最新面向卓越工程師的“微機原理”教學改革探討論文
最新面向卓越工程師的“微機原理”教學改革探討論文
[摘 要]針對“卓越計算機科學與技術工程師”專業“微機原理”課程的教學內容多、知識點零散、學生學習積極性低、實踐教學薄弱等問題，提出在課程教學設計、教學內容、教學方法和考試方式等方面進行改革，著眼於課堂教學、實驗教學、課外科技創新實踐與企業實訓四個課堂的有機結合，注重培養學生的人性化發展和自主學習，以面向應用和企業需求的工程師為目標加強實踐教學，以學生實踐和創新意識為主線構建課程的教學內容，以“應用”為主導選擇課程的教學方法。透過在“微機原理”課程教學中科學合理地進行教學改革實踐，不僅能夠提高學生學習這門課的興趣和熱情，而且對學生實踐創新能力的培養是一個有益的嘗試，也培養了學生的創新思維，更深層次的挖掘學生才能，使學生能夠全面均衡的發展。
[關鍵詞]卓越工程師；微機原理；教學改革；教學方法
“卓越計算機科學與技術工程師”（以下簡稱為“卓越計科工程師”）專業是西南科技大學省級“卓越工程師教育培養計劃”試點專業之一，旨在培養具有系統的理論、工程技術基礎、良好的職業素養以及科技創新精神的工程師人才。培養模式採用“3+1”培養模式（三年在學校進行學習，最後一年在企業進行聯合培養），著重培養學生的個性發展以及實踐和創新意識，更深層次的挖掘學生才能，使學生能夠全面均衡的發展，培養滿足企業需求的工程師。“微機原理”課程是計算機科學與技術專業的一門專業基礎課程，主要介紹微型計算機的基本概念、基本工作原理及介面技術。透過本課程的學習，使學生能夠從應用的角度出發，在理論和實踐上掌握微型計算機的基本組成、工作原理及常用介面技術；初步掌握組合語言程式設計的基本方法和上機除錯過程；建立微機整體概念，具備利用微機進行硬、軟體開發的初步能力。[1]
一、微機原理課程教學中存在的問題
經過多年的微機原理課程教學，筆者發現大多數學生對“微機原理”課程的學習積極性差，教學效果不好，學生反映課程內容比較抽象難以理解，學起來枯燥缺乏興趣，實驗形式單一、方法單調，因而對課程的學習興趣大大降低。[2] [3]其存在的問題主要有以下幾點。
（一）學習主動性、積極性低
首先，“微機原理”課程教學內容綜合了微型計算機軟、硬體的理論知識，要求學生既要掌握紮實的計算機硬體理論知識，又要有良好的面向機器語言進行程式設計的能力。這對於大多數沒有實踐經驗，特別是基礎又不紮實的學生而言，就會覺得這門課程內容很抽象、難懂，因而導致學習興趣下降，學習主動性、積極性低。其次，課程內容多，知識點比較散亂，班級容量大（大班教學），教學主要以“老師講”為主，學生參與互動、討論少。
（二）實驗教學設計不合理
課程以理論教學為主，實驗教學安排內容比較少，並且在實驗教學環節上主要安排驗證性實驗。這使得學生不用自己設計實驗控制電路和控制程度，阻礙了學生髮散思維。同時，學生對於實驗只是走過場，不用自己動腦，時間長了就會使學生產生惰性。因此，實驗教學起不到融合、驗證和鞏固理論知識的目的。
（三）考核方式不合理
該課程的考核包括理論和實驗兩部分，理論成績由平時成績、期末考試成績按不同比例構成。期末考試成績佔總成績的70%，實驗成績佔總成績的20%，平時成績只佔總成績的 10%。因此導致教學過程管理薄弱，對教學過程考核檢查不足，學生只重視期末考試成績，其結果是對以後課程的學習和企業實訓起不到鋪墊作用。
二、教學改革方案
科學合理的課程教學設計、教學內容、教學方法和考試方式對於“卓越計科工程師”專業的學生掌握微機原理具有十分重要的意義。面向“卓越計科工程師”專業的“微機原理”課程的教學方案應著眼於四個課堂的有機結合，落腳點為課堂教學、實驗教學、課外科技創新實踐與企業實訓，注重培養學生的個性化發展和自主學習。同時，以培養滿足企業需求的工程師為目標，以學生實踐和創新意識為主線構建課程的教學內容，以“應用”為主導選擇課程的教學方法。
（一）以學生實踐和創新意識為主線構建課程的教學內容
第一次課進行學前動員，不立刻講授課程的內容，而是對課程作整體性、概括性的介紹，使學生明白課程的重要性及特點，讓學生明白學習本課程對於熟悉和掌握現代計算機的基本概念和技術以及學習後續相關課程均具有重要意義。這樣做能有的放矢，激發學生學習的動力。第一次課後，學生就會以主動和比較輕鬆的心態來學習後續章節的內容。
“微機原理”的基本理論與核心介面技術是課程重點講授的內容，同時適當引入現代高效能和多核微處理器的先進技術及典型結構。現實中存在多種型別的微型計算機，但不論是哪種微機，都包含微處理器、儲存器、並行/序列介面、定時器/計數器電路、A / D與D / A轉換電路等幾大模組，其對應的章節包括計算機的基本組成及工作過程、微處理器結構、指令系統、組合語言程式設計、儲存器、輸入與輸出、可程式設計I / O介面電路、A / D與D / A轉換電路、匯流排及常見匯流排標準和高效能微處理器的先進技術及典型結構等。對於這些章節，重點講授計算機的基本組成及工作過程、微處理器結構、儲存器、介面技術。在學習各個知識點時，既要強調其是“基本理論”，又要要求進行“實踐”。“卓越計科工程師”專業在進校的第三學期開設“數位電路和類比電路”課程，學生對微型計算機硬體電路組成已有初步瞭解。在講授“微機原理”的過程中，結合“數位電路和類比電路”來講解，能使學生對微機原理有一個感性認識，也加深對微型計算機組成原理的理解。如硬佈線控制器原理，主要由環形脈衝發生器、指令譯碼器和微命令編碼器組成，學生很難理解它的實質。這時就可以將硬佈線控制器中的電路原理直觀地展現給學生，方便學生理解記憶。在講授微機基本原理和介面技術的同時，適當引入一些目前應用的新理論和新技術，讓學生了解微型計算機的發展最新趨勢，進一步激發學生的學習動力。如講儲存器時，可加入虛擬儲存技術和雲端儲存等新技術。
（二）以培養滿足企業需求的'工程師為目標加強實踐教學
從教學課時和教學內容上加強實踐教學。“微機原理”除了一些基本原理外，主要介紹各種介面技術，而這些介面技術在理論課中只抽象地介紹介面的工作原理，因而必須透過實踐，讓學生來設計介面電路，編寫介面程式，少講多實踐，以此加深對微機介面技術的理解。具體的實驗專案有微機模擬開發系統應用、模數與數模轉換、鍵盤顯示器介面、微機序列口通訊、PCI裝置操作、可程式設計並行介面、可程式設計定時 / 計數器與中斷控制和基於微機的序列口通訊8個單元實驗，以及1個基於微機或微控制器系統的自選題目的綜合實驗。實驗專案多，需增加教學的學時。
微機原理實踐教學平臺可以有多種，包括固定結構的實驗箱、軟體模擬實驗、基於FPGA的線上實驗和基於E-Lab的硬模擬軟體。[4]其中基於FPGA的線上實驗和E-Lab的硬模擬軟體實踐教學模式充分利用現代資訊科技，同時也保留了傳統固定結構的實驗箱模式的優點，可為實驗教學提供實踐平臺，為“卓越計科工程師”專業學生設計多層次的實驗專案。第一層次的實驗主要為基礎單元實驗，主要包括：①數模和模數轉換介面實驗，實驗目的是深化數模和模數轉換電路的基本原理和介面方法、模數和數模轉換晶片（ADC0809、DAC0832）的工作效能，掌握模數和數模轉換的程式設計方法；②鍵盤顯示器介面實驗，實驗目的是掌握鍵盤顯示介面晶片8279與微控制器的硬體連線方法、8279的程式設計方法，以及微控制器內部定時器的使用方法；③微機序列口通訊實驗，實驗目的是深化非同步序列通訊的基本原理，掌握用微機序列口設計實現非同步序列通訊的方法，掌握序列介面晶片8251的工作原理和使用方法；④PCI裝置操作實驗，實驗目的是瞭解PCI裝置的工作原理和自動配置過程，掌握PCI BIOS的使用方法，熟悉自行開發的PCI實驗介面卡的使用，為後續實驗打下基礎；⑤可程式設計並行介面實驗，實驗目的是深化並行介面的基本原理和實現方法，掌握並行介面晶片8255工作原理和使用方法；⑥可程式設計定時 / 計數器與中斷控制實驗，實驗目的是深化PC機中斷系統的基本原理，學會編寫中斷服務程式，掌握定時 / 計數器晶片8253的基本工作原理和使用方法。第二層次的實驗是系統綜合實驗，透過學生自己動手，建立微機系統整體概念，訓練系統綜合設計能力和創新能力，如基於實驗平臺，自行完成實驗專案（參考專案名稱：電子琴、步進電機控制、溫度控制系統、數字錄音機、電子遊戲等）。第三層次的實驗是基於微型計算機的嵌入式系統設計實驗。上面的前兩個層次的實驗面向所有學生，最後一個層次的實驗主要針對創新和實踐能力較強的學生設定。
（三）以“應用”為主導選擇課程的教學方法
1.角色變換與混合式教學方法相結合。首先，教師要完成從“以教師為中心”的傳統教學觀念轉變到“以學生為中心”的新觀念。其次，教師要完成角色的變換，從以講臺為主的角色轉變為指導為主的角色，教師在課程教學過程中主要發揮討論、評價、導論的作用，對學生的學習進行指導、互動和示範，當好學生的課程學習服務員。再次，最重要的是要變革課堂教學方式，利用基於MOOC開放課程資源和翻轉式 / 混合式教學模式提高課程教學效果。基於MOOC開放課程資源和翻轉式 / 混合式教學模式的核心是讓學生成為學習的主人，學生除了課堂時間外，還可以利用個性化時間和碎片時間進行課程學習。同時，學生自學、相互學習、師生互動、學生與學生互動及教師指導成為重要的學習方法。[5] [6]
2.學生以小組形式進行學習。“卓越計科工程師”專業培養具有紮實的計算機科學與技術理論基礎，系統熟練地掌握計算機科學與技術學科專門知識及基本技能，並具備團隊協作和有效交流能力、優秀的科學文化素質及創新實踐能力，能從事軟硬體工程技術研製、設計、開發、管理、服務等工作的應用型、複合型的高階技術人才。由於軟硬體開發和管理是一項複雜性系統工作，這就要求開發和管理人員具備很強的創新實踐能力、團隊合作能力、自學能力以及組織協調能力。學生以學習小組形式進行學習可以很好訓練學生的這些能力。把班級學生按照性別比例、性格特長、宿舍、成績、團結協作能力等均衡合理劃分各學習小組（3到5人為一組較為合適）。在課堂上，主要以小組為單位進行討論、提問，同樣在實驗及課後作業或基於MOOC開放課程資源學習等上也還是主要以小組為單位，在課程結束後以小組為單位進行課程考核。為了能讓小組的每一個成員有機會得到能力的鍛鍊，在進行提問、討論、實驗等教學過程中小組成員必須輪換闡述本小組學習成果及觀點。這樣的學習方法會使那些學差生在小組其他學生的幫助下變得主動學習。
（四）以考核學生創新能力為原則突出專案實踐成績
現有的考核方式（期末考試成績佔總成績的70%，實驗成績佔總成績的20%，平時成績只佔總成績的10%）忽視了課程教學過程的重要性，只重視課程基本理論教學，輕視教學實踐，重視知識概念的記憶，輕視創新實踐能力。因此對於“卓越計科工程師”專業學生的培養來說，應建立以學生創新實踐能力為導向，以注重學生能力考核為主的考核方案，切實培養學生的團隊協作、有效交流、創新、實踐等能力。可將考核成績中平時成績佔總評比例的10%增加至30%，其中平時成績主要由課堂參與小組討論、回答問題、參與課堂互動、課堂作業、出勤、階段性大作業情況等共同構成，降低期末考試比例，並且在期末試卷中增加主觀題的考查內容。同時，在實踐考核中，不能僅僅以實驗結果來判斷學生實踐成績，而是應該注重考核學生分析問題、解決問題的能力，突出專案實踐成績。
（五）鍛鍊學生社會適應性能力和培養自學能力
科學技術的發展日新月異，競爭日益激烈，人們要跟上不斷髮展變化的社會，就需要自學。就“微機原理”課程的學習內容和學習要求來說，相對中學課程內容的學習比較靈活，發揮的空間大。因此，課程教學過程中應鼓勵學生自學與課程相關和感興趣的知識，這對於提高學生科學素質和專業技術能力是非常有幫助的。首先，教師在專業課程的教學中讓學生意識到自學的關鍵性。其次，結合MOOC開放課程資源，讓學生自主學習本課程或相關課程知識點，佈置適量課後作業或課後論文，讓學生自主完成。最後，教師要檢查學生課程的自學情況。檢查形式可多樣，如組織討論、QQ群互動或開報告會等，鼓勵學生闡述透過自學所得，以此進一步激發學生的自學熱情。
在“微機原理”課程中，從教學計劃的制訂，到使用靈活的教學方法，科學合理地進行教學改革實踐，不僅能夠提高學生學習這門課的興趣和熱情，而且對學生實踐創新能力的培養是一個有益的嘗試。同時，也培養了學生的創新思維和創新能力，更深層次的挖掘學生才能，使學生能夠全面均衡的發展。隨著資訊科技的發展，“微機原理”課程教學改革的探索還在繼續。只有尋求更科學合理的教學改革方案，才能夠有效的提高教學質量，以達到“卓越計科工程師”人才培養的目的。
[ 注 釋 ]
[1] 侯利娟.《微機原理與介面技術》課程教學方法改革初探[J].教育教學研究，2011（12）：120-121.
[2] 李秋潔.“微機原理及介面技術”課程教學探討[J].教育教學論壇，2015（4）：127-128.
[3] 韓松.“微機原理與介面技術”教學改革與探討[J].中國電力教育，2012（10）：36-38.
[4] 周麗濤，劉越，彭立宏.探索MOOC在計算機實踐教學中的應用[J].計算機工程與科學，2014（4）：118-122.
[5] 邢麗莉，張兵，周海全.融合MOOC與翻轉課堂原理的資訊類課程設計方案與實踐[J].軟體，2014（52）：97-101.
[6] 馬漢達.基於MOOC的計算機硬體課程實驗教學研究[J].計算機教育，2015（13）：9-12.