《微機原理與接口技術》教學方法研究

姚靜，張玲，陳廣

（湖北大學計算機與信息工程學院，武漢430062）

0 引言

《微機原理與接口技術》是大學工科專業學生學習和掌握計算機硬件知識、建立計算機系統概念以及匯編語言程序設計方法的主要課程。其任務是使學生掌握微型計算機的基本組成、工作原理、接口技術，及其與系統的連接，從而建立起微型計算機的整機系統概念，并在此基礎上使學生具備微型計算機系統軟、硬件開發的初步能力，是一門理論性和實踐性并重的課程。

《微機原理與接口技術》的教學內容不僅包括計算機硬件基礎知識，還包括匯編語言程序設計，在確保基本理論的前提下還要與實際應用相結合，涉及到的知識點相互邏輯關系不清晰，內容零散，很難形成一個完整的認知結構體系，因此學生普遍認為這門課概念抽象，感性認識差，感到難學難懂。為此，筆者根據長期的教學經驗，在該課程的教學方法上進行了一些研究。

1 教學現狀分析

隨著電子技術的發展，計算機軟硬件技術發展迅猛，微機原理這門課程不僅要學習計算機的基本原理，還要讓學生了解現代技術在微機中的應用，但是實際面臨著課時縮減，教材內容落后，教學手段單一，實驗設備不直觀等問題。

1.1 教學內容難取舍

目前國內大多數院校該課程還是選用以8086機型為主的16位微機結構進行講解，而電子技術的飛速發展，如今微處理器已經全面進入64位機市場，教學內容嚴重滯后實際應用，學生書本上所學習的知識無法與實際的計算機聯系起來，從而導致學生學習興趣不大。

針對這一現狀，很多教師也嘗試進行教學內容的改革，由于教學課時的限制，沒法按照先易后難，先16位機再32位機的方式進行講解，有些學校直接以32位Pentium系列微機為硬件范例進行講解，但學生沒有微機系統的基本概念，感覺起點高，難度大，很多知識點學生難以理解，最終也難以保證教學效果。

1.2 教學方法單一

微機原理涉及的內容雖不深奧，但是非常抽象、瑣碎，各個章節的內容互相交叉。例如，第一部分介紹CPU的組成結構，將學習CPU內部多個寄存器以及標志寄存器的九個標志位的定義，其中涉及中斷允許標志位IF和串操作方向標志位DF，而中斷和串操作的概念在后面章節才會學習到，學生一開始對這些概念缺乏感性的認識，如果我們還是按照傳統的教學方法是先理論后實際，先原理后應用，整個課堂教學過程中學生基本上是被動灌輸，容易產生厭煩情緒，整個課堂缺乏師生互動，難以調動學生的學習積極性和主動性。

1.3 實驗設備不直觀

微機原理與接口技術是一門理論與實際相結合的課程，需要通過實驗來加深理論知識的理解，但是目前所采用的實驗箱并不能提供一個完整的基于8086的微機系統，往往是通過PCI插槽或者USB總線將臺式機總線引出，然后在實驗箱上完成一些接口的驗證性實驗，學生無法將實驗對象與整機系統對應，往往只是機械接線編程，而無法解釋實驗現象，不能達到預期的實驗效果。

2 教學改進方案

2.1 教學內容設計

《微機原理與接口技術》課程涉及的知識點比較零散，學生很難建立這一課程的整體認知結構，也就是頭腦中很難形成這門課程各部分內容及各部分的相互聯系和層次關系的框架，作為教師講授這門課首要的任務就是幫助學生在頭腦中建立這門課程的認知結構，因此在教學內容的設計上采用先整體再部分的方式進行，首先介紹微機的硬件結構：CPU，存儲器，I/O接口，總線，然后從馮·諾依曼計算機的設計思想：存儲程序與程序控制出發，分析各部分的功能以及計算機的工作原理，讓學生建立整機的初步概念，以及這門課程的整體架構。接下來教學從硬件和軟件兩部分展開，硬件按照組成結構，從CPU、存儲器、I/O接口這幾個方面進行教學，在存儲器與I/O接口的講解過程中一定要強調它們與CPU的總線連接和信息交互方式，這樣學生學習的過程中就不會孤立地去看待每一個芯片，而是看作整機系統的一部分，是相互有機地聯系在一起的。軟件部分教學的主要內容是匯編語言程序設計，首先要告訴學生為什么要學習匯編語言，匯編語言最能反映計算機的工作過程，通過匯編語言的學習能幫助我們進一步理解計算機的工作原理，在教學過程中教師要盡量突出這一思想，這樣可以增強學生的學習興趣，提高學生的學習積極性。

該課程的授課對象涉及不同專業，課程的側重點，講授學時不同，教學內容的設計要能體現不同的層次需求。總體上可以規劃為基礎部分與提高部分兩大模塊，基礎部分還是以Intel系列16位微處理器為硬件范例，從16位微機入手學習微機的組成結構與工作原理，便于學生建立微機系統整機的概念，基礎部分為重點講授內容，必須保證足夠的課時，有了這一基礎才能進入提高部分的學習。提高部分介紹32/64位Penti?um系列微處理器結構，這一部分的教學以課堂討論的形式，主要分析32/64位微處理器與16位微處理器CPU的結構，工作原理以及設計思想的不同，對比16位機它們的優勢在哪里？引導學生自己分析CPU發展的趨勢與方向，從而提高學生的主觀能動性，培養獨立思考能力。

2.2 教學方法和手段

為了使教學內容更加形象具體，在教學過程中要合理應用多種教學方法與手段。《微機原理與接口技術》課程涉及到的原理對于學生來說比較難理解，授課教師如果只是照本宣科的講授，學生就會陷入被動接受的狀態，課堂中很容易出現思維疲勞，為了更有效地調動學生的學習積極性，授課教師應該更多的利用啟發式教學方法。教授過程可以從功能出發反推結構，然后再上升到原理，這樣學生可以帶著問題來理解工作原理與組成結構。例如，教師在講解CPU原理結構時，可以首先從計算機的設計思想：存儲程序與程序控制出發，要實現存儲程序與程序控制，那么一個微機就必需包括存儲設備與控制器，從而可以展開存儲器編址，CPU取指令，指令執行等工作過程的學習，這樣學生帶著問題來學習原理更容易接受。

目前高校大部分課程都采用多媒體PPT教學，教學實踐中發現如果僅僅采用這種方式，課堂教學感覺比較單調，并且某些教學內容的過程與思想不容易體現，因此教師在授課過程中應該根據授課內容適當的選擇板書、動畫、幻燈等多種方式來組織教學。在原理部分應該更多的應用動畫來表現，在講解微機總線結構與控制字原理時，設計了圖1所示動畫框，這里有寄存器A、B、C、D，點擊寄存器對該寄存器對應的控制字進行設置，然后點擊CLK，可以在總線上實時觀察在時鐘控制下數據在寄存器中的流通過程，從而非常形象地描述了總線結構數據交換過程以及控制器的功能。通過動畫設計將理性思維與感性思維有機的結合起來，使枯燥難懂的內容變得容易理解，學生的學習興趣會大大提高。

圖1 總線與控制字動畫示意圖

實踐證明，靈活應用多種恰當的教學方法，能有效調動學生的學習積極性，激發他們的學習興趣，教學效果反饋良好。

2.3 實踐教學環節模式改進

《微機原理與接口技術》實踐教學是該課程的重要環節，是培養信息技術類學生動手能力、創新能力與綜合應用能力不可或缺的組成部分。傳統的實驗模式一般采用實驗箱進行，往往通過USB接口將PC系統總線引出，然后在實驗箱上實現端口地址譯碼，8255、8253等接口芯片的擴展設計，這種方式學生看不到微處理器，芯片都固定在實驗箱上，內部很多電路已經連接好了，學生無法自己選擇芯片，自己設計電路以及自己規劃地址，甚至實驗完成后學生都沒有搞清楚各個部分的連接關系。為了進一步提高學生對微機整機結構的認識，以及系統設計的能力，可以在實驗教學過程中引入仿真軟件Proteus，可以將Proteus仿真訓練與傳統的實驗箱實踐過程有機結合起來，實驗初期應該從一個簡單的實例出發，讓學生首先完成Proteus仿真實驗，這樣能加深學生對系統結構的認識與理解，有了這一認識基礎，學生在實驗箱上進行接口實驗設計時就能更好地理解電路結構與工作過程，學生的學習主動性與積極性也得到提高，從而培養了學生的綜合設計與創新能力。

3 結語

《微機原理與接口技術》課程旨在幫助學生建立計算機系統整機概念，培養學生硬件與軟件的分析設計能力，為今后深入學習嵌入式系統開發打下堅實的理論基礎。針對目前教學中存在的問題，本文從教學內容設計，教學方法選擇以及實踐教學模式擴充三個方面提出了一些改進措施，教學是一門藝術，好的方法能激發學生的學習熱情，培養學生的創新精神和實踐能力，湖北大學的大多數學生對《微機原理與接口技術》課程的教學效果表示滿意，教學過程中學生們普遍對教學內容感興趣，課堂與實踐教學中師生互動多，學生學習積極性高，取得了良好的教學效果。

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