“微机原理与接口技术”课程中学生计算思维培养模式探索

侯彦利

（吉林大学公共计算机教学与研究中心，吉林长春 130025）

“微机原理与接口技术”公共课是高等学校计算机基础课程教学体系中主要面向工科学生开设的核心课程之一。它是一个内容庞杂、先修知识要求较多、体现整体系统认知与应用能力的课程。通过本课程的学习，学生可以了解和掌握微型计算机硬件系统基本组成、工作原理及接口电路的基本设计方法，初步具备用汇编语言进行程序设计的能力，学习通过软件控制硬件的方法，为以后从事计算机控制和信息处理等领域的研究打下基础。目前，计算机作为一个“快速计算或者自动化控制”的工具的认知还是很普遍，计算机基础教学的目的就是教学生学会使用这个工具，培养学生运用这个工具的能力。

1 计算思维及计算思维能力的培养

计算机是无数的计算机科学家多年研究建设的结果，这个结果蕴含了大量的科学思维逻辑，形成了计算机技术的基本概念、基本方法，是这种思维造就了计算机，这种思维是计算机的精华和灵魂。计算思维是从思维角度体现计算机科学与技术，是运用计算机科学技术的基本概念、基本思想去组织行为、进行问题求解、完成系统设计的思维活动。虽然我们往往通过计算机的软硬件，以及计算机的使用去体会计算思维，但计算思维是比计算机软硬件设计能力、比计算机的使用能力更抽象，对促进其他学科的发展更重要的一种意识与思维方式。

文献[2]对计算思维概念以及计算思维能力的培养进行了较系统的阐述。文献[3-4]给出了一个多视角的计算思维描述：“计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题阐释为如何求解它的思维方法；计算思维是一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法；计算思维是一种采用抽象和分解的方法来控制庞杂的任务或进行巨型复杂系统的设计，是基于关注点分离的方法；计算思维是一种选择合适的方式陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法；计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法；计算思维是利用启发式推理寻求解答，即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法；计算思维是利用快速计算处理海量数据，在时间和空间之间、在处理能力和存储容量之间进行折中的思维方法”。

由计算机当前已取得的巨大成就，不难看出计算思维是融入当前每个人的工作和生活、无处不在的一个解决问题的思想源泉。在当今社会，计算思维方式的养成是多方面的。对于非计算机专业的大学生，公共计算机基础课程是培养其计算思维的主要教学内容。这些课程体系以往虽然也注意到了文化层面的计算知识与能力的培养，但教学目标主要强调操作能力、应用开发能力、研究创新能力的培养；对于理工科非计算机专业学生，主要从算法实现能力、数据归纳能力、程序设计能力以及一定的硬件技术基础与设计能力[5]。近些年，随着计算思维的提出，计算思维能力培养越来越受到重视。首届“九校联盟（C9）计算机基础课程研讨会”上，与会专家全面分析了计算机基础教学现状，对一系列有关计算机基础教学发展问题进行了探索，提出“大学生学习计算机基础课程，不仅要了解计算机是什么，计算机能够做什么、如何做，而且还要知道这个学科领域解决问题的基本方法与特点，即学习这个学科领域解决问题的基本思维方法。计算机作为通识教育的重要内容，不只是简单地拓展学生在计算机方面的知识面，更需要展现计算机学科的思维方式”[6]，认为“计算思维能力的培养正是大学计算机基础教学的核心任务”[6]。

随着计算机知识的普及以及使用能力的普遍提高，有质疑大学计算机基础课程开设的必要性的观点。而计算思维的培养需求不仅说明了计算机基础课程的必要，同时也反映了随着计算机的深入发展以及在人类活动中的重要性提高，计算机基础教育的需求目标在不断提高，也为新的计算机基础教学课程体系建设提出了一个基本的出发点。在重新梳理原有课程体系基础上，逐渐形成以计算思维培养为目标的框架。“微机原理与接口技术”是机电类专业学生的重要计算机基础课程。依据课程特点，探索在教学中深化计算思维能力培养模式具有重要意义。

2 “微机原理与接口技术”课程的特点及计算思维能力的培养

“微机原理与接口技术”是计算机基础教学体系中“系统平台与计算环境”知识领域的深入课程。“微机原理与接口技术”课程的内容主要包括微型计算机基础、微处理器及总线、指令系统及汇编语言、存储器技术、输入输出技术、接口电路及应用[7]。

“微机原理与接口技术”是通过某款具体的微处理器为核心展开课程内容，其直接的教学过程是讲解一个系统，通过实例讲原理以及知识和应用；而其它课程往往是讲解计算机科学技术的一个方面的知识、理论或技术。给学生一个具体的、由基础的电路构成的计算机系统，并自动实现计算的可看的东西，可使其对计算机的“计算”会有更本质的认识。尤其对于机电类专业来说，微型计算机不仅可以在计算、信息处理等方面使用，而且很重要的一个方面是在本专业系统设计中的嵌入式应用，即把微型机作为本专业系统的一个部件使用。如在机械系统设计中，传统的方式是输入——机械系统——输出（图1）；这里所有功能实现基于机械的原理与部件；而有计算思维的问题解决方案中，在从一开始的考虑中“计算”就是其可选择使用的基础手段；就会给出基于“计算”的系统设计（图2）。而计算部分的嵌入能够把复杂的过程进行转化分解，使系统能够实现一个全机械系统无法比拟的功能。

图1 纯机械系统

图2 嵌入“计算”的机械系统

“微机原理与接口技术”虽然一般被认为其主体是硬件课程，但实质它讲述的是一个计算系统，除了硬件结构，也包含了数据结构、程序设计、编译以及程序执行的一些思想和概念，甚至涉及存储器管理、接口管理等操作系统问题。虽然“微机原理与接口技术”基于的计算环境是微型计算机系统，但对于没有开设过“计算机组成原理”类课程的非计算机专业学生来说，通过本门课程了解计算机在指令级的软硬件如何配合实现自动计算的基本过程，以及很多计算机组成原理方面的知识。

总之，从计算思维能力培养角度，应当注意通过指令基本执行过程的学习加深对计算机自动实现计算的理解；通过数据编码及代码数据存储与表示的知识说明代码与数据的关系；通过硬件的总线与层次结构说明采用抽象分解方法处理庞杂任务及复杂系统设计的方法；通过强调微机软硬结合的基本工作过程，加深把算法嵌入在各种系统中的基本技能；注意在“串行与并行数据传输”、“时序及同步控制”等内容的学习中体会时间和空间的折中思维方式。

3 “微机原理与接口技术”实验教学的计算思维能力的培养

“微机原理与接口技术”是一门实践性、设计性很强的课程。实验课程的教学内容及方法对学生计算思维的培养有很大影响。在实验内容设置、实验过程组织、实验指导等方面应当强化计算思维的养成。“微机原理与接口技术”实验课程一般包括操作性基础实验、综合性实验和专业应用性实验。

(1)对于操作性基础实验，不仅要让学生学习软硬件的基本操作使用以及对基本原理的验证，而且要启发学生思考这些基本的器件及原理在计算机以及基于计算机的系统中，解决了哪些为实现“计算”必须实现的基本需求，说明了哪些有关“计算”的基本规律。(2)对于综合性技能实验，不仅要了解掌握计算机解决实际问题的技术与方法，而且要引导学生思考掌握怎么基于计算机科学与技术的基本知识、基本原理、基本算法、基本器件构建解决实际问题的技术方法。(3)对于专业性应用实验，不仅要培养学生利用计算机技术与方法解决其他专业领域问题的综合能力，而且要培养学生在问题求解、系统设计中突破专业界限的能力。把计算机科学与技术方法与本专业理论技术方法，在思维方式层面上融入一起，有机结合在问题的求解方法和系统的设计方案中。

4 结语

计算思维的理解以及计算思维能力的培养方法都处在一个不断发展的过程。与其它计算机基础课程一样，把计算思维能力的培养作为“微机原理与接口技术”公共课教学的核心任务，需要一个过程；形成较为系统的能够体现计算思维能力培养的教学方法，更需要一个不断探索和实践的过程。推进计算思维能力培养的计算机基础教学，需要教师学习、体会并深入理解计算思维概念以及计算思维能力；计算机基础教学组织要积极推出课程体系建设指导意见；逐渐形成配套的教材以及教学环境；教学内容及重点突出有利与计算思维培养的部分；课程讲授及实验指导要达到能体现出计算思维的层次。

[1]田辉,徐惠民.“微机原理与接口技术”课程体系与内容探讨[J].中国大学教学,2010(4):35-36.

[2]李廉.计算思维——概念与挑战[J].中国大学教学,2012(1):7-12.

[3]Jeannette M.Wing.Computational Thinking[J].Communications ofthe ACM,2006,49(3):33-35.

[4]陈国良,董荣胜.计算思维与大学计算机基础教育[J].中国大学教学,2011(1):7-11.

[5]中国高等院校计算机基础教育改革课题研究组.中国高等院校计算机基础教育课程体系[M].北京:清华大学出版社,2008.

[6]何钦铭,陆汉权,冯博琴.计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养——《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》解读[J].中国大学教学,2010(9):5-9.

[7]教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会.高等学校计算机基础教学发展战略研究报告——暨计算机基础课程教学基本要求[M].北京:高等教育出版社,2009.