基于學生自主學習的教學研究與實踐

郭振鐸 楊艷

摘 要：傳統(tǒng)的教學以教師課堂講授、學生被動學習為主，缺乏專業(yè)課程間知識體系的融會貫通。本研究以基本邏輯到電子計算機軟硬件系統(tǒng)的構(gòu)建為載體，通過學生自主學習、教師指導、注重實踐等手段，完整實現(xiàn)項目設計，激發(fā)學生學習的積極性，提高學生的工程設計能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：自主學習;教學改革;電子計算機

在當前國際形勢下，國家對科技自主的需求愈發(fā)迫切，而高校人才培養(yǎng)質(zhì)量與國家產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新的人才需求仍存在一定差距。國家教育主管部門主動布局未來人才培養(yǎng)，提出了加強“新工科”建設、進行高校工程專業(yè)認證等系列舉措，以改造升級傳統(tǒng)工科專業(yè)，加快培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才。教育部教高廳函〔2017〕33號和教高廳函〔2018〕17號等文件對此進行了專門部署。此背景下，怎樣改變傳統(tǒng)教學模式，充分調(diào)動學生自主學習的積極性，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，成為一項重要的研究內(nèi)容。作為一名地方高校電子信息工程專業(yè)教師，筆者做了一些研究和實踐，取得了一定的成效。

一、當前教學中普遍存在的一些問題

傳統(tǒng)教學以教師課堂講授為主，作業(yè)和實驗環(huán)節(jié)缺乏深度和課程間的交叉綜合，學生缺乏主動學習專業(yè)知識的熱情。以筆者所在的電子信息工程專業(yè)為例，學生不僅需要學習與電子系統(tǒng)硬件相關(guān)的模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等課程，還需要學習與軟件相關(guān)的C語言程序設計和軟硬件相關(guān)的微機原理與應用等課程。雖然每門課程既自成體系又有內(nèi)在聯(lián)系，但課程設置存在著課程知識條塊分割、對學生實踐能力培養(yǎng)不足等弊端。學生缺乏將課程聯(lián)系并綜合應用的具體感性認知，缺乏融會貫通并付諸實踐的能力，即大概明白原理，但實際開發(fā)時卻無從下手。

針對學生缺乏硬件電路設計和軟件編程的綜合實踐等專業(yè)問題，國內(nèi)很多高校的教師進行了有益的探索。比如，河南科技大學教師史敬灼等在《電氣專業(yè)綜合課程設計創(chuàng)新教學模式改革》一文中提出，將“傳統(tǒng)的對應于一門課程的課程設計，改變?yōu)閷趲组T相關(guān)課程的綜合課程設計”，使學生通過實踐將幾門課程的知識融會貫通，更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力。國外高校在這方面有較早的探索和成熟經(jīng)驗，特別是對學生自主學習能力培養(yǎng)方面。

作為一名普通專業(yè)課教師，筆者在借鑒以色列希伯來大學等國外高校優(yōu)質(zhì)方案的基礎上，根據(jù)從教專業(yè)的學科特點及學生現(xiàn)狀，結(jié)合培養(yǎng)目標，以學生自主實踐項目為載體，在中原工學院2018級電子信息類部分本科生中進行了教學實踐。

二、教學改革的思路和目標

計算機的硬件核心由CPU、內(nèi)存等半導體芯片組成，基本門電路是構(gòu)成計算機半導體芯片的設計基礎。眾所周知，人類通過以電子技術(shù)為基礎的計算機解決問題的方式是抽象思想利用計算機語言編寫程序，通過編譯器翻譯為機器代碼，在硬件平臺上運行，最終實現(xiàn)目標功能的過程。這是一個逐層抽象和封裝的過程。本教學項目借鑒人類利用計算機解決問題過程中層層抽象封裝（從簡單組合復雜，封裝復雜抽象到簡單）的思想，從頂層方案設計開始，通過模塊分解、底層細化、中間組合，最后實現(xiàn)整體;具體地以學科內(nèi)在邏輯聯(lián)系為基礎，融合多門專業(yè)課程，構(gòu)建邏輯上可實現(xiàn)、軟件上可仿真運行的電子計算機系統(tǒng)。

項目實現(xiàn)過程中重新定義教師與學生在教學過程中的角色任務。學生根據(jù)設計需求在課外查閱資料、閱讀專業(yè)文獻，進行小組討論，自主探索。教師在項目實施過程中以原理性、啟發(fā)性討論為主，避免傳統(tǒng)教學的“滿堂灌”。本教學改革項目的目標是以上述綜合性項目實踐為載體，加強對學生自主學習能力、創(chuàng)新能力、工程實踐能力和英語專業(yè)文獻學習能力等的培養(yǎng)。

三、教學改革的項目實施內(nèi)容

本教學改革項目以總體方案逐層分解、由淺入深模塊化設計、逐層封裝測試構(gòu)建整體為基礎，以簡化的硬件描述語言為工具，根據(jù)最基本的布爾邏輯和門電路知識，從與非門電路開始，由簡到繁分模塊設計、模塊逐步抽象封裝到頂層實現(xiàn)，完整構(gòu)建電子計算機硬件體系，并實現(xiàn)功能仿真。每個設計模塊為期兩周。

指導教師負責整體方案設計、任務模塊劃分、定義模塊間接口信號并封裝接口信息，以降低設計難度。教師講述的內(nèi)容僅限于設計背景和相關(guān)原理，引導學生利用所學專業(yè)知識分析設計任務，充分發(fā)揮主觀能動性，根據(jù)教師提供的英文芯片電路技術(shù)手冊等資料，自主探索構(gòu)建電子計算機系統(tǒng)各模塊方案的實現(xiàn)。

（一）根據(jù)布爾邏輯構(gòu)建基礎電路

學生在電路、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)課程中學習過門電路的基本原理和特性。本環(huán)節(jié)以1位與非門為已知條件，首先構(gòu)建1位非門、與門、或門、異或門、分配器和選擇器。其次利用1位基本門電路構(gòu)建16位與門、或門、非門。最后利用前述設計構(gòu)建16位4路和8路選擇器和多路選擇器等設計CPU時必需的選擇器和分配器等系統(tǒng)基礎模塊，加深學生對模電和數(shù)電綜合運用的理解。

（二）從布爾算術(shù)和基本邏輯電路構(gòu)建ALU

教師可以根據(jù)C語言、數(shù)字電子技術(shù)和微機原理課程中講授的二進制基礎、二進制運算、數(shù)據(jù)在計算機中的表示等內(nèi)容，分解設計，引導學生逐步實現(xiàn)半加器、全加器、16位加法器、16位程序計數(shù)器PC和CPU的核心算術(shù)邏輯運算單元ALU的設計。各模塊的設計由淺入深，完成逐個實現(xiàn)、組合封裝的步驟。需要注意的是，此環(huán)節(jié)程序計數(shù)器和狀態(tài)檢測寄存器對學生略有難度。

（三）設計存儲電路和PC設計

現(xiàn)代計算機以內(nèi)存為核心。存儲系統(tǒng)的設計是本項目另外一個重要內(nèi)容。根據(jù)數(shù)字電子技術(shù)中的時序邏輯電路、觸發(fā)器、寄存器等基本概念和微型計算機原理課程中存儲器的基本原理，本項目按照難易程度依次設計1位寄存器、16位寄存器、8單元RAM、64單元RAM、512單元RAM、4K單元存儲、16K單元存儲邏輯，16位的PC（程序計數(shù)器）電路。

（四）構(gòu)建計算機體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)相關(guān)課程中的馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)基本原理，設計構(gòu)建存儲器（指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器）、CPU、程序計數(shù)器PC等模塊，實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)存儲、計算單元的有機構(gòu)建，完成系統(tǒng)設計。

（五）從機器語言和匯編語言到匯編器

從前述任務設計的硬件單元抽象出若干條機器語言基本指令、引導學生借助助記符推導出本系統(tǒng)自定義的匯編語言指令集。匯編指令可以實現(xiàn)基本的算術(shù)運算和簡單圖形繪制程序設計。

教師指導學生完成基于本系統(tǒng)自定義指令集的簡單匯編器實現(xiàn)。編程基礎較薄弱的學生根據(jù)指令編碼格式人工翻譯編寫的程序，程度較好的學生寫一個簡單的匯編器，通過匯編翻譯成為機器指令。

四、教學運行效果

大部分學生完成了全部項目任務。課程采用過程與答辯相結(jié)合的考核方式。最終成績構(gòu)成：學生自評占10%、組內(nèi)互評占20%、教師評價占40%、項目總結(jié)答辯占30%。

學生表示，從指令集的定義與程序測試及硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，較為深刻地理解了指令編譯的過程及軟硬件相互工作的實質(zhì)，在自主學習、相互討論、解決問題中提高了學習興趣，發(fā)揮了主觀能動性，激發(fā)了創(chuàng)新意識，增強了解決實際工程問題的信心。

本教學實踐以現(xiàn)代電子計算機系統(tǒng)設計為載體，引導學生自主學習、發(fā)揮創(chuàng)造性，逐步構(gòu)建硬件平臺和相關(guān)程序，從而掌握關(guān)于電子系統(tǒng)設計、硬件體系結(jié)構(gòu)、編程語言、軟硬件協(xié)同的框架性基礎知識，解決學生缺乏硬件設計和軟件編程實踐的問題，提高其自主解決工程問題的能力。實際教學效果表明，本教學改革項目有助于激發(fā)學生自主學習熱情、工程思維和創(chuàng)新潛能，實現(xiàn)培養(yǎng)學生的綜合實踐能力的目標。

參考文獻：

[1]陳國定，楊東勇，陳朋.強化工程實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的微機類課程實驗教學[J].實驗室研究與探索，2017（4）.

[2]劉艷霞，范同順，楊清梅，等.單片機類課程創(chuàng)新教學模式改革[J].電氣電子教學學報，2017（10）.

[3]史敬灼，王勇，梁云朋.電氣專業(yè)綜合課程設計創(chuàng)新教學模式改革[J].電氣電子教學學報，2019，41（2）.

[4]鄭慶慶，吳謹，朱磊，等.美國布里奇波特大學電子信息工程專業(yè)的實驗教學研究[J].實驗技術(shù)與管理，2018（12）.

責編：紅 茶