，引導學生分類歸納整理。

當進一步理解概念時，通過問題來啟發(fā)同學們觀察、對比從而進行更深入的理解。比如，理解定時與計數(shù)的關系，“拍照時候我們數(shù)1、2、3，假設每1秒鐘數(shù)一下，數(shù)到幾秒就拍呢？”“請大家觀察并口示意圖、串口示意圖，找找串并口的區(qū)別在哪里？”

隨著課程內容的推進，圍繞預設的各種問題進行啟發(fā)、展開討論和總結。比如從“串口并口速度誰更快”延伸出“串久必并、并久必串”的演變過程，從“8254芯片使用哪幾種工作方式可以作為分頻器使用”引出8254芯片6種工作方式的歸納比較。

3 “問題驅動、實例貫穿”教學模式在課堂教學中的綜合應用

以模數(shù)轉換器章節(jié)為例，討論“問題驅動、實例貫穿”模式在課堂教學中的實施過程。

模數(shù)轉換器是模擬信號源與計算機系統(tǒng)之間的橋梁，無論在生活還是生產中都有廣泛的應用。在簡單介紹模數(shù)轉換器的多種實際應用后，選取一個和生活息息相關的實例“健康監(jiān)控系統(tǒng)”作為貫穿課堂的實例：假設需要監(jiān)控人體的體溫、血氧飽和度、血壓、脈搏、體表濕度、心率、心電圖、腦電圖等8個健康參數(shù)，要求設計硬件系統(tǒng)以及使用軟件實現(xiàn)實時監(jiān)控，如圖2所示。

圍繞這個“健康監(jiān)控系統(tǒng)”的功能，我們引入模數(shù)轉換的概念、主要參數(shù)指標。接著，圍繞實例的開發(fā)過程，以選用芯片、硬件電路設計、軟件編程的開發(fā)步驟為框架，將模數(shù)轉換器芯片ADC0809的內部結構、外部引腳、工作原理等基本知識點串聯(lián)起來。整個學習過程中，以問題驅動為線索，引導學生結合實例，從實際出發(fā)，考慮在每個開發(fā)步驟中，要解決哪些問題，將問題分解成容易解決的小問題，解決這些問題要用到什么知識，使用怎樣的方法去解決等。

實例開發(fā)第一步是選用芯片。設問，首先要考慮什么問題呢？引導學生理清輸入輸出是選擇芯片的重要依據(jù)。進一步考慮細節(jié)，實例當中需要監(jiān)控8路模擬量，是否需要8個模數(shù)轉換芯片呢？為了提示引導學生思考，采用類比教學法：學生寢室有8個同學，是否需要8個衛(wèi)生間呢？由此強調“復用”這一系統(tǒng)設計常用思想，引出ADC0809基本知識。ADC0809基本知識包括內部結構、外部引腳以及分解為7個步驟的工作原理等知識點，它們之間是緊密聯(lián)系的。于是，在一張幻燈片上，以內部結構圖為背景，結合引腳信號，順著ADC0809工作的7個步驟，進行動態(tài)演示，一步步有重點地講解，在此過程中，又不斷設問或引導學生。比如，怎樣讓ADC0809知道，用戶當前選擇的是IN3第3路模擬量而不是IN1、IN2的模擬量呢？我們選擇IN3第3路模擬量，地址就應該是多少？ADC0809已經(jīng)明確要做什么了，但怎樣知道什么時候可以開始工作？尤其是講解幾個關鍵的控制信號，可以用比喻教學法。比如，CPU去鎖存器里面取數(shù)據(jù)，就像你去同學寢室拿東西，要先敲門一樣，CPU要給鎖存器一個打開鎖存的OE信號。在講解EOC信號時，設問“CPU是如何確認A/D轉換的完成”引出ADC0809輸出數(shù)據(jù)的3種傳送方式。這3個方法有什么區(qū)別呢？大家可以想象這樣一個場景，你去甜品店買冰激凌，一個冰激凌的制作時間是3分鐘，那么你打算采取什么方式去取冰激凌呢？這里再次用到類比教學法進一步促使學生討論，歸納出3種數(shù)據(jù)傳送方法的特點及適用場景。

實例開發(fā)第二步是設計硬件電路。這里以實例作為模板。首先強調，ADC0809作為接口在系統(tǒng)當中的地位，一邊接入多路模擬量，一邊連接到CPU。緊接著設問“不同的數(shù)據(jù)傳送方法對電路設計有什么影響嗎？”明確上述問題的基礎上，先以最簡單的延時等待法為例，沿著ADC0809的7個工作步驟，引導同學們理清信號之間的關系，討論相關信號應該如何連接，最終得到電路設計圖。這個步驟是開發(fā)中的難點，分析要清晰、細致。期間不斷設問、讓學生設問：如EOC信號用上了嗎？模擬通道地址選擇信號是來自于地址線還是數(shù)據(jù)線？啟動信號和讀寫信號是什么關系？搞清楚延時等待法的解決方法后，設問“采用其他數(shù)據(jù)傳送方法時，電路設計有哪些不同呢？”要求學生根據(jù)之前的原理等基礎知識，自己完成電路設計圖并進行比較。

實例開發(fā)第三步，在硬件電路設計基礎上進行軟件編程。秉著先易后難的原則，可以先簡化問題，把實例進行簡化、拆分。在掌握基本方法后再將實例延伸，引導學生進一步思考。因此，首先討論只輸入一路模擬量的情況。將實例簡化為“假設健康監(jiān)控系統(tǒng)需要監(jiān)測老人的血氧信息，已知ADC0809芯片的端口地址為84H，轉換時間為100μS，要從輸入通道IN3讀入血氧信息。采用延時等待法，請畫出硬件連接圖，并寫出相應程序”。這里要學生將之前學習的ADC0809工作原理進行應用，設問：根據(jù)工作原理，哪些信號需要進行控制？站在CPU的角度，哪些操作是輸入操作？哪些是輸出操作？請同學們依據(jù)工作步驟的先后關系，繪制程序流程圖，選擇相應的命令，分析軟件編程的過程。再修改例題，將延時等待法改為中斷法，程序該如何改寫呢？最后，再從簡化的例題回到原來的實例，如果要循環(huán)監(jiān)控8路模擬信息，硬件電路需要改嗎？程序需要怎么修改？這些問題作為作業(yè)布置給同學們。

在整個課堂教學過程中，以“健康監(jiān)控系統(tǒng)”實例開發(fā)過程為框架，以問題為索引，輔以類比法、比喻法等多樣的教學方法，抓住學生的注意力和主動性，極大地提升了教學效果和學生的學習能力。

4 結 語

微機原理與接口技術這門課程難度較高，“問題驅動、實例貫穿”教學法強調以實際應用為目的、以實例貫穿教學、以解決問題為線索，課堂教學改革帶來了實效：①通過實例貫穿，縮短課堂與應用的距離，調動學生的學習積極性，提高學生理論與實踐的綜合應用能力，讓學生做到活學活用；②通過問題驅動的、以學生為主體的教學模式，培養(yǎng)學生自主學習的能力、分析問題和解決實際問題的能力，以及相互協(xié)作的團隊精神與創(chuàng)新能力；③通過“問題驅動、實例貫穿”聯(lián)合教學模式實現(xiàn)教學過程優(yōu)化，增強師生互動，幫助學生克服學習困難，從而提高教學質量。

參考文獻：

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（編輯：郭田珍）