《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程的教学设计研究

陈客松，庞晓凤，张徐亮，彭晓燕

(电子科技大学 电子工程学院，成都 611731)

国内不少高校的“微机原理及接口技术”课程从20世纪90年代开始就以Intel X86 CPU为主线，系统介绍微型计算机的基本知识，基本组成，体系结构和工作模式［1］。尽管有的高校选用英文原版教材《Intel系列微处理器体系结构编程与接口》，它仍然是以Intel X86 CPU为主线的。其主要讲授内容仍缺乏对计算机微处理器系统的组成原理、系统结构，尤其是微处理器内部结构的剖析和理解，对学生的微处理器系统的硬件/软件协同设计，底层驱动设计等工程能力的培养不够重视，出现了课程落后于技术发展，教学脱离实际，教育与行业脱节的情况［2－4］。

近四年来，电子科技大学微机原理及接口技术课程组开始讲授自编新教材《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》，第二版已由电子工业出版社出版。这一教学改革适应了以32位嵌入式芯片为主线的“微机原理与接口技术”课程的新形势，还有清华大学出版社出版的《嵌入式微机原理及应用》《嵌入式32位微处理器系统设计与应用》等教材，其中的主要内容适应了IP core、FPGA等新技术和新理论的发展趋势。进入新世纪以来，课程改革使主流的ARM为核心的32位微型计算机系统原理及应用成为新的教学设计对象，新内容改善了电工电子及信息类专业微机原理、嵌入式系统系列课程在知识体系架构、基础原理和工程设计等方面的不足。但该课程改革的难度大，涉及面广，教学难度骤增，学生反映学习难度大，因此教师面临着进行新的教学设计的迫切要求，以进一步提高本课程教学质量和教学效果。

本文结合新教材的内容安排，分析和研究以学生知识理解和技能培养为中心的教学设计、课程内容安排、课程实验设计的构建思路和实践中可能存在的问题。

1 教学设计需解决的问题

1)必须避免教学内容上无重点难点，无重点难点的教学会导致学生对基本概念理解不深，基本知识点掌握不好，重要设计技能不够。

2)针对教学难点的教学设计不足，导致学生学习积极性不足、原因是教学设计缺乏逻辑性，不能深入浅出、循序渐进地引导学生学习，使学生逐渐丧失学习热情，学习效率低下。

3)重软件设计，轻硬件理解。由于考试中经常考查指令理解和汇编编程，使得学生忽视对计算机体系结构的原理和对计算机工作原理的理解。

4)实验教学课容易陷入指导同学走一步，同学就跟一步的僵局，进展缓慢，效果差。需要加强指导教师引导实验的能力，促进实验进程，改善实验课程教学效果。

5)拓展性、自主创新性实验难以在实验课上开展，应提倡学生自愿组合，利用课余时间开展课外科研活动，提供开放实验室。

2 教学设计需考虑的三个因素

应对新的教学内容和教学目标，教师在设计教学过程的内容和方法时需要针对以下三个方面来展开教学设计。

2.1 阐述课程特点及其学习方法

微机原理与接口技术是一门综合性很强的课程，是针对非计算机专业的工科学生的一门计算机基础课程，其概念、术语和内容等涉及计算机专业的多门课程，如《计算机组成原理》《计算机系统结构》《操作系统原理》《编译原理》《计算机控制技术》《算法及程序设计》等，不仅系统理论宽广、内容丰富，而且实践性强，要求理论结合实践，在实验课程中锻炼操作能力，才能使学习者提高实际工作能力。需要提醒学生主动通过网络、媒体、互动平台等大众化的知识获取途径有效获取信息，解决学习和作业中遇到的问题，积极主动地思考和理解计算机的相关工作原理。

2.2 基本概念、重要知识点和知识面的关系

教学设计中，重点针对基本概念的解析和理解设计讲授内容，重要知识点需明确提炼出来，知识面的扩充需要在教学设计中提及，实现则需要学生主动借助互联网和图书馆资源进行学习［5］。该课程的基本概念对基本知识点的理解和掌握至关重要，譬如二进制、堆栈、总线和标志位等等基本概念需要深刻理解，才能有助于理解计算机的工作原理，为进一步培养设计嵌入式计算机系统的知识结构打下基础。本课程所涉及的基本知识点繁多，包括信息的编码表示的原理和方法，总线结构、运算器的设计实现，体系结构的种类，仲裁的必要性和实现方法，中断工作方式的原理与实现，接口设计的原理和方法等。微处理器系统结构的知识和新型ARM处理器的特点则属知识面扩充范围，学生在理解计算机系统原理的基础上自行学习，扩充知识面，在应用中逐渐加深拓宽这类知识。

2.3 实验课与理论授课内容的交叠和相互补充

实验课程的教学质量难以保证的重要原因之一是目前国内各大学的计算机文化基础课程或微机编程语言学习中普遍以WINDOWS操作系统为背景，很少以LINUX操作系统为背景，使得绝大多数学生进入实验课程才首次接触嵌入式LINUX，MDK－ARM，虚拟机等开发环境，熟悉它们的使用花费了大量的实验课时间，明显影响了实验课程的教学效率。在理论课程教学的过程中，可以交叠一些实验课程的基本内容，如课堂安装ARM公司自行开发的仿真软件ADS 1.2，由任课老师演示其安装和设置过程，并演示几个基本ARM汇编指令的执行，观察各寄存器值和内存单元值的变化，可以与实验教学相互呼应，增加学生的学习积极性，加深理解基本知识点，掌握基本的程序调试技能。

3 实验课的教学设计

实验课程的重要目的是对计算机内部原理和某些芯片的工作流程有更直接的感性认识，使学生在微机应用系统设计、软件开发以及微机接口等方面都得到培养与训练［6］。老师示范一步，学生跟进一步的注入式教学模式，学生在实验课上过于被动，实验完成了却觉得没有多大收获的现象比较普遍。改进的实验教学设计涉及以下四个方面:

1)课前预习内容:LINUX操作系统基础;实验箱;RVDS;ADS等软件环境的使用。

2)组建有效学习环境;网络环境;开放实验室;课程中心;学习空间。

3)设计实验进行的形式为先试后导，先练后讲。

4)适当增加学生自行设计的实验内容，使学生在实验课堂上发挥积极性和主观能动性。

4 结束语

在电子技术、计算机技术日新月异的现代信息环境下，国内各高校的微型计算机系统原理及接口技术课程必然面临着重新建设和改革的迫切需要。该课程是工科院校非计算机专业的重要专业基础课，在新的形势下已成为不少高校的重点建设课程之一，即使在综合类高等学校中的课程覆盖面也是较大的，是为未来的科技工作者和电子工程从事计算机相关系统的开发、设计打下良好的基础的必修课程［7］。同时，该课程又是一门面向应用的、具有很强的系统性、实践性与综合性的课程，它的教学设计对教学质量和培养学生进行嵌入式计算机系统开发的基本技能具有重要影响。针对新的教学内容和实验环境，提出了有效进行教学设计的三个中心问题;教学中可打破教材的章节安排，适当穿插软件仿真演示，有效应用实验设备，使理论教学与实验学习在重要知识点上相互交叠，加深基本概念的理解。使学生保持较高的学习主动性。

［1］姜建山.微机接口技术课程教学改革研究［J］.重庆交通大学学报:社会科学版，2007(1):107－108.

［2］管希萌.关于微机原理课程改革的几点思考［J］.扬州教育学院学报，2004(22):69－71.

［3］杨翠微.电子信息类专业微机原理与接口实验教学探讨［J］.电气电子教学学报，2005(27):85－87.

［4］郑学坚，周斌.微型计算机原理及应用［M］.北京:清华大学出版社，1995.

［5］朱菊芳.高等教育学教程［M］.江苏:南京师范大学出版社，1995.

［6］Altieri D P.Gadsden Jr T.Allen V.An operational model for individualizing instruction［J］.Science Education，55(3):269－273.

［7］杨秀华.《微机原理与接口技术》实验教学改革探索［J］.电脑知识与技术，2011(9):6285－6287.

［8］何克抗.信息技术与科学课程的整合［J］.电化教育研究，2002(1):3－6.