計算機(jī)硬件類課程教學(xué)改革實(shí)踐研究

關(guān)鍵詞：計算機(jī)硬件；微處理器；微控制器；有效教學(xué)；實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐

0 引言

近幾年，高等教育已經(jīng)廣泛使用電子學(xué)習(xí)平臺，特別是在計算機(jī)科學(xué)和計算機(jī)工程課程的學(xué)習(xí)和教學(xué)過程中。電子學(xué)習(xí)平臺可能不是基于硬件類課程的最佳解決方案，因?yàn)椴荒苤粡慕：头抡娴慕嵌葋砜紤]，而應(yīng)該使學(xué)生對日常生活中所使用的計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、原理和組織有一定的認(rèn)識。如果不能激發(fā)學(xué)生對硬件的好奇心，學(xué)生就會失去興趣。本文用真實(shí)硬件進(jìn)行實(shí)踐，并使用適當(dāng)?shù)哪M器，提出了基于硬件的課程實(shí)踐改進(jìn)方案，以實(shí)現(xiàn)更好的教學(xué)，并介紹了一種新的方法來減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，激發(fā)他們學(xué)習(xí)硬件的好奇心和積極性。

1 課程組織

計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程需要必修三門硬件課程。分別為計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與組織、微處理器與微控制器（MM） 和現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)。除此之外，還為學(xué)生提供了其他硬件選修課程，如機(jī)器人、并行和分布式處理等。本文主要對MM課程、目標(biāo)和改革進(jìn)行了探討，以完善MM課程的教學(xué)大綱，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)MM課程的積極性。

課程教學(xué)分為3個部分，分別為理論講座、理論練習(xí)和實(shí)踐練習(xí)。講座和理論練習(xí)以小組進(jìn)行，而實(shí)踐練習(xí)則在計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室中以4名學(xué)生的團(tuán)隊進(jìn)行，每個學(xué)生都在自己的工作臺上工作。該課程前導(dǎo)課程是計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)課程。

在學(xué)習(xí)中，課程分為兩個邏輯單元。第一部分介紹了x86微處理器的內(nèi)部架構(gòu)和指令集、中斷處理系統(tǒng)、BIOS和系統(tǒng)例程。第二部分主要介紹微控制器及其使用。學(xué)生將了解各種類型的微控制器，分析它們的組織、指令集和與x86微處理器相關(guān)的外設(shè)系統(tǒng)及嵌入式系統(tǒng)等功能。

1.1 課程難點(diǎn)

在過去幾年里，編程是使用Microsoft Macro As?sembler（MASM）6.11版本完成的，程序員工作臺（PWB） 作為集成開發(fā)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)項目練習(xí)是真正基于硬件的。由于學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)計算機(jī)硬件課程興趣，這些硬核的硬件實(shí)驗(yàn)練習(xí)在課程開始就成為他們的障礙。前兩個實(shí)驗(yàn)練習(xí)包括使用DOS命令和調(diào)試程序，這與之前學(xué)習(xí)的基于Linux的操作系統(tǒng)課程區(qū)別很大，幾乎所有學(xué)生在第三次實(shí)驗(yàn)練習(xí)中都遇到了啟動和運(yùn)行MASM項目的問題。第四次實(shí)驗(yàn)練習(xí)是在控制臺上寫一段直接訪問內(nèi)存的文本。所有的學(xué)生都沒有學(xué)習(xí)它的積極性，因?yàn)樗麄兩钤谝粋€有HD、DIRECTX或其他現(xiàn)代圖形的世界里。最后，需要在Intel 8051微控制器模擬器上練習(xí)，需要學(xué)習(xí)一個新的環(huán)境和新的組裝方法，徹底打擊了學(xué)生積極性。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

根據(jù)以上分析，在MM課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)練習(xí)部分探索了改進(jìn)方法，以激發(fā)學(xué)生對硬件課程的好奇心和積極性。提高學(xué)習(xí)微處理器和微控制器的興趣。

2.1 實(shí)驗(yàn)練習(xí)（x86匯編程序）

在課程第一部分的實(shí)驗(yàn)練習(xí)中，創(chuàng)建了全新的內(nèi)容，即x86微處理器的指令集。授課內(nèi)容的改革創(chuàng)新是通過引入新的面向軟件的實(shí)驗(yàn)練習(xí)，取代了傳統(tǒng)的和單調(diào)的面向“硬件”的練習(xí)。新的實(shí)驗(yàn)練習(xí)教會學(xué)生使用數(shù)組、矩陣、字符串、過程、宏等知識，最重要的改進(jìn)是引入的練習(xí)要求學(xué)生用高級編程語言（C++或Java） 在匯編程序中編寫示例代碼。

1） 實(shí)驗(yàn)環(huán)境和模擬器。第一個實(shí)驗(yàn)練習(xí)向?qū)W生介紹編程環(huán)境，即Emu8086模擬器在虛擬機(jī)環(huán)境中使用。第一個實(shí)驗(yàn)練習(xí)是最重要的，因?yàn)橐ㄟ^每個編程練習(xí)的可視化呈現(xiàn)，讓學(xué)生意識到課程是很有趣的，因此，第一個實(shí)驗(yàn)練習(xí)不進(jìn)行評分，它由一個示例組成，學(xué)生要學(xué)習(xí)如何用少量代碼編寫簡單的紅綠燈程序，然后再使交通信號燈更加智能。

2） 8086 匯編程序。經(jīng)過上面實(shí)驗(yàn)練習(xí)，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了關(guān)于8086處理器設(shè)計的基礎(chǔ)理論練習(xí)，不同類型的寄存器和x86匯編程序中的基本指令，如MOV （將值從寄存器傳送到寄存器）、ADD（將值加到寄存器）、SUB（從寄存器中減去值）、CMP（比較兩個寄存器的值）和LOOP（使用寄存器的一些預(yù)定義特性創(chuàng)建一個循環(huán)）。在第二個實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生將學(xué)習(xí)16位寄存器（例如AX） 的高、低8位寄存器（例如AH、AL） ，以及指令的源寄存器和目標(biāo)寄存器。

3） 與高級語言的比較。第三個實(shí)驗(yàn)練習(xí)是雙向的，即學(xué)生學(xué)習(xí)不同的尋址方式和訪問內(nèi)存的方法，練習(xí)如何使用高級命令或條件表達(dá)式，如IF-THEN、IF-THEN-else、WHILE-DO、FOR和REPEAT UNTIL。實(shí)驗(yàn)練習(xí)如圖1所示的準(zhǔn)高級語言的一個簡單if-then 條件的例子，它向?qū)W生展示了兩種可能的解決方案，第一種方案是直接實(shí)現(xiàn)，如圖2所示的相同條件，第二種方案是從相反的條件開始，如圖3所示的更快更好的解決方案。

接下來，練習(xí)繼續(xù)使用條件表達(dá)式和循環(huán)代碼實(shí)例來處理內(nèi)存，進(jìn)一步學(xué)習(xí)基本的內(nèi)存尋址以及值和地址的區(qū)別，掌握使用寄存器BX 作為內(nèi)存指針的方法。

4） 陣列和矩陣。為了深入了解存儲器，需要學(xué)習(xí)數(shù)組和更高級的矩陣，以及基本的存儲器工作語言創(chuàng)建循環(huán)過程。第四個實(shí)驗(yàn)練習(xí)如何在線性段中定義數(shù)組和矩陣，并將它們存儲在內(nèi)存中，以及使用其索引或指針訪問特定元素。進(jìn)一步學(xué)習(xí)行主和列主的概念，以及存儲器中更高級的尋址方式。

5） 字符串。第五個實(shí)驗(yàn)是關(guān)于字符串的練習(xí)。學(xué)生將學(xué)習(xí)字符串的存儲表示方法，以及管理字符串的指令。這個實(shí)驗(yàn)練習(xí)使用了與學(xué)生在第一和第二學(xué)年學(xué)習(xí)的編程課程“編程基礎(chǔ)”和“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法”中相似的任務(wù)，所以不需要解釋額外的“硬件”問題，學(xué)生就可以立即開始練習(xí)。

學(xué)習(xí)了兩個指針寄存器，即源索引SI和目標(biāo)索引DI，字符串的基本指令MOVS（移動字符串）、LODS（從字符串加載）、STOS（存儲到字符串中）、SCAS（掃描字符串）和CMPS（比較字符串）。學(xué)生們還學(xué)習(xí)了指令前綴REP（重復(fù)執(zhí)行字符串指令，直到寄存器CX=0） 、REPE（重復(fù)執(zhí)行字符串指令，直到寄存器CX=0或零標(biāo)志清除）和REPNZ（重復(fù)執(zhí)行字符串指令，直到寄存器CX=0或零標(biāo)志設(shè)置）。

6） 過程、宏和中斷。在學(xué)習(xí)了所有必要的基本指令和內(nèi)存訪問之后，需要深入研究使用過程和宏進(jìn)行編程的更高級方法。第六個實(shí)驗(yàn)練習(xí)教學(xué)生在x86匯編器中如何使用過程和宏進(jìn)行更高效的編程。在本練習(xí)中，學(xué)生將學(xué)習(xí)如何使用Stack，特別是如何在寄存器中臨時存儲宏。

本練習(xí)的另一個重要目的是介紹中斷和中斷程序服務(wù)過程，特別是調(diào)用DOS與鍵盤輸入和控制臺輸出進(jìn)行交互的中斷INT21使用方法。引入中斷可以幫助學(xué)生深入理解課程的第二部分，即微控制器工作過程。

2.2 實(shí)驗(yàn)練習(xí)（PIC16F887）

本課程的第二部分專門介紹微控制器。為了避免枯燥乏味，課程做了重大的改進(jìn)。取消了Intel8051 微控制器和PIC 8259A中斷控制器的傳統(tǒng)練習(xí)方法。介紹了PIC16F887及其開發(fā)環(huán)境和高級編程語言Mi?kroC、MikroPascal和MikroBasic的IDE。

1） PIC16F887 工作環(huán)境。PIC16F887的第一次實(shí)驗(yàn)練習(xí)（共第七次）向?qū)W生介紹PIC單片機(jī)、開發(fā)環(huán)境、模擬器和MikroC編程工具的使用以及單片機(jī)編程。類似于匯編中的第一個實(shí)驗(yàn)室練習(xí)，通過應(yīng)用示例，學(xué)習(xí)如何使用編程控制器的輸入和輸出端口，控制閃爍的Led燈，經(jīng)過改進(jìn)，再使Led燈變得更加智能。

2） PIC16F887 中的計數(shù)器和定時器。PIC16F887 微控制器的第二個實(shí)驗(yàn)練習(xí)是關(guān)于它的三個定時器和“預(yù)分頻器”，即利用預(yù)分頻振蕩器頻率不同，控制脈沖變短或變長。學(xué)生們學(xué)習(xí)如何設(shè)置和使用定時器，使用中斷例程來定義計時器，控制中斷出現(xiàn)時的微控制器行為。圖4為十字路口的紅綠燈程序?qū)嵗?。PORTC 的0、1、2引腳分別用于單向紅綠燈，分別為紅、黃、綠燈。3、4、5引腳分別為另一方向紅綠燈，對應(yīng)為紅、黃、綠燈。

3） PIC16F887 串行通信。在第三個PIC16F887 實(shí)驗(yàn)練習(xí)中，向?qū)W生介紹串行通信的EUSART模塊。通過計算機(jī)串口讀寫數(shù)據(jù)，發(fā)送字節(jié)、字符串或整數(shù)。學(xué)生設(shè)計了一個簡單的確定秘密數(shù)字的游戲，即通過PC 串行端口發(fā)送一個數(shù)字，使用控制器回答它是否正確的數(shù)字。

4） PIC16F887 中LCD。第四個PIC16F887 實(shí)驗(yàn)練習(xí)向?qū)W生介紹了一個額外的硬件組件——液晶顯示器。同樣，通過互動游戲，他們學(xué)會了控制程序。圖5所示為輸入數(shù)字?jǐn)?shù)組，并將該數(shù)組實(shí)時寫入液晶顯示器的第一行，并統(tǒng)計數(shù)字中偶數(shù)個數(shù)的任務(wù)示例。它使學(xué)生學(xué)會了讀取或存儲在EEPROM存儲器中的數(shù)字和使用鍵盤寫入數(shù)組，使用EEPROM控制器處理內(nèi)存不足的方法，極大地激發(fā)了學(xué)生的動手能力和學(xué)習(xí)硬件課程的興趣。

5） 解決實(shí)際問題。PIC16F887的最后一個練習(xí)是最難的，綜合運(yùn)用板載的和附加的硬件組件整合到一個練習(xí)中，解決實(shí)際問題。圖6描述了使用三個引腳在PIC的7段顯示器上啟動、停止和重新啟動計時器，當(dāng)計數(shù)器到24時，控制籃球比賽的示例。通過控制1 號引腳，使液晶顯示器顯示數(shù)字。圖7展示了在通過串口發(fā)送到控制器的GLCD（圖形LCD）上顯示圖像的另一個示例。

3 課程改進(jìn)

通過MM課程對實(shí)踐練習(xí)部分做了進(jìn)一步改進(jìn)，引入了可視化模擬器和先進(jìn)教學(xué)方法，在課程質(zhì)量上取得了顯著提高，提高了學(xué)生興趣和成績。通過增加硬件實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和數(shù)量，使成績分布更加合理。通過對課程結(jié)構(gòu)的修改，使其更接近于基于軟件的課程，喚醒了學(xué)生對硬件的好奇心。

為了進(jìn)一步提高課程質(zhì)量和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)硬件知識的積極性，研究并分析了一些不足之處，通過課程教學(xué)安排、材料的結(jié)構(gòu)等方法的改進(jìn)，取得了良好的效果。在教學(xué)中，對教學(xué)實(shí)踐過程的改進(jìn)做了以下幾個方面的研究探索。

3.1 針對無準(zhǔn)備的學(xué)生

盡管對課程進(jìn)行了改造，使理論練習(xí)和實(shí)驗(yàn)練習(xí)相似并相互聯(lián)系，但學(xué)生們還是沒有做好準(zhǔn)備。由于實(shí)驗(yàn)練習(xí)緊跟著理論知識，學(xué)生沒有足夠的時間去理解和學(xué)習(xí)新的課題，因此，做了額外的改進(jìn)，即重新安排課程順序，在理論課程和練習(xí)后一周進(jìn)行實(shí)踐練習(xí)。

3.2 解決方案

由于前幾年允許學(xué)生在兩周后提交課后作業(yè)，使得課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容與寫作業(yè)間隔過長，容易遺忘學(xué)習(xí)內(nèi)容，導(dǎo)致作業(yè)質(zhì)量不佳。為了改善這個問題，讓學(xué)生在課堂消化解決問題的方法，并且在實(shí)驗(yàn)課上測試，另外給出擴(kuò)展的問題，要求學(xué)生在課堂上解決。這種方式有助于掌握課堂內(nèi)容和提高成績，也迫使學(xué)生們?yōu)榫毩?xí)課做好準(zhǔn)備。

3.3 動手測試標(biāo)準(zhǔn)

為了達(dá)到較好的成績，要求學(xué)生的實(shí)踐練習(xí)分?jǐn)?shù)要達(dá)到50%以上。僅僅在課堂上解決問題已經(jīng)不足以通過考試了，還要具備足夠的基礎(chǔ)知識，這使得學(xué)生們對上課更加重視，做好充分的課前準(zhǔn)備。

4 改進(jìn)的效果

對課程的額外調(diào)整使學(xué)生取得了比前幾年更好的成績。

4.1 實(shí)踐成績改善

實(shí)踐練習(xí)的課程改進(jìn)和方法的改變促進(jìn)了今年的平均實(shí)踐成績明顯提高。統(tǒng)計了去年不使用最新方法和今年使用最新方法進(jìn)行實(shí)踐練習(xí)的平均成績。根據(jù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果，動手練習(xí)方法的改進(jìn)使平均成績比去年使用的方法提高了15.02%。

4.2 期中成績改善

實(shí)踐練習(xí)的課程內(nèi)容和方法的改進(jìn)提高了期中考試的平均成績。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，采用新方法之后有25%的學(xué)生成績在8分及以上，而采用舊方法的學(xué)生只有2.16%，這是一個顯著的改善效果。另一個重要的結(jié)果是低分?jǐn)?shù)學(xué)生的數(shù)量，即6分和7分的數(shù)量在新方法下從21.50%減少到8.33%。今年的平均分為8.35分，而沒有采用新方法的前一年的平均分僅為6.55分。

4.3 總成績提升

課程的改進(jìn)也提高了總平均成績的，即期中和期末考試。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示采用新方法的學(xué)生期中考試和期末考試成績在8分及以上的合格率為26.67%，與采用舊方法的3.23%相比，成績?nèi)〉昧孙@著的提高。另一個重要的結(jié)果是低分?jǐn)?shù)學(xué)生的數(shù)量，即6分和7 分的學(xué)生數(shù)量在新方法下從36.56%減少到16.67%。另外今年的總平均分為7.96分，比去年的6.46分有所提高，總成績分布得到了很大的改善。

4.4 課程及格率

通過優(yōu)化課程內(nèi)容和教學(xué)方法，減少了不及格學(xué)生的數(shù)量。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明在新的方法下，期中考試不及格的學(xué)生減少了3.55%。即舊方法不及格的學(xué)生比改進(jìn)后的新方法多了近10%（9.67%） 。結(jié)果證明在改進(jìn)課程內(nèi)容安排和教學(xué)方法后，普遍提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和成績，取得了良好的效果。

5 結(jié)束語

本文對計算機(jī)科學(xué)專業(yè)中基于硬件的課程教學(xué)進(jìn)行了一系列的改進(jìn)。結(jié)果表明在動手練習(xí)的平均成績上取得了明顯的改善，提高了15.02%。通過期中考試的學(xué)生增加了9.67%，平均成績增加1.8分。總分?jǐn)?shù)分布也從舊方法的平均6.46提高到新方法的7.96，平均分?jǐn)?shù)提高了1.5分?？偤细衤侍岣吡?.45%。這些改進(jìn)措施提高了學(xué)生在實(shí)踐練習(xí)成績和及格率。教學(xué)內(nèi)容重新安排和新的教學(xué)方法不僅提高了學(xué)生對實(shí)踐練習(xí)的興趣，也提高了學(xué)生成績，減輕了學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，增加了他們學(xué)習(xí)硬件課程的積極性。