車輛工程專業(yè)“微機(jī)原理”的案例教學(xué)

李志臣 王海巧 李國利

[摘 要] “微機(jī)原理”是一門涉及硬件和軟件知識、理論性和實踐性都很強(qiáng)的課程，學(xué)習(xí)難度大而導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低。以計算機(jī)控制車輛的某一項功能作為“微機(jī)原理”的教學(xué)案例，積極地引導(dǎo)學(xué)生參與“微機(jī)原理”的學(xué)習(xí)，激發(fā)了車輛工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)“微機(jī)原理”的積極性，提高了學(xué)生的自主探究能力和群組問題解決的能力。學(xué)生的評價結(jié)果證明了針對車輛控制實踐的“微機(jī)原理”的案例教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果，很好地完成了車輛工程專業(yè)“微機(jī)原理”的教學(xué)目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞] 車輛工程;“微機(jī)原理”;案例教學(xué);教學(xué)評價

[中圖分類號] TP3-4? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）01-0146-04? ?[收稿日期] 2020-05-29

案例教學(xué)在高等學(xué)校獲得廣泛的理論研究和教學(xué)實踐，案例教學(xué)能夠提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，是加深學(xué)生對基本原理和概念的理解的一種特定的教學(xué)方法[1]。案例教學(xué)具有八大特性：強(qiáng)調(diào)材料鮮活性、注重思想教育性、堅持啟發(fā)和思考性、提倡生動活潑的趣味性、遵循科學(xué)性、講究典型性、追求知識性、加強(qiáng)針對性[2]。

針對“微機(jī)原理”的案例教學(xué)，許多教師開展了有意義的探索，李鵬以“微機(jī)原理與應(yīng)用”為對象，分析了案例教學(xué)的特點(diǎn)與合理性，闡述了案例庫的開發(fā)、建設(shè)和效果評價[3]。王艷芬采用案例教學(xué)法，讓學(xué)生自主進(jìn)行硬件設(shè)計、算法及軟件編程，在案例實施過程中，學(xué)生掌握著設(shè)計的主動權(quán)，提高了學(xué)生的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，取得了很好的教學(xué)效果[4]。王焱開展了一個綜合性案例，要求學(xué)生設(shè)計一臺出租車計價器，學(xué)生把所學(xué)知識和具體應(yīng)用聯(lián)系了起來，實現(xiàn)了開設(shè)“微機(jī)原理”課程的目的[5]。

這些“微機(jī)原理”的案例教學(xué)的對象都是計算機(jī)專業(yè)類的學(xué)生，針對工科類學(xué)生尤其是車輛工程專業(yè)學(xué)生進(jìn)行“微機(jī)原理”的案例教學(xué)，方法和案例要有所不同。

一、車輛工程專業(yè)“微機(jī)原理”課程特點(diǎn)

近年來，微型計算機(jī)成為汽車的應(yīng)用上必不可少的一個重要器件，汽車發(fā)動機(jī)的燃油噴射控制、電子點(diǎn)火的控制等都離不開計算機(jī)的運(yùn)算和輸出控制命令;車載計算機(jī)的多媒體娛樂、通信、移動辦公及聯(lián)網(wǎng)的信息查詢都離不開計算機(jī);無人駕駛的智能型車輛更是離不開計算機(jī)的環(huán)境感知和規(guī)劃決策等功能。

“微機(jī)原理”涉及多方面的硬件和軟件知識，涉及的芯片多，但“微機(jī)原理”的教學(xué)只有48學(xué)時，其中實驗8學(xué)時，在實際教學(xué)過程中，匯編語言這部分內(nèi)容就占據(jù)了相當(dāng)一部分教學(xué)學(xué)時?！拔C(jī)原理”課程是一門實用性和動手性都很強(qiáng)的計算機(jī)課程，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)主要包括軟件實驗與硬件實驗，軟件實驗主要是通過編寫程序、上機(jī)調(diào)試并運(yùn)行的過程，提高學(xué)生閱讀與編寫程序的能力，硬件實驗讓學(xué)生設(shè)計硬件、編制接口程序、完成輸出控制的程序，實現(xiàn)控制的目標(biāo)。

“微機(jī)原理”的教學(xué)內(nèi)容高度抽象、前后知識點(diǎn)邏輯性及相關(guān)性強(qiáng)，實驗安排多以匯編語言的上機(jī)驗證為主，使得很多學(xué)生僅僅簡單模仿實驗，知其然而不知其所以然。隨著課程難度的增加，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性隨著教學(xué)過程的進(jìn)行而降低，導(dǎo)致學(xué)生對計算機(jī)原理知識掌握得不全面、不系統(tǒng)，學(xué)生學(xué)完計算機(jī)原理后也還是不知道怎么應(yīng)用，相關(guān)的工程能力還是欠缺。車輛控制案例教學(xué)的方法能很好地解決“微機(jī)原理”的理論知識與汽車電子控制實踐的銜接。

二、教學(xué)案例設(shè)計

（一）“微機(jī)原理”單章內(nèi)容的教學(xué)案例設(shè)計

操作時序是“微機(jī)原理”的教學(xué)難點(diǎn)之一，為了使學(xué)生更好地理解并掌握操作時序的內(nèi)容，設(shè)計了CPU打印機(jī)輸出word文檔的案例，這個案例學(xué)生經(jīng)常操作，所以容易接受。利用虛擬仿真軟件Proteus把CPU向打印機(jī)輸出word文檔的寫操作時序仿真結(jié)果演示給學(xué)生[6]。

中斷是“微機(jī)原理”課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，尤其是8259A芯片，內(nèi)容煩瑣抽象，教材中給出了寫操作字和命令字的例子，但跟具體的工程實踐沒有什么聯(lián)系，同學(xué)們還是不能很好地理解。設(shè)計如圖1所示的案例，8259A的27腳上連有一系統(tǒng)地址線A0，端口地址為20H、21H。20H用來寫ICW1， 21H用來寫ICW2、ICW3、ICW4，初始化命令字寫好后，再寫操作命令字。OCW2、OCW3端口地址20H，OCW1端口地址21H。IR3插孔和SP插孔相連，邊沿觸發(fā)方式，按一次按鈕就向8259A發(fā)出中斷請求信號。如果中斷源電平信號不符規(guī)定要求則自動轉(zhuǎn)到7號中斷，顯示“Error”。CPU響應(yīng)中斷后，在中斷服務(wù)中，對中斷次數(shù)進(jìn)行計數(shù)并顯示，計滿5次結(jié)束，顯示器顯示“perfect”。通過這個案例的講解，學(xué)生不僅體驗了不同的操作字和命令字寫入不同地址端口的具體操作過程，還徹底理解了8259A的工作原理和工作過程。

（二）綜合性案例教學(xué)

微型計算機(jī)的基礎(chǔ)知識結(jié)束后，筆者利用半節(jié)課的時間向?qū)W生講解計算機(jī)控制汽車性能的實例，如發(fā)動機(jī)怠速控制系統(tǒng)、汽車排放控制系統(tǒng)、計算機(jī)控制防抱死制動系統(tǒng)、計算機(jī)安全控制系統(tǒng)等，通過這些實例的講解，使學(xué)生明白了一個道理：汽車性能的提高離不開計算機(jī)了，學(xué)好計算機(jī)原理對車輛專業(yè)其他知識的學(xué)習(xí)是必不可少的。

教學(xué)滿兩周后，要求每個學(xué)生設(shè)計出針對車輛的某一項性能的計算機(jī)控制系統(tǒng)，具體要求是：給學(xué)生一個星期的時間查閱資料擬定自己的題目;明確自己選題的意義;確定自己選題的控制目標(biāo);“微機(jī)原理”課程結(jié)束后要獨(dú)立地寫出匯編語言的控制程序。

題目確定以后，同學(xué)們學(xué)習(xí)“微機(jī)原理”的熱情普遍提高，課后同學(xué)們紛紛圍繞到老師的身邊詢問關(guān)于微機(jī)控制的問題，以及如何利用匯編語言編寫控制程序。老師從學(xué)生的選題中挑選了五個題目結(jié)合著課堂知識點(diǎn)和同學(xué)們展開討論，激發(fā)了學(xué)生參與的熱情。有一個學(xué)生選的課題是：智能車內(nèi)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，課題選得很好，但學(xué)生對選題的意義不是很明確，通過課堂討論，同學(xué)們不僅理解了這個課題的意義，還對自己所選課題的意義進(jìn)行了深度思考。

隨著“微機(jī)原理”課程的進(jìn)行，適時地跟同學(xué)們討論智能車內(nèi)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的相關(guān)問題，為使問題變得簡單，將該系統(tǒng)簡化為手動控制。輸入輸出的內(nèi)容講解結(jié)束后，再跟同學(xué)討論智能車內(nèi)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的課題，學(xué)生紛紛就如何把溫度傳感器測得的數(shù)據(jù)輸入到微機(jī)發(fā)表自己的意見，有很多同學(xué)的思路是值得肯定的，還有幾位同學(xué)當(dāng)堂就編寫出了溫度數(shù)據(jù)采集和輸入的匯編語言程序。當(dāng)駕駛室內(nèi)的溫度超過或低于某一溫度時，系統(tǒng)通過小喇叭發(fā)出警報聲音，及時預(yù)警駕駛員調(diào)整空調(diào)按鈕，如果是自動控制，還應(yīng)該輸出控制壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)開關(guān)或者工作速率。經(jīng)過這個過程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對輸入輸出就有了深刻的理解。

“微機(jī)原理”課程結(jié)束后，有三分之二的學(xué)生就自己所選的課題編寫出了控制程序，這些同學(xué)基本掌握了微型計算機(jī)的軟硬件知識，沒有寫出控制程序的同學(xué)也畫出了自己的程序框圖，這部分同學(xué)在后面幾周的復(fù)習(xí)過程也很好地掌握了“微機(jī)原理”的知識。

三、案例教學(xué)的學(xué)生評價

（一）評價方法選擇

對教學(xué)活動的評價既有定性的方法也有定量的方法，國外有學(xué)者認(rèn)為教學(xué)活動必需的三個基本條件有：成果公開化;批判性評論;成果能夠交流和被應(yīng)用[7]。有的學(xué)者采用定量評價方法，提出了基于粗糙集和卡諾模型的集成方法，并通過實例證明了完善的課程設(shè)計和教學(xué)內(nèi)容的講授這兩項指標(biāo)在學(xué)生需求中處于最重要的地位[8]。

“微機(jī)原理”案例教學(xué)評價的數(shù)據(jù)來自面向?qū)W生的問卷調(diào)查，問卷共有五個問題：“微機(jī)原理”的教學(xué)設(shè)計如何？“微機(jī)原理”的教學(xué)內(nèi)容的講授如何？“微機(jī)原理”授課時聯(lián)系實際選擇實例如何？激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性如何？師生雙方的互動交流如何？對上述五個問題的評價標(biāo)準(zhǔn)采用通用等級優(yōu)、良、中、差四個等級。

（二）評價對象

問卷調(diào)查的對象是作者教授過的金陵科技學(xué)院車輛工程專業(yè)的本科在校學(xué)生，高一級的學(xué)生講授“微機(jī)原理”時完全按照按教材內(nèi)容，實驗案例也是教材列舉的例子，幾乎沒有聯(lián)系車輛工程的控制實例（以下簡稱這一級的學(xué)生為A班）;低一級的學(xué)生講授“微機(jī)原理”時沒有完全按照按教材內(nèi)容，采用案例教學(xué)并且聯(lián)系車輛工程的控制實例（以下簡稱這一級的學(xué)生為B班）。

A班共有學(xué)生68人，發(fā)放調(diào)查問卷68份，收回66份，回收率97%，實際有效問卷63份，有效率95.5%。B班由兩個小班組成，共有學(xué)生74人，發(fā)放調(diào)查問卷74份，收回74份，回收率100%，實際有效問卷73份，有效率98.6%。

（三）結(jié)果分析

統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示，圖中縱坐標(biāo)是學(xué)生選項的百分比，A是教學(xué)設(shè)計的統(tǒng)計結(jié)果，B是教學(xué)內(nèi)容的統(tǒng)計結(jié)果，C是聯(lián)系實際選擇實例的統(tǒng)計結(jié)果，D是學(xué)習(xí)興趣和主動性統(tǒng)計結(jié)果，E是師生雙方的互動交流統(tǒng)計結(jié)果。無論是采用案例教學(xué)法的B班還是采用傳統(tǒng)教學(xué)法的A班，都沒有差的選項，A班選擇“中”的占總數(shù)的5.6%，B班沒有“中”的選項，說明學(xué)生認(rèn)可老師的教學(xué)。對教學(xué)內(nèi)容的講授和師生交流互動選項，A班和B班學(xué)生的評價比較相近，這也反映了老師的教學(xué)風(fēng)格跟教學(xué)方法的選擇沒有什么關(guān)系，能不能跟學(xué)生互動是教師的教學(xué)習(xí)慣而不是方法。學(xué)生認(rèn)可案例教學(xué)的教學(xué)設(shè)計，案例教學(xué)法確實能夠更好地使“微機(jī)原理”的枯燥理論聯(lián)系到工程實踐中，“微機(jī)原理”的案例教學(xué)法能夠很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)“微機(jī)原理”的興趣。

為了定量化地比較“微機(jī)原理”案例教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)的差別，統(tǒng)計時對五個問題的權(quán)重做出了不同的安排[8]：“微機(jī)原理”的教學(xué)設(shè)計和“微機(jī)原理”的教學(xué)內(nèi)容的講授這兩項內(nèi)容的權(quán)重高一些，分別為0.25?！拔C(jī)原理”授課時聯(lián)系實際選擇實例、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性、師生雙方的互動交流的權(quán)重分別是1.67、1.67、1.66，對通用等級優(yōu)、良、中、差賦予量化分?jǐn)?shù)10、8、6、4。按照公式1計算A班和B班每個調(diào)查內(nèi)容得分均值，如圖3所示，圖中縱坐標(biāo)是評價分值，滿分為10分。

Mi=（10×a1×8×a2×6×a3×4×a4）÷a（1）

i=1，2，3，4，5

Mi—第i個調(diào)查內(nèi)容的得分均值，a1—回答優(yōu)的同學(xué)數(shù)量;a2—回答良的同學(xué)數(shù)量;a3—回答中的同學(xué)數(shù)量;a4—回答差的同學(xué)數(shù)量;a—學(xué)生總數(shù);評價終值是五個調(diào)查問題按不同權(quán)重（公式2）計算的總分均值，傳統(tǒng)教學(xué)法評價的總分均值為9.36，案例教學(xué)法評價的終值為9.88，在傳統(tǒng)教學(xué)法評價已經(jīng)得分較高的基礎(chǔ)上又提高了5.6%。

T=（0.25×M1+0.25×M2+0.17×M3+0.17×M4+0.16×M5）÷5（2）

四、結(jié)論

一是計算機(jī)在車輛中的地位和作用越發(fā)強(qiáng)大，“微機(jī)原理”等涉計算機(jī)的課程必將成為車輛工程專業(yè)學(xué)生的必修課程，針對車輛工程專業(yè)學(xué)生的“微機(jī)原理”的案例化教學(xué)既可以使課堂的教學(xué)氣氛更加活躍，又可以使學(xué)生學(xué)習(xí)“微機(jī)原理”的積極性提高。

二是針對車輛控制實踐的“微機(jī)原理”案例教學(xué)，通過問題引導(dǎo)、任務(wù)驅(qū)動的方法使學(xué)生的自主探究能力有很大的提高，使學(xué)生具備了群組問題解決的能力。

三是教師是案例教學(xué)的主體，案例的選擇要有針對性，既要有針對章節(jié)的理論知識的案例，又要有針對車輛工程實踐的涉及“微機(jī)原理”的綜合性案例，這樣才能達(dá)到良好的教學(xué)效果。

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