基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的微機(jī)接口教學(xué)研究

楊志奇 何穎 李春閣

摘要：本文結(jié)合筆者的教學(xué)實(shí)踐，探討了當(dāng)前在三本獨(dú)立學(xué)院通過(guò)《微機(jī)接口》課程進(jìn)行系統(tǒng)能力培養(yǎng)時(shí)存在的問(wèn)題，并從改革理論教學(xué)、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)、加強(qiáng)教材建設(shè)等三個(gè)方面，闡述了改進(jìn)《微機(jī)接口》教學(xué)的方法和策略。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)能力；獨(dú)立學(xué)院；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)；微機(jī)接口；Proteus

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）49-0236-02

一、引言

在計(jì)算技術(shù)迅速發(fā)展的今天，培養(yǎng)合格的計(jì)算機(jī)人才是擺在我們計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)教師面前的一個(gè)重要問(wèn)題。合格的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必須具備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力主要是指學(xué)生在掌握計(jì)算系統(tǒng)基本原理基礎(chǔ)上，能夠站在系統(tǒng)（包括軟件、硬件）的高度考慮和解決問(wèn)題，具有系統(tǒng)層面的認(rèn)知和各種能力（如：軟、硬件功能的合理劃分、系統(tǒng)整體性能分析和調(diào)優(yōu)等），具有計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能力[1]。

《微機(jī)原理與接口技術(shù)》（后簡(jiǎn)稱(chēng)《微機(jī)接口》）課程是電子、自動(dòng)化、通信、計(jì)算機(jī)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。在計(jì)算機(jī)系開(kāi)設(shè)該課程的目的是讓學(xué)生在學(xué)習(xí)《計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》、《匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》等課程的基礎(chǔ)上進(jìn)一步學(xué)習(xí)微型計(jì)算機(jī)的組成和接口技術(shù)。學(xué)生可以通過(guò)學(xué)習(xí)本課程內(nèi)容，增強(qiáng)軟、硬件相結(jié)合的能力，樹(shù)立起微型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本概念，從而提高其系統(tǒng)能力。我校是一所三本獨(dú)立學(xué)院，學(xué)生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)薄弱，相當(dāng)部分學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)沒(méi)有興趣。因此，在獨(dú)立學(xué)院的環(huán)境下，提高計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的系統(tǒng)能力，較一、二本院校的情況要更困難一些。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在通過(guò)《微機(jī)接口》課程進(jìn)行系統(tǒng)能力培養(yǎng)時(shí)，主要存在下列問(wèn)題：（1）課程內(nèi)容、教材內(nèi)容陳舊，與計(jì)算技術(shù)的發(fā)展不相適應(yīng)；（2）教學(xué)方法陳舊，學(xué)生缺乏興趣；（3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)、安排需優(yōu)化；（4）實(shí)驗(yàn)受到時(shí)間、地點(diǎn)、設(shè)備的限制。筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，在當(dāng)前課時(shí)有限、實(shí)驗(yàn)資源有限的條件下通過(guò)以下的分析和具體做法，在《微機(jī)接口》課程教學(xué)中探索了在三本獨(dú)立學(xué)院計(jì)算機(jī)系培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)能力的方法，并取得了較好的效果。

二、改革《微機(jī)接口》理論教學(xué)，適應(yīng)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展

1.當(dāng)今計(jì)算技術(shù)的發(fā)展情況與《微機(jī)接口》的課程目標(biāo)。進(jìn)入21世紀(jì)后，計(jì)算技術(shù)進(jìn)入了以移動(dòng)互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)計(jì)算為主要特征的新型網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。在新型網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，出現(xiàn)了嵌入式計(jì)算系統(tǒng)、移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)、并行計(jì)算系統(tǒng)、基于服務(wù)的計(jì)算系統(tǒng)等“四類(lèi)新型計(jì)算系統(tǒng)”[1]。顯然，一個(gè)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生應(yīng)該了解并掌握這四類(lèi)新計(jì)算系統(tǒng)的基本內(nèi)容。

《微機(jī)接口》的課程目標(biāo)是學(xué)生學(xué)習(xí)后能夠掌握微型計(jì)算機(jī)的硬件組成及使用；學(xué)會(huì)運(yùn)用指令系統(tǒng)和匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)；熟悉各種類(lèi)型的接口及其應(yīng)用，從而樹(shù)立起微型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本概念，進(jìn)而提高其系統(tǒng)能力。近年來(lái)，隨著嵌入式系統(tǒng)的興起，作為新內(nèi)容，許多《微機(jī)接口》教材中都加入了對(duì)嵌入式微處理器編程的介紹，使得嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成為了《微機(jī)接口》的部分內(nèi)容；而嵌入式系統(tǒng)又是“四類(lèi)新型計(jì)算系統(tǒng)”[1]之一，從而使得《微機(jī)接口》這門(mén)課成為提高計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力的重要途徑。

2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析、調(diào)優(yōu)和檢錯(cuò)能力是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的專(zhuān)長(zhǎng)。從國(guó)際上看，麻省理工學(xué)院、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、斯坦福大學(xué)等國(guó)外一流大學(xué)都非常重視計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)，都有若干門(mén)課程對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多個(gè)層次進(jìn)行講解。近年來(lái)，我國(guó)各高校積極推進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的改革，如清華大學(xué)、南京大學(xué)都在學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面進(jìn)行了有益的嘗試并取得了很好的教學(xué)效果。

3.《微機(jī)接口》理論教學(xué)的改革。理論是實(shí)踐的基礎(chǔ)，《微機(jī)接口》理論教學(xué)質(zhì)量的好壞，直接影響系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。而教學(xué)質(zhì)量的提高，可以通過(guò)課程內(nèi)容的調(diào)整、教學(xué)方法和教學(xué)手段的改進(jìn)等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（1）課程內(nèi)容的調(diào)整。首先，注意研究《微機(jī)接口》的前序課程，避免重復(fù)，優(yōu)化課程內(nèi)容，合理分配學(xué)時(shí)。其次，加入對(duì)ARM系列微處理器及相關(guān)編程內(nèi)容的介紹，從而使得《微機(jī)接口》課程獲得知識(shí)更新。

英國(guó)的ARM公司是一家專(zhuān)門(mén)從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的公司。由于具有工藝成熟、主頻高、功效低、代碼密度高、開(kāi)發(fā)工具多、兼容性好等特點(diǎn)，目前ARM系列處理器已占據(jù)大部分市場(chǎng)份額，其應(yīng)用遍及工業(yè)控制、電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)等各類(lèi)嵌入式領(lǐng)域[2]。課程通過(guò)介紹ARM系列微處理器及相關(guān)編程內(nèi)容，使得學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)有了初步的了解，為他們將來(lái)進(jìn)一步的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（2）教學(xué)方法和教學(xué)手段的改進(jìn)。強(qiáng)化對(duì)學(xué)生的課堂管理；從自編教材中選取案例，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、Proteus仿真軟件現(xiàn)場(chǎng)演示、動(dòng)畫(huà)課件、視頻等方法提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。采用問(wèn)題引導(dǎo)式互動(dòng)教學(xué)，采用多媒體課件和板書(shū)相結(jié)合的教學(xué)手段來(lái)提高教學(xué)質(zhì)量。

“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)”的基本思想是將工程理念引入到教學(xué)中，把所有教學(xué)內(nèi)容按主題設(shè)計(jì)為一個(gè)或幾個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目[3]。從課程內(nèi)容出發(fā)，根據(jù)學(xué)生的具體情況，任課教師自己設(shè)計(jì)了醫(yī)院住院病人呼叫系統(tǒng)、交通燈模擬控制系統(tǒng)、定時(shí)中斷控制系統(tǒng)等項(xiàng)目以供學(xué)生練習(xí)進(jìn)行微機(jī)接口的軟、硬件設(shè)計(jì)。這些項(xiàng)目不僅實(shí)踐性較好，使學(xué)生能將理論和實(shí)踐有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，而且具有一定的引導(dǎo)作用，能夠促進(jìn)學(xué)生的深層次思考。另外，在設(shè)計(jì)項(xiàng)目案例的過(guò)程中，任課教師還特別注意了難度的控制。我校是一所三本獨(dú)立院校，絕大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較差，因此項(xiàng)目的難度不能過(guò)高，比如：要求學(xué)生設(shè)計(jì)的定時(shí)中斷控制系統(tǒng)，實(shí)際上只需要一片8253和一片8259A芯片、若干電路連線(xiàn)和大約100多行8086匯編語(yǔ)言代碼就可以實(shí)現(xiàn)了。

在對(duì)項(xiàng)目分析實(shí)施的過(guò)程中，課程以學(xué)生為主體，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)其積極思考，從而不斷提高學(xué)生的理論和實(shí)踐技能。而學(xué)生在完成這些項(xiàng)目的時(shí)候，可以自己設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案、選擇實(shí)現(xiàn)平臺(tái)、方法以及項(xiàng)目組成員。另外，學(xué)生通過(guò)完成這些項(xiàng)目，還培養(yǎng)了他們的團(tuán)隊(duì)意識(shí)、表達(dá)能力，同時(shí)對(duì)各種接口技術(shù)的運(yùn)用也更加熟練。

三、改革《微機(jī)接口》實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升學(xué)生的系統(tǒng)能力

《微機(jī)接口》是一門(mén)對(duì)實(shí)踐性要求很高的課程，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成功就無(wú)法實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。任課教師在設(shè)計(jì)、安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)遵循由簡(jiǎn)到難、由軟到硬、從驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)到綜合性實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，使學(xué)生能夠從簡(jiǎn)單的單個(gè)芯片實(shí)驗(yàn)，逐步過(guò)渡到能夠獨(dú)立完成一個(gè)小的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

Proteus是英國(guó)Labcenter Electronics公司開(kāi)發(fā)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件。Proteus擁有豐富的元器件模型、提供對(duì)8086、ARM7、PIC等主流處理器的支持；具有多樣的虛擬儀器、強(qiáng)大的圖表分析功能和第三方集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。在Proteus出現(xiàn)前，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般都要在實(shí)驗(yàn)箱上完成，學(xué)生只有在上實(shí)驗(yàn)課時(shí)才能動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，不僅靈活性差，硬件電路不便改動(dòng)，而且也不利于系統(tǒng)能力的提高。當(dāng)前，利用Proteus等仿真軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)已經(jīng)成為電子技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)[4]。

在本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，作為現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，教師通過(guò)引入Proteus仿真軟件作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，解決了實(shí)驗(yàn)受限于時(shí)間、地點(diǎn)、設(shè)備的問(wèn)題。例如，上文所談到的一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在上實(shí)驗(yàn)課的時(shí)候?qū)W生因?yàn)闀r(shí)間因素沒(méi)有完成，教師就布置學(xué)生在課下使用Proteus仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)去做，也達(dá)到了同樣的實(shí)驗(yàn)效果。另外，筆者通過(guò)合理設(shè)計(jì)、安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等方法來(lái)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，并采用觀察法、學(xué)生成績(jī)定量分析法、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)法對(duì)這些方法的教學(xué)效果進(jìn)行總結(jié)并不斷提出改進(jìn)的建議，從而不斷提升學(xué)生的系統(tǒng)能力。

四、加強(qiáng)《微機(jī)接口》教材建設(shè)，為教學(xué)改革創(chuàng)造條件

為了實(shí)現(xiàn)本文中所提出的教學(xué)理念和方法，作為現(xiàn)有教材的補(bǔ)充，筆者編寫(xiě)了名為《基于Proteus的微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)》的實(shí)驗(yàn)教材。該教材采用邊編寫(xiě)、邊使用的原則，即編寫(xiě)完成的實(shí)驗(yàn)案例，馬上投入教學(xué)當(dāng)中使用。教材編寫(xiě)采用由淺入深的原則，教材中的所有實(shí)驗(yàn)都以Proteus仿真軟件為平臺(tái)，從而使得實(shí)驗(yàn)方式更為靈活。另外在教材中加入有關(guān)嵌入式微處理器編程的內(nèi)容，也對(duì)現(xiàn)有教材的內(nèi)容進(jìn)行了更新和擴(kuò)充。

五、結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的要求，無(wú)疑給計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)教師帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[5]。

筆者在《微機(jī)接口》課程中，通過(guò)課程內(nèi)容的調(diào)整、教學(xué)方法和教學(xué)手段的改進(jìn)等方法進(jìn)行了理論教學(xué)的改革；通過(guò)引入Proteus仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、合理設(shè)計(jì)并安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等方法來(lái)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量；通過(guò)加強(qiáng)《微機(jī)接口》教材建設(shè)，為教學(xué)改革創(chuàng)造了必要的條件。實(shí)踐證明，以上的教學(xué)改革方法在《微機(jī)接口》課程教學(xué)中是切實(shí)可行的，并收到了較好的教學(xué)效果。在學(xué)校2013-2014（2）學(xué)期的教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)中，學(xué)生對(duì)《微機(jī)接口》任課教師的評(píng)分為91分，表明學(xué)生對(duì)于本課程的滿(mǎn)意程度還是比較高的。

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