基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的模塊化教學(xué)在微機(jī)原理與接口技術(shù)中的應(yīng)用研究

徐嘉莉 周曉清 朱曉玲

摘要：針對(duì)微機(jī)原理與接口技術(shù)課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的不足，依據(jù)教學(xué)模塊化的理念，重建微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的專業(yè)知識(shí)體系，使學(xué)生從整體觀、全局觀去掌握微機(jī)原理的基本知識(shí)及工作原理；依據(jù)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的理念，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目化，進(jìn)一步幫助學(xué)生鞏固微機(jī)原理知識(shí)、完善專業(yè)知識(shí)體系，提高硬、軟件分析設(shè)計(jì)能力。實(shí)踐證明該方法不僅能夠解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題，而且能在一定程度上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、提高學(xué)生的硬軟件分析設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)；模塊化；微機(jī)原理與接口技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）13-0152-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

微機(jī)原理與接口技術(shù)是通信工程、電子信息工程、自動(dòng)化工程等專業(yè)的基礎(chǔ)課，理論性、實(shí)踐性很強(qiáng)。該課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的微型計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力，但是，微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的傳統(tǒng)教學(xué)存在知識(shí)點(diǎn)抽象而且離散、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)較多而且考核方式單一等不足，這些導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高、對(duì)微機(jī)原理與接口技術(shù)的知識(shí)體系不夠明晰、硬軟件分析設(shè)計(jì)能力不足等問(wèn)題。

因此，將基于理論知識(shí)模塊化、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容項(xiàng)目化的理念應(yīng)用在微機(jī)原理與接口技術(shù)教學(xué)改革中，構(gòu)建完整的微機(jī)原理與接口技術(shù)的知識(shí)體系，培養(yǎng)學(xué)生的軟、硬件分析設(shè)計(jì)能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)夯實(shí)基礎(chǔ)。

1 微機(jī)原理與接口技術(shù)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的不足

1.1 知識(shí)點(diǎn)多而離散，且抽象

微機(jī)原理與接口技術(shù)課程由計(jì)算機(jī)組成原理、匯編程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與接口技術(shù)三門(mén)課融合而成，從傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容的組織來(lái)看，這三部分理論知識(shí)點(diǎn)多，相互之間比較離散且抽象，這就導(dǎo)致學(xué)生不明了微機(jī)原理與接口技術(shù)的知識(shí)體系、學(xué)習(xí)難度大、學(xué)習(xí)目的不明確，在一定程度上影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

1.2 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)較多且考核方式單一

微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要采用“實(shí)驗(yàn)箱 + 匯編集成開(kāi)發(fā)環(huán)境”模式，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)提供了實(shí)驗(yàn)所需的源程序代碼、固定的硬件連接圖、程式化的操作步驟。學(xué)生只需要機(jī)械地根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)提供的步驟就可完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。顯然，這種驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ届`活性、創(chuàng)新性不足，學(xué)生不能靈活自由地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，限定了學(xué)生的思維拓展。最后，每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)報(bào)告一模一樣，老師僅根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告來(lái)判分，不能充分體現(xiàn)學(xué)生的實(shí)際水平，有失公允[1-2]。這些都導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏積極性、主動(dòng)性，不利于學(xué)生提升軟、硬件能力，更不用說(shuō)創(chuàng)新性能力的培養(yǎng)。

2 微機(jī)原理與接口技術(shù)理論教學(xué)模塊化

微機(jī)原理與接口技術(shù)課程傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容組織如表1所示。

從表1可以看出，微機(jī)原理與接口技術(shù)包含了計(jì)算機(jī)組成原理、匯編程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與接口技術(shù)三門(mén)課的內(nèi)容，知識(shí)點(diǎn)繁多。從表 1也可以看出，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容組織方式使得各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系不夠緊密，比如，根據(jù)馮·諾依曼思想，8086微處理器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器本屬于微處理器系統(tǒng)范疇，卻分屬于第2章和第5章，中間穿插了8086指令系統(tǒng)和匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，使得知識(shí)點(diǎn)不連貫。這種知識(shí)點(diǎn)之間松散的關(guān)系會(huì)讓學(xué)生對(duì)知識(shí)的脈絡(luò)不夠清晰，加大學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。

根據(jù)教學(xué)大綱，微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的最終目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的硬件系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)能力、軟件分析設(shè)計(jì)能力和芯片應(yīng)用能力，因此，依據(jù)這三大培養(yǎng)目標(biāo)能力，根據(jù)微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的理論知識(shí)點(diǎn)之間的層次結(jié)構(gòu)和內(nèi)在聯(lián)系，結(jié)合馮·諾伊曼思想，打亂傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的組織順序，將微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的理論知識(shí)點(diǎn)整合為三大模塊：基于8086CPU的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模塊、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)模塊及接口技術(shù)模塊[3]，具體見(jiàn)表2所示。

從表2可以看出，三大教學(xué)模塊囊括了微機(jī)原理與接口技術(shù)課程所有的知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容，也契合了三大培養(yǎng)目標(biāo)能力。其中，模塊一使學(xué)生能夠較為完整地理解并掌握微型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想、基本組成、邏輯結(jié)構(gòu)及各部分的功能特征，乃至8086微處理器的典型時(shí)序及操作，提升硬件系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)能力，也能輔助提升芯片應(yīng)用能力；模塊2使學(xué)生能夠掌握匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的編程思想及DOS和BIOS的功能調(diào)用，培養(yǎng)學(xué)生軟件分析、設(shè)計(jì)能力，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作原理的理解，提升硬件系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)能力；模塊三可以使學(xué)生掌握基本的接口設(shè)計(jì)方法，更進(jìn)一步加深理解并掌握微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成及工作原理，培養(yǎng)學(xué)生的芯片應(yīng)用能力，也提升學(xué)生的軟件分析及設(shè)計(jì)能力、硬件系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)能力。

顯然，依據(jù)三大目標(biāo)能力的微機(jī)原理與接口技術(shù)的理論知識(shí)點(diǎn)的模塊劃分不僅使學(xué)生能清晰掌握微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的知識(shí)脈絡(luò)，構(gòu)建完整的知識(shí)體系，而且還能使學(xué)生更加清楚地了解各個(gè)模塊最終的培養(yǎng)目標(biāo)能力，明確學(xué)習(xí)目的，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣[4]，進(jìn)而克服傳統(tǒng)教學(xué)中知識(shí)點(diǎn)多而散帶來(lái)的知識(shí)結(jié)構(gòu)混亂、學(xué)習(xí)目的不明確的缺點(diǎn)。

3 微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目化

3.1 微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目化

傳統(tǒng)的微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括4個(gè)實(shí)驗(yàn)，具體內(nèi)容如表3所示。

從表3可以看出，匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)占全部實(shí)驗(yàn)的50%，占比太重；芯片應(yīng)用占全部實(shí)驗(yàn)的50%，且只涉及教學(xué)大綱要求的芯片數(shù)的一半，這主要是因?yàn)槭軐?shí)驗(yàn)課時(shí)的限制。四個(gè)實(shí)驗(yàn)均屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)提供了相應(yīng)的電路連接圖、源代碼和操作過(guò)程，顯然，這不利于培養(yǎng)學(xué)生的軟、硬件分析設(shè)計(jì)能力及創(chuàng)新能力。而且4個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系是分割的，尤其是關(guān)于匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與后續(xù)的芯片實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并無(wú)關(guān)聯(lián)，這在一定程度上會(huì)影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

因此，依據(jù)微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，抓住CPU內(nèi)部架構(gòu)和工作原理兩個(gè)“重心”、CPU與存儲(chǔ)器和 CPU與外設(shè)進(jìn)行信息交換兩個(gè)“基本點(diǎn)”，對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編整與規(guī)劃，將單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為模塊化項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)——基于8086CPU的交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，讓學(xué)生在項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中鞏固微機(jī)原理與接口技術(shù)的基本概念和工作原理，完善知識(shí)體系，進(jìn)一步培養(yǎng)其軟硬件分析、設(shè)計(jì)能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力[5-6]。

基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)組織內(nèi)容如表4所示。從表4可以看出，基于8086CPU的交通燈系統(tǒng)項(xiàng)目將微機(jī)原理與接口技術(shù)課程中傳統(tǒng)的、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)依ㄔ谝黄稹谋?也可以看出，該綜合性項(xiàng)目分為三個(gè)模塊：8086最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊、匯編程序設(shè)計(jì)模塊、接口技術(shù)設(shè)計(jì)模塊，恰好與理論知識(shí)點(diǎn)的模塊劃分相呼應(yīng)（表2） ，也對(duì)應(yīng)三大目標(biāo)能力。模塊一要求學(xué)生基于Proteus設(shè)計(jì)一個(gè)最小系統(tǒng)，使學(xué)生掌握8086CPU最小系統(tǒng)的基本構(gòu)成，明晰地址總線和數(shù)據(jù)總線的構(gòu)成，并對(duì)8086CPU的結(jié)構(gòu)、總線時(shí)序、存儲(chǔ)器組織等知識(shí)點(diǎn)有更進(jìn)一步的理解，在一定程度上提高學(xué)生的8086硬件系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)能力。其次，模塊二包括信號(hào)燈軟件定時(shí)程序設(shè)計(jì)和緊急情況下四向紅燈的中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)兩個(gè)子項(xiàng)目，使學(xué)生更加熟練掌握8086的尋址方式和指令系統(tǒng)、匯編程序設(shè)計(jì)方法及調(diào)試，

進(jìn)一步提高學(xué)生的軟件分析、設(shè)計(jì)能力。最后，模塊三包括基于74HC373的信號(hào)燈電路設(shè)計(jì)、基于8255A的信號(hào)燈可控設(shè)計(jì)、基于8253的硬件定時(shí)設(shè)計(jì)和基于8259A的緊急情況下四向紅燈設(shè)計(jì)4個(gè)子項(xiàng)目，旨在培養(yǎng)學(xué)生的8086硬件系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)能力、芯片選型及應(yīng)用能力。

從表4可以看出，模塊二包含的子項(xiàng)目與模塊三包含的子項(xiàng)目聯(lián)系緊密，比如，“信號(hào)燈軟件定時(shí)程序設(shè)計(jì)”是“基于8255A的信號(hào)燈可控設(shè)計(jì)”的軟件部分，“緊急情況下四向紅燈的中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)”是“基于8259A的緊急情況下四向紅燈設(shè)計(jì)”的軟件部分。同樣，模塊二和模塊三都是在模塊一的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，三大模塊緊密聯(lián)系，構(gòu)成了基于8086CPU的一個(gè)完整的交通燈系統(tǒng)，這將會(huì)在一定程度上提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3.2 微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目化實(shí)施

將項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)思想引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[7-8]，事先將實(shí)驗(yàn)題目、實(shí)驗(yàn)要求通知學(xué)生，學(xué)生以小組為單位，組內(nèi)同學(xué)團(tuán)結(jié)協(xié)作，了解實(shí)驗(yàn)原理、構(gòu)思電路連接圖、編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)軟件、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，借助仿真軟件Proteus在線下、截止時(shí)間前，完成實(shí)驗(yàn)，這樣既可以培養(yǎng)學(xué)生的軟、硬件分析設(shè)計(jì)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，也能彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)課時(shí)不夠的不足；在實(shí)驗(yàn)課上，以小組為單位，選出一個(gè)學(xué)生代表向老師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示及演講，老師根據(jù)該組同學(xué)演示的情況、實(shí)驗(yàn)題目的難易程度及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題向小組內(nèi)的每個(gè)同學(xué)提問(wèn)，被提問(wèn)的學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成答辯。這樣就把驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)變成了綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。如基于8086CPU的十字路口交通燈系統(tǒng)中，針對(duì)組內(nèi)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不好的同學(xué)，要求其能講解該交通燈系統(tǒng)的工作原理等基本知識(shí)；對(duì)學(xué)有余力的同學(xué)，要求他們現(xiàn)場(chǎng)分析該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)、不足，引導(dǎo)學(xué)生從硬件、軟件部分對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并讓優(yōu)秀的同學(xué)帶領(lǐng)基礎(chǔ)差的同學(xué)一起進(jìn)步。最后，教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)演示、答辯的情況，結(jié)合實(shí)驗(yàn)報(bào)告給出實(shí)驗(yàn)成績(jī)，克服了僅憑實(shí)驗(yàn)報(bào)告、不重實(shí)驗(yàn)過(guò)程的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法帶來(lái)的缺點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目化不但讓學(xué)生了解了實(shí)驗(yàn)必須具備的基本理論，還舉一反三，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)知識(shí)模塊之間的融會(huì)貫通，極大地提升了學(xué)生硬軟件分析設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，而且重視過(guò)程的實(shí)驗(yàn)考核方式也改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)考核方式，極大地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用模塊化的教學(xué)理念，使微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)的各理論知識(shí)點(diǎn)模塊之間的內(nèi)容層次及邏輯更加清晰，使學(xué)生更容易理解、接受。基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生進(jìn)一步完善“微機(jī)原理與接口技術(shù)”的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，提升軟、硬件分析設(shè)計(jì)能力，進(jìn)一步提升自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

通過(guò)隨堂師生互動(dòng)、學(xué)生為主導(dǎo)的習(xí)題課、問(wèn)卷調(diào)查、實(shí)驗(yàn)課答辯情況以及期末教學(xué)評(píng)價(jià)可知，基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的微機(jī)原理與接口技術(shù)課程模塊化教學(xué)方式不僅能克服傳統(tǒng)教學(xué)的缺點(diǎn)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，還能在很大程度上提升學(xué)生的軟、硬件分析設(shè)計(jì)能力及芯片應(yīng)用能力。

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【通聯(lián)編輯：王力】