最新面向卓越工程师的“微机原理”教学改革探讨论文
[摘 要]针对“卓越计算机科学与技术工程师”专业“微机原理”课程的教学内容多、知识点零散、学生学习积极性低、实践教学薄弱等问题，提出在课程教学设计、教学内容、教学方法和考试方式等方面进行改革，着眼于课堂教学、实验教学、课外科技创新实践与企业实训四个课堂的有机结合，注重培养学生的人性化发展和自主学习，以面向应用和企业需求的工程师为目标加强实践教学，以学生实践和创新意识为主线构建课程的教学内容，以“应用”为主导选择课程的教学方法。通过在“微机原理”课程教学中科学合理地进行教学改革实践，不仅能够提高学生学习这门课的兴趣和热情，而且对学生实践创新能力的培养是一个有益的尝试，也培养了学生的创新思维，更深层次的挖掘学生才能，使学生能够全面均衡的发展。
[关键词]卓越工程师；微机原理；教学改革；教学方法
“卓越计算机科学与技术工程师”（以下简称为“卓越计科工程师”）专业是西南科技大学省级“卓越工程师教育培养计划”试点专业之一，旨在培养具有系统的理论、工程技术基础、良好的职业素养以及科技创新精神的工程师人才。培养模式采用“3+1”培养模式（三年在学校进行学习，最后一年在企业进行联合培养），着重培养学生的个性发展以及实践和创新意识，更深层次的挖掘学生才能，使学生能够全面均衡的发展，培养满足企业需求的工程师。“微机原理”课程是计算机科学与技术专业的一门专业基础课程，主要介绍微型计算机的基本概念、基本工作原理及接口技术。通过本课程的学习，使学生能够从应用的角度出发，在理论和实践上掌握微型计算机的基本组成、工作原理及常用接口技术；初步掌握汇编语言程序设计的基本方法和上机调试过程；建立微机整体概念，具备利用微机进行硬、软件开发的初步能力。[1]
一、微机原理课程教学中存在的问题
经过多年的微机原理课程教学，笔者发现大多数学生对“微机原理”课程的学习积极性差，教学效果不好，学生反映课程内容比较抽象难以理解，学起来枯燥缺乏兴趣，实验形式单一、方法单调，因而对课程的学习兴趣大大降低。[2] [3]其存在的问题主要有以下几点。
（一）学习主动性、积极性低
首先，“微机原理”课程教学内容综合了微型计算机软、硬件的理论知识，要求学生既要掌握扎实的计算机硬件理论知识，又要有良好的面向机器语言进行程序设计的能力。这对于大多数没有实践经验，特别是基础又不扎实的学生而言，就会觉得这门课程内容很抽象、难懂，因而导致学习兴趣下降，学习主动性、积极性低。其次，课程内容多，知识点比较散乱，班级容量大（大班教学），教学主要以“老师讲”为主，学生参与互动、讨论少。
（二）实验教学设计不合理
课程以理论教学为主，实验教学安排内容比较少，并且在实验教学环节上主要安排验证性实验。这使得学生不用自己设计实验控制电路和控制程度，阻碍了学生发散思维。同时，学生对于实验只是走过场，不用自己动脑，时间长了就会使学生产生惰性。因此，实验教学起不到融合、验证和巩固理论知识的目的。
（三）考核方式不合理
该课程的考核包括理论和实验两部分，理论成绩由平时成绩、期末考试成绩按不同比例构成。期末考试成绩占总成绩的70%，实验成绩占总成绩的20%，平时成绩只占总成绩的 10%。因此导致教学过程管理薄弱，对教学过程考核检查不足，学生只重视期末考试成绩，其结果是对以后课程的学习和企业实训起不到铺垫作用。
二、教学改革方案
科学合理的课程教学设计、教学内容、教学方法和考试方式对于“卓越计科工程师”专业的学生掌握微机原理具有十分重要的意义。面向“卓越计科工程师”专业的“微机原理”课程的教学方案应着眼于四个课堂的有机结合，落脚点为课堂教学、实验教学、课外科技创新实践与企业实训，注重培养学生的个性化发展和自主学习。同时，以培养满足企业需求的工程师为目标，以学生实践和创新意识为主线构建课程的教学内容，以“应用”为主导选择课程的教学方法。
（一）以学生实践和创新意识为主线构建课程的教学内容
第一次课进行学前动员，不立刻讲授课程的内容，而是对课程作整体性、概括性的介绍，使学生明白课程的重要性及特点，让学生明白学习本课程对于熟悉和掌握现代计算机的基本概念和技术以及学习后续相关课程均具有重要意义。这样做能有的放矢，激发学生学习的动力。第一次课后，学生就会以主动和比较轻松的心态来学习后续章节的内容。
“微机原理”的基本理论与核心接口技术是课程重点讲授的内容，同时适当引入现代高性能和多核微处理器的先进技术及典型结构。现实中存在多种类型的微型计算机，但不论是哪种微机，都包含微处理器、存储器、并行/串行接口、定时器/计数器电路、A / D与D / A转换电路等几大模块，其对应的章节包括计算机的基本组成及工作过程、微处理器结构、指令系统、汇编语言程序设计、存储器、输入与输出、可编程I / O接口电路、A / D与D / A转换电路、总线及常见总线标准和高性能微处理器的先进技术及典型结构等。对于这些章节，重点讲授计算机的基本组成及工作过程、微处理器结构、存储器、接口技术。在学习各个知识点时，既要强调其是“基本理论”，又要要求进行“实践”。“卓越计科工程师”专业在进校的第三学期开设“数字电路和模拟电路”课程，学生对微型计算机硬件电路组成已有初步了解。在讲授“微机原理”的过程中，结合“数字电路和模拟电路”来讲解，能使学生对微机原理有一个感性认识，也加深对微型计算机组成原理的理解。如硬布线控制器原理，主要由环形脉冲发生器、指令译码器和微命令编码器组成，学生很难理解它的实质。这时就可以将硬布线控制器中的电路原理直观地展现给学生，方便学生理解记忆。在讲授微机基本原理和接口技术的同时，适当引入一些目前应用的新理论和新技术，让学生了解微型计算机的发展最新趋势，进一步激发学生的学习动力。如讲存储器时，可加入虚拟存储技术和云存储等新技术。
（二）以培养满足企业需求的'工程师为目标加强实践教学
从教学课时和教学内容上加强实践教学。“微机原理”除了一些基本原理外，主要介绍各种接口技术，而这些接口技术在理论课中只抽象地介绍接口的工作原理，因而必须通过实践，让学生来设计接口电路，编写接口程序，少讲多实践，以此加深对微机接口技术的理解。具体的实验项目有微机仿真开发系统应用、模数与数模转换、键盘显示器接口、微机串行口通信、PCI设备操作、可编程并行接口、可编程定时 / 计数器与中断控制和基于微机的串行口通信8个单元实验，以及1个基于微机或单片机系统的自选题目的综合实验。实验项目多，需增加教学的学时。
微机原理实践教学平台可以有多种，包括固定结构的实验箱、软件仿真实验、基于FPGA的在线实验和基于E-Lab的硬仿真软件。[4]其中基于FPGA的在线实验和E-Lab的硬仿真软件实践教学模式充分利用现代信息技术，同时也保留了传统固定结构的实验箱模式的优点，可为实验教学提供实践平台，为“卓越计科工程师”专业学生设计多层次的实验项目。第一层次的实验主要为基础单元实验，主要包括：①数模和模数转换接口实验，实验目的是深化数模和模数转换电路的基本原理和接口方法、模数和数模转换芯片（ADC0809、DAC0832）的工作性能，掌握模数和数模转换的编程方法；②键盘显示器接口实验，实验目的是掌握键盘显示接口芯片8279与单片机的硬件连接方法、8279的编程方法，以及单片机内部定时器的使用方法；③微机串行口通信实验，实验目的是深化异步串行通讯的基本原理，掌握用微机串行口设计实现异步串行通信的方法，掌握串行接口芯片8251的工作原理和使用方法；④PCI设备操作实验，实验目的是了解PCI设备的工作原理和自动配置过程，掌握PCI BIOS的使用方法，熟悉自行开发的PCI实验接口卡的使用，为后续实验打下基础；⑤可编程并行接口实验，实验目的是深化并行接口的基本原理和实现方法，掌握并行接口芯片8255工作原理和使用方法；⑥可编程定时 / 计数器与中断控制实验，实验目的是深化PC机中断系统的基本原理，学会编写中断服务程序，掌握定时 / 计数器芯片8253的基本工作原理和使用方法。第二层次的实验是系统综合实验，通过学生自己动手，建立微机系统整体概念，训练系统综合设计能力和创新能力，如基于实验平台，自行完成实验项目（参考项目名称：电子琴、步进电机控制、温度控制系统、数字录音机、电子游戏等）。第三层次的实验是基于微型计算机的嵌入式系统设计实验。上面的前两个层次的实验面向所有学生，最后一个层次的实验主要针对创新和实践能力较强的学生设置。
（三）以“应用”为主导选择课程的教学方法
1.角色变换与混合式教学方法相结合。首先，教师要完成从“以教师为中心”的传统教学观念转变到“以学生为中心”的新观念。其次，教师要完成角色的变换，从以讲台为主的角色转变为指导为主的角色，教师在课程教学过程中主要发挥讨论、评价、导论的作用，对学生的学习进行指导、互动和示范，当好学生的课程学习服务员。再次，最重要的是要变革课堂教学方式，利用基于MOOC开放课程资源和翻转式 / 混合式教学模式提高课程教学效果。基于MOOC开放课程资源和翻转式 / 混合式教学模式的核心是让学生成为学习的主人，学生除了课堂时间外，还可以利用个性化时间和碎片时间进行课程学习。同时，学生自学、相互学习、师生互动、学生与学生互动及教师指导成为重要的学习方法。[5] [6]
2.学生以小组形式进行学习。“卓越计科工程师”专业培养具有扎实的计算机科学与技术理论基础，系统熟练地掌握计算机科学与技术学科专门知识及基本技能，并具备团队协作和有效交流能力、优秀的科学文化素质及创新实践能力，能从事软硬件工程技术研制、设计、开发、管理、服务等工作的应用型、复合型的高级技术人才。由于软硬件开发和管理是一项复杂性系统工作，这就要求开发和管理人员具备很强的创新实践能力、团队合作能力、自学能力以及组织协调能力。学生以学习小组形式进行学习可以很好训练学生的这些能力。把班级学生按照性别比例、性格特长、宿舍、成绩、团结协作能力等均衡合理划分各学习小组（3到5人为一组较为合适）。在课堂上，主要以小组为单位进行讨论、提问，同样在实验及课后作业或基于MOOC开放课程资源学习等上也还是主要以小组为单位，在课程结束后以小组为单位进行课程考核。为了能让小组的每一个成员有机会得到能力的锻炼，在进行提问、讨论、实验等教学过程中小组成员必须轮换阐述本小组学习成果及观点。这样的学习方法会使那些学差生在小组其他学生的帮助下变得主动学习。
（四）以考核学生创新能力为原则突出项目实践成绩
现有的考核方式（期末考试成绩占总成绩的70%，实验成绩占总成绩的20%，平时成绩只占总成绩的10%）忽视了课程教学过程的重要性，只重视课程基本理论教学，轻视教学实践，重视知识概念的记忆，轻视创新实践能力。因此对于“卓越计科工程师”专业学生的培养来说，应建立以学生创新实践能力为导向，以注重学生能力考核为主的考核方案，切实培养学生的团队协作、有效交流、创新、实践等能力。可将考核成绩中平时成绩占总评比例的10%增加至30%，其中平时成绩主要由课堂参与小组讨论、回答问题、参与课堂互动、课堂作业、出勤、阶段性大作业情况等共同构成，降低期末考试比例，并且在期末试卷中增加主观题的考查内容。同时，在实践考核中，不能仅仅以实验结果来判断学生实践成绩，而是应该注重考核学生分析问题、解决问题的能力，突出项目实践成绩。
（五）锻炼学生社会适应性能力和培养自学能力
科学技术的发展日新月异，竞争日益激烈，人们要跟上不断发展变化的社会，就需要自学。就“微机原理”课程的学习内容和学习要求来说，相对中学课程内容的学习比较灵活，发挥的空间大。因此，课程教学过程中应鼓励学生自学与课程相关和感兴趣的知识，这对于提高学生科学素质和专业技术能力是非常有帮助的。首先，教师在专业课程的教学中让学生意识到自学的关键性。其次，结合MOOC开放课程资源，让学生自主学习本课程或相关课程知识点，布置适量课后作业或课后论文，让学生自主完成。最后，教师要检查学生课程的自学情况。检查形式可多样，如组织讨论、QQ群互动或开报告会等，鼓励学生阐述通过自学所得，以此进一步激发学生的自学热情。
在“微机原理”课程中，从教学计划的制订，到使用灵活的教学方法，科学合理地进行教学改革实践，不仅能够提高学生学习这门课的兴趣和热情，而且对学生实践创新能力的培养是一个有益的尝试。同时，也培养了学生的创新思维和创新能力，更深层次的挖掘学生才能，使学生能够全面均衡的发展。随着信息技术的发展，“微机原理”课程教学改革的探索还在继续。只有寻求更科学合理的教学改革方案，才能够有效的提高教学质量，以达到“卓越计科工程师”人才培养的目的。
[ 注 释 ]
[1] 侯利娟.《微机原理与接口技术》课程教学方法改革初探[J].教育教学研究，2011（12）：120-121.
[2] 李秋洁.“微机原理及接口技术”课程教学探讨[J].教育教学论坛，2015（4）：127-128.
[3] 韩松.“微机原理与接口技术”教学改革与探讨[J].中国电力教育，2012（10）：36-38.
[4] 周丽涛，刘越，彭立宏.探索MOOC在计算机实践教学中的应用[J].计算机工程与科学，2014（4）：118-122.
[5] 邢丽莉，张兵，周海全.融合MOOC与翻转课堂原理的信息类课程设计方案与实践[J].软件，2014（52）：97-101.
[6] 马汉达.基于MOOC的计算机硬件课程实验教学研究[J].计算机教育，2015（13）：9-12.
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