新工科背景下微機(jī)原理與接口技術(shù)教學(xué)改革探析

摘要：文章討論了“新工科”背景下微機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)改革問題。提出了基于課程體系的教學(xué)指導(dǎo)思想；與時俱進(jìn)不斷更新理論教學(xué)內(nèi)容；設(shè)計了全新的軟件實驗項目并改進(jìn)硬件實驗項目提高學(xué)生創(chuàng)新能力；課程網(wǎng)站中設(shè)計了課堂測試和課后作業(yè)環(huán)節(jié)檢測教學(xué)效果；改進(jìn)了出勤考核方法提高到課率。實踐證明這些改革和建設(shè)對于教學(xué)質(zhì)量的提高有顯著作用，符合“新工科”對于課程建設(shè)的要求。

關(guān)鍵詞：新工科；微機(jī)原理與接口技術(shù)；教學(xué)改革；探析；實踐

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）27-0161-03

0 引言

為主動應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)，主動服務(wù)國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展和“一帶一路”“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等，加快工程教育改革創(chuàng)新，培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，支撐產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，教育部于2017年2月開始積極推進(jìn)新工科建設(shè)，努力探索工程教育的中國模式，培養(yǎng)具有中國特色的具有創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才，助力我國的高等教育強(qiáng)國建設(shè)[1]。此后，我國高校的工科專業(yè)圍繞工程教育改革的新理念、學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學(xué)的新質(zhì)量、分類發(fā)展的新體系開展了大量的研究和實踐，取得了大量的理論研究成果和實踐成果。這種面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教育教學(xué)改革致力于提高工科學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與動手實踐能力，有助于高等院校建立更加完善的教學(xué)規(guī)章制度，制定更加符合工程教育規(guī)范的課程計劃，從而能進(jìn)一步構(gòu)建更加完善的新型教育管理體系，為國家和社會提供更多專業(yè)水平高、具備多專業(yè)知識整合能力與創(chuàng)新意識的新時代優(yōu)秀工科人才[2]。

專業(yè)是人才培養(yǎng)的基本單元，教學(xué)改革改到要處是專業(yè)；課程是人才培養(yǎng)的核心要素，教學(xué)改革改到深處是課程[3]。為滿足國家對新工科人才的需求，各高校正在積極響應(yīng)號召，不僅開設(shè)人工智能、機(jī)器人以及云計算等新興專業(yè)及新興課程，還嘗試在傳統(tǒng)工科的課程上作出改變，以滿足新工科教育的建設(shè)和發(fā)展要求[4]。微機(jī)原理與接口技術(shù)是當(dāng)前很多高校工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在專業(yè)課程體系中占有重要地位，同時，該課程也是一門歷史悠久的傳統(tǒng)課程，為了滿足新工科對人才的需求，需要加大課程教學(xué)改革的力度。為此，文章探討了基于新工科背景下的微機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)改革。

1 課程教學(xué)目標(biāo)定位

微機(jī)原理與接口技術(shù)是吉首大學(xué)電子信息類專業(yè)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，要求學(xué)生理解和掌握數(shù)制系統(tǒng)、微處理器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理、匯編語言程序設(shè)計、接口電路的工作原理與編程、系統(tǒng)總線等，具備軟硬件緊密結(jié)合的顯著特點。通過學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生理解計算機(jī)系統(tǒng)的底層工作原理，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、匯編語言、C語言等相關(guān)知識理解和設(shè)計接口電路、編寫接口電路初始化程序等方面的能力。

微機(jī)原理與接口技術(shù)課程整合了早期匯編語言程序設(shè)計、微型計算機(jī)原理、微型計算機(jī)接口技術(shù)三門課程的內(nèi)容，節(jié)省了大量的教學(xué)時間。隨著時代發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，特別是近些年來教育部推進(jìn)新工科和一流課程建設(shè)，微機(jī)原理與接口技術(shù)原有的教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)不能適應(yīng)新的要求，需要開發(fā)新的理論教學(xué)與實驗教學(xué)體系。為此，基于現(xiàn)有條件，結(jié)合新工科和一流課程建設(shè)的新要求，做了大量研究與實踐。

2 理論教學(xué)取得的新成果

2.1 提出了課程體系的教學(xué)觀點

理論課教學(xué)提出了“基于課程體系的課程教學(xué)”觀點，并貫徹于教學(xué)實踐之中。微機(jī)原理與接口技術(shù)課程的特點表現(xiàn)為：理論簡單一看就懂；實踐要求高一做就錯；一學(xué)就忘。內(nèi)容涉及匯編語言、C語言、數(shù)字電子技術(shù)等多門課程，還涉及IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等各類繁雜的知識領(lǐng)域。在理論課教學(xué)中，需要將不同領(lǐng)域的知識有機(jī)融入其中，實現(xiàn)不同課程的有機(jī)融合，幫助學(xué)生建立課程體系的觀念[5]。

軟件教學(xué)部分，將匯編語言與C語言程序做對比討論，使學(xué)生對C語言的理解更深入。如數(shù)據(jù)類型，對于字?jǐn)?shù)據(jù)，匯編語言中用DW定義并分配2個字節(jié)的存儲空間，在Turbo C編譯環(huán)境下用int定義并分配2個字節(jié)單元，在Visual Studio C++ 6.0版本中int型數(shù)據(jù)被分配4個字節(jié)，而最新版本的一些編譯軟件中int 型數(shù)據(jù)則分配了8個字節(jié)，這與CPU字長由8位、16、32到64位的變化是對應(yīng)的，以便充分發(fā)揮計算機(jī)的性能，提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。

硬件教學(xué)部分，有機(jī)結(jié)合數(shù)字電子技術(shù)中相關(guān)的內(nèi)容，使學(xué)生理解芯片工作的底層原理。如在講授定時計數(shù)器芯片8253時，結(jié)合數(shù)字電子技術(shù)的計數(shù)器部分，回顧了計數(shù)器的各種類型。8253定時/計數(shù)器芯片采用減法計數(shù)，支持二進(jìn)制和十進(jìn)制，十進(jìn)制計數(shù)時采用8421BCD碼計數(shù)，不同計數(shù)制最大計數(shù)值不同，從而加深了本課程與數(shù)字電子技術(shù)相關(guān)知識的銜接，這種授課方法非常有利于幫助學(xué)生建立課程體系的觀念。

在介紹基本接口芯片工作原理時，提出思考問題“早期的計算機(jī)主板上有這些基本的接口芯片，現(xiàn)在的計算機(jī)主板上則找不到這些芯片，這是為什么？這些芯片的學(xué)習(xí)還有價值嗎？”早期芯片的設(shè)計水平和制造水平有限，故而在主板上安裝了多個獨立的芯片，現(xiàn)在芯片的設(shè)計水平和制造水平極高，能夠把多個芯片加以集成。目前計算機(jī)的主板上除了CPU以外，還有兩塊規(guī)模巨大的芯片，分別稱為“北橋”和“南橋”，北橋負(fù)責(zé)高速數(shù)據(jù)通信，南橋則控制低速的I/O，早期獨立芯片的功能就集成在這些橋片中，并且早期芯片所用的編程方法及分配的I/O地址均繼承了下來，以保證計算機(jī)的軟硬件兼容，這是IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，甚至將北橋芯片的功能集成到了CPU中，主板上不再需要北橋芯片，同理，南橋芯片也在進(jìn)一步整合，功能在進(jìn)一步多樣化，甚至以后可能也會消失。

2.2 構(gòu)建了新的理論課教學(xué)體系

微機(jī)原理與接口技術(shù)屬于歷史較長的課程，隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，課程內(nèi)容也在日益老化，8086/8088 CPU已經(jīng)過時，學(xué)生所學(xué)的知識難有用武之地。很多專家學(xué)者積極探討課程的教學(xué)改革，有些專家提出了采用單片機(jī)講授微機(jī)原理與接口技術(shù)的方案。但是，這種方案的缺點也非常明顯，主要表現(xiàn)在：

第一，早期的單片機(jī)系統(tǒng)有總線擴(kuò)展的需求，現(xiàn)在的單片機(jī)系統(tǒng)幾乎不需要做總線擴(kuò)展，如果需要做擴(kuò)展，開發(fā)者通常會選擇更換單片機(jī)芯片實現(xiàn)，以降低開發(fā)成本，降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)可靠性。

第二，微型計算機(jī)是一個軟硬件結(jié)合的復(fù)雜系統(tǒng)，單片機(jī)產(chǎn)品只是一個控制裝置，無法講清楚計算機(jī)系統(tǒng)。

第三，8086/8088 CPU雖然已經(jīng)過時，但是整個計算機(jī)產(chǎn)業(yè)甚至可以說IT產(chǎn)業(yè)是基于這款CPU發(fā)展起來的，后續(xù)開發(fā)出來的CPU對8086/8088 CPU做了繼承，大量早期的技術(shù)目前還在使用，區(qū)別主要在于現(xiàn)在是在一個速度更快規(guī)模更大復(fù)雜程度更高的計算機(jī)系統(tǒng)上使用。學(xué)生以后如果從事相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)工作，這些知識和技術(shù)都是必備的基礎(chǔ)。

基于各種原因，用單片機(jī)講授微機(jī)原理與接口技術(shù)的方案沒有得到大量使用。但是，8086/8088 CPU嚴(yán)重過時，現(xiàn)實中除了教學(xué)儀器以外幾乎不再使用也是事實，只有改革才有出路，要賦予舊知識新生命。目前已經(jīng)出現(xiàn)了一批新教材，融入了現(xiàn)代計算機(jī)的新技術(shù)。筆者經(jīng)過長期研究，制作了新的教學(xué)課件，吸納了新知識新技術(shù)，去掉了陳舊無用的相關(guān)內(nèi)容，課件針對課程本身而非教材，從而增強(qiáng)了課件的通用性。

3 實驗教學(xué)取得的新成果

3.1 開發(fā)了綜合性的軟件實驗項目

以前，軟件設(shè)計實驗比較簡單，學(xué)生根據(jù)要求編寫程序，使用Debug調(diào)試工具跟蹤分析得到結(jié)果，語言單一，對程序運行界面要求較少，缺乏挑戰(zhàn)。為此，精心設(shè)計了新的軟件實驗項目，顯著改善了實驗教學(xué)效果。新的軟件實驗體現(xiàn)出了高度的綜合性，要求較多并逐步提高，對培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、注重程序運行界面設(shè)計具有顯著的作用。例如，某次軟件設(shè)計實驗內(nèi)容如下：

問題描述：若1KB的數(shù)據(jù)存放在以TABLE為首地址的主存區(qū)域，請編寫程序?qū)⒃摂?shù)據(jù)塊搬到以NEXT為首地址的主存區(qū)域中，要求如下：

1） 利用MOV指令配合循環(huán)結(jié)構(gòu)編程實現(xiàn)。

2） 利用串處理指令及指令前綴實現(xiàn)。

3） 使用系統(tǒng)功能調(diào)用，顯示程序運行后TABLE 區(qū)域及NEXT區(qū)域的內(nèi)容，比較判斷是否成功地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)搬遷。

4） 在C 語言中定義TABLE 和NEXT 數(shù)組，顯示TABLE區(qū)域中的內(nèi)容，利用內(nèi)嵌匯編語言程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)搬遷，然后在C語言中顯示NEXT區(qū)域的內(nèi)容，比較判斷是否成功地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)搬遷。

實驗課題只有一個，但是要求學(xué)生通過不同的方法“玩轉(zhuǎn)”該題目。前兩點要求用不同的指令實現(xiàn)；第三點要求設(shè)計程序運行界面，直觀地顯示程序運行的結(jié)果，而不是用Debug程序調(diào)試分析；第四點要求采用匯編語言和C語言混合編程實現(xiàn)，發(fā)揮兩種語言各自的優(yōu)勢。

該實驗項目的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的軟件實驗，對學(xué)生編程能力的培養(yǎng)有顯著的作用，指導(dǎo)老師編寫了示例程序演示運行的效果供學(xué)生參考，示例程序的數(shù)據(jù)段定義如圖1所示。

在另外一個軟件實驗項目中，要求學(xué)生編寫程序輸入一個以“#”為結(jié)束符的字符串，統(tǒng)計輸入的數(shù)字字符、大寫字符、小寫字符及其他字符的個數(shù)，并顯示字符個數(shù)。示例程序數(shù)據(jù)段定義如圖2所示。

新的軟件實驗要求直觀顯示程序運行結(jié)果，而不是用Debug程序跟蹤調(diào)試。要完成結(jié)果顯示，涉及系統(tǒng)功能調(diào)用、代碼轉(zhuǎn)換等多方面的問題。此外，還要注意程序的編排格式、符號取名、注釋編寫等各個細(xì)節(jié)，顯著提高了編程的趣味性和挑戰(zhàn)性，編程能力對于接口程序的編寫具有非常重要的意義。

3.2 設(shè)計了新的硬件實驗項目

以前，硬件實驗通常采用實驗箱自帶的實驗項目，這種教學(xué)方式存在明顯的缺陷，主要表現(xiàn)為：

第一，學(xué)生對CPU引腳信號缺乏深入理解，對硬件連接的底層原理不清楚。

第二，學(xué)生按照實驗指導(dǎo)手冊完成實驗操作，需要學(xué)生思考的問題少，限制了學(xué)生主觀能動性的發(fā)揮。

第三，學(xué)生需要自己編寫的程序很少，絕大多數(shù)同學(xué)照抄實驗系統(tǒng)自帶的源程序完成實驗報告，敷衍應(yīng)付了事，對培養(yǎng)學(xué)生編程能力的作用甚少。

針對傳統(tǒng)硬件實驗教學(xué)存在的問題，重新設(shè)計了實驗項目。

為了加深對CPU引腳信號的理解，某次實驗要求利用Proteus軟件繪制8086最小系統(tǒng)電路原理圖，使用的器件包括74LS245和74LS373，極大地促進(jìn)了學(xué)生對8086 CPU引腳信號含義、總線產(chǎn)生方法以及硬件連接邏輯的理解。

為了防止學(xué)生照抄實驗箱程序，根據(jù)硬件原理圖提出了新的要求，新要求盡最大可能保證學(xué)生必須自己編寫控制程序，而不是運行系統(tǒng)自帶的程序并在實驗報告中照抄實驗箱源程序簡單敷衍了事。

例如，在D/A轉(zhuǎn)換實驗中，需要產(chǎn)生方波和三角波信號，并用示波器觀察波形。但實驗室沒有配備示波器，也沒有虛擬示波器可用。因此，將實驗項目做出修改，利用實驗箱上的發(fā)光二極管顯示信號。

周期性地給轉(zhuǎn)換器輸入立即數(shù)00H和0FFH，給轉(zhuǎn)換器輸入00H時發(fā)光二極管熄滅，給轉(zhuǎn)換器輸入0FFH時發(fā)光二極管發(fā)亮，可以演示方波信號的效果。

依次給轉(zhuǎn)換器輸入00H、01H、02H、...、0FFH，每送一個立即數(shù)做短暫延時，然后從0FFH開始，依次減1，一直減到00H，如此循環(huán)。可以觀察到發(fā)光二極管逐步變亮，到達(dá)最亮?xí)r再逐步熄滅，如此反復(fù)，把三角波信號的效果演示出來。

在A/D轉(zhuǎn)換實驗中，把A/D轉(zhuǎn)換器、8255、發(fā)光二極管結(jié)合起來，設(shè)計綜合性的實驗，還可以把8253、8259集成到實驗中，設(shè)計一個規(guī)模更大的綜合性實驗項目，這些做法都能有效地促進(jìn)學(xué)生主動思考，避免簡單地按照實驗手冊連線然后運行自帶程序敷衍了事。

4 構(gòu)建了新的課程測試手段，初步建成了課程網(wǎng)站

課程測試是了解學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的重要手段。在以前的教學(xué)中，課堂作業(yè)參與的學(xué)生人數(shù)不多，參與程度不高，教師批改課后作業(yè)工作量巨大，缺乏作業(yè)講解，且當(dāng)前學(xué)生均有手機(jī)，手機(jī)入袋工作的推進(jìn)難度大，效果不好。

針對傳統(tǒng)作業(yè)方式存在的問題，加大了課程網(wǎng)站建設(shè)的力度。包括：第一，設(shè)計了十余套課堂測試題，設(shè)置了參考答案，每次測試的時間為10分鐘，學(xué)生用手機(jī)或平板電腦登錄學(xué)習(xí)通完成課堂練習(xí)，把手機(jī)和平板電腦變成了學(xué)習(xí)的工具，學(xué)生完成答題并提交后即可知道自己的分?jǐn)?shù)和對錯，對錯誤較多的習(xí)題由教師當(dāng)堂講解；第二，針對各章內(nèi)容設(shè)計了多套課后測試題，設(shè)置了參考答案和完成時間，便于學(xué)生完成后查找問題所在，對于普遍存在的問題則加以講解，有效解決了傳統(tǒng)作業(yè)批改存在的缺陷，如圖3、圖4所示。

每次課堂測試因為題量和難度的不同，再考慮到學(xué)生填寫答案并提交均需要時間，設(shè)定完成的總時間大致為10多分鐘，完成后做批量批改，可以查看到每一位同學(xué)的分?jǐn)?shù)和出錯的題目，系統(tǒng)還記錄了缺交的名單，為期末計算平時成績提供了依據(jù)，學(xué)生普遍反映課堂測試對于掌握所學(xué)知識具有顯著的作用。

為了提高學(xué)生的到課率，每次上課前學(xué)生用手機(jī)簽到。用手機(jī)掃二維碼或者使用位置簽到，后來發(fā)現(xiàn)有漏洞，學(xué)生把二維碼發(fā)給未到的同學(xué)，位置簽到也有缺陷，沒有進(jìn)教室而在設(shè)定的距離范圍內(nèi)的同學(xué)也能簽到。后來采用二維碼簽到，但是把掃碼時間設(shè)定為1分鐘左右，遲到的學(xué)生由教師予以標(biāo)注遲到原因，以便教師準(zhǔn)確了解學(xué)生出勤情況，沒有進(jìn)教室的學(xué)生來不及反應(yīng)簽到就結(jié)束了，極大地降低了簽到作弊的發(fā)生，在期末計算出勤分的時候就有了更客觀公正的依據(jù)，師生之間簡直就是“斗智斗勇”。

5 結(jié)束語

“新工科”“一流本科課程”等新理念對課程教學(xué)及課程建設(shè)提出了全新的要求，微機(jī)原理與接口技術(shù)按照“課程體系”的教學(xué)觀點，在理論教學(xué)、實驗教學(xué)、教學(xué)效果檢測等多方面進(jìn)行了研究與實踐，對傳統(tǒng)工科課程按新的要求進(jìn)行全方位的深化改革，以適應(yīng)新時代對于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新要求，取得了較好的教學(xué)效果，學(xué)生所學(xué)知識及創(chuàng)新思維方式在學(xué)科競賽中也發(fā)揮了重要的作用。

在以后的教學(xué)中將進(jìn)一步加大教學(xué)改革與建設(shè)的力度，具體包括：針對教學(xué)的重點難點問題錄制短視頻、進(jìn)一步豐富軟硬件實驗項目、增加Proteus軟件仿真實驗、繼續(xù)豐富課堂測試及課后測試題庫等。教學(xué)改革永遠(yuǎn)在路上，只要緊跟時代，勤于思考和實踐，就會發(fā)現(xiàn)很多值得研究的問題，把教學(xué)改革最終落實到課程建設(shè)上，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高，促進(jìn)“新工科”等新要求的落地。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李忠，高波，康燦.新工科背景下卓越工程人才實踐教學(xué)改革探索[J].高等工程教育研究，2019（S1）：36-38.

[2] 林健.新工科專業(yè)課程體系改革和課程建設(shè)[J].高等工程教育研究，2020（1）：1-13，24.

[3] 吳巖.深化“四新” 建設(shè)走好人才自主培養(yǎng)之路[J].重慶高教研究，2022，10（3）：3-13.

[4] 左國玉，雷飛，喬俊飛.新工科背景下面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的微機(jī)原理與應(yīng)用課程改革[J].計算機(jī)教育，2021（2）：108-112.

[5] 向繼文.基于課程體系的原碼、反碼和補(bǔ)碼教學(xué)研究[J].電腦知識與技術(shù)，2022，18（36）：154-156，159.

【通聯(lián)編輯：王 力】

基金項目：吉首大學(xué)2023 年校級精品在線課程（JSUMK202324） ；2021 年湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目——“新工科”背景下《數(shù)字電子技術(shù)》實驗教學(xué)改革與研究（HNJG-2021-0678）