突出计算思维能力培养的微机原理与接口技术教学改革

陈立刚　李红　刘斌

摘要：以微机原理与接口技术课程教学改革为背景，针对教学课时大幅减少，以计算思维为切入点，探讨构建新的课程知识体系；在此基础上，就如何改革教学方法和实践教学，以满足应用接口技术分析、设计微机应用系统的计算思维能力培养需求，提出一些行之有效的改革方法。

关键词：微机原理；接口技术；教学内容；教学改革；计算思维

所谓计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。它作为计算机基础教育中一个相对较新的概念，虽然已得到了教育界和学术界的广泛认同，但其具体内涵、贯彻落实的思路在学术界仍有不同见解，有待于我们在相关课程的教学实践中不断探索。

1 教学内容改革

微机原理与接口技术课程内涵可归结为微机原理、微机接口和微机应用3大部分，原有的知识体系如图1所示。但随着新一轮2012教学计划的实施，课程教学时数大幅减少，电类与非电类专业的教学时数分别从过去的70+20学时（讲授70，实验20）和54+16学时减为52+18学时和36+10学时。显然，继续按原有的知识体系教学，已难以实施。如何在教学时数大幅减少的背景下，构建新的课程教学内容体系，将教学重点落在计算机接口及应用技术介绍和突出计算思维能力培养上，我们着重从以下方面思考改革。

1.1 关于硬件编程教学

硬件编程教学实际包括两个方面，即编程语言和穿插在接口技术及应用教学之中的硬件编程方法。在图1课程知识体系中，汇编语言是硬件编程的工具，内容相对独立，但在课程教学中所占的课时却不少，高达14学时以上。尽管如此，由于汇编语言依赖于机器特性，指令理解和编程难度较大，要让学生掌握汇编语言程序设计的方法和技巧，仅靠14学时的课内教学往往难以达到预期教学效果。对于理论教学仅有36学时的微机原理与接口技术课程来说，要拿出十几个学时来进行汇编语言的教学，显然难以满足以计算机接口及应用技术为主线的教学需求。

笔者对非电类专业的微机原理与接口技术课程删去汇编语言相关教学内容，而通过与高级语言程序设计等相关课程的衔接，将C语言作为硬件编程语言开展计算机接口及应用教学，这样节省的课时可用于加强接口及应用技术的学习，有利于突出接口技术及应用这条主线。对电类专业将减少汇编语言相关教学内容介绍，采用汇编与c语言混合编程进行硬件编程教学，体现实际工程开发的特点。

1.2 背景机选择

随着微处理器技术在各专业领域的深入应用，单片机和嵌入式技术已成为微机应用的主流技术之一，但为讲授清楚现代微处理器的先进技术，目前全国各重点大学仍普遍采用PC系列微处理器作为背景机开展教学。对于一些电类专业，往往会在该课程之后开设一门以实践教学为主的单片机/嵌入式系统设计课程。

随着计算机技术的飞速发展，PC微处理器技术越来越先进，性能已超过传统意义上的小型机，伴随而来的是内部结构越来越复杂，而从非计算机专业应用计算机的特点看，一些先进技术又并非课程重点，现有教学实践大多是淡化其内部原理介绍。采用c语言开展硬件编程教学后，编程结构（内部寄存器及使用）也可进一步淡化，背景机介绍的重点实际放在与存储器、I/O接口实现连接的外部接口特性上。这一层面上，各类CPU的基本接口特性大同小异，所以，教学的思路是仍以PC微处理器为主要背景机，同时兼顾单片机/嵌入式技术介绍，这样既可通过PC背景机讲清现代微处理器使用的先进技术，又可通过基于PC机、单片机/嵌入式处理器接口设计案例，让学生理解各类微处理器接口的基本原理实际是相通的，并不因背景机改变而改变。

1.3 存储器与I/O接口扩展教学

存储器与I/O接口是微机系统必不可少的基本组成部分，是教学的重点内容之一。图l的知识体系是将它们作为独立章节施教，好处是体现了课程的系统性和完整性，缺点是所需课时较多。但存储器与I/O接口从功能、结构和与CPU连接的特性上，均有以下本质共性：

（1）功能上两者都是用于存数，只不过内存中存的是计算机内部的数据，而接口中存的是CPU与I/O设备交换的信息。

（2）内部基本结构相同，均由3种基本逻辑部件：地址译码器、片选与读/写控制逻辑和存储电路组成，如图2所示。作为存数主体的内存单元和I/O端口，从数字逻辑角度看都是寄存器，都可被CPU进行读/写访问。主要差别是，存储器只与CPU交换数据，而I/O寄存器要在两个方向上传递数据，一个方向与CPU交换数据，另一方向与外设交换数据（图中虚线所示）。

（3）与CPU连接的外部基本引脚信号线相同。数据线、存储单元或I/O端口选择线、片选线和读/写控制线4类与CPU相连的外部引脚信号线和CPU的连接方法基本相同。

从扩展内存和I/O接口构成微机应用系统角度，基本原理是相同的，关键都是在地址分配基础上实现存储单元/I/O寄存器地址译码，将两章整合施教有利于减少教学时数，提高教学效率。

1.4 课程知识体系构建

基于上述教学内容改革，对图1各章节进行整合，构建新的“微机原理与接口技术”知识体系，以非电类专业为例，教学内容详见表1。由表1不难看出，教学内容改革的重点突出接口技术及应用该重点与课程教学目的是一致的。对电类专业，可在此基础上适当增加汇编语言程序设计内容及汇编与c语言混合编程方法。

2 教学手段和教学方法改革

教学手段和教学方法的改革一是要有利于提高教学时效比，二是要有利于培养学生的计算思维和创新思维能力。

2.1 注重共性知识提炼，提高教学时效比

本课程有许多知识点的基本原理、基本方法是相同或相似的，如各类存储器芯片和各种可编程接口芯片，从与CPU接口的角度，基本接口特性是相同的；程序查询式数据传送与程序查询式中断识别与判优，总线仲裁与向量式中断识别与判优在原理上有许多相似性；各类ADC芯片因采用的转换原理不同，内部结构可能差别较大，但从外部引脚的设置上却具有很大的相似性，接口方法也大同小异；与ADC类似，DAC芯片也是如此。所以教学中应注重这些共性知识的提炼，这样既有利于提高教学时效比，也有利于从计算思维角度去理解和分析一类解决问题的方法。endprint

2.2 精心设计教学案例，完善案例教学

从计算思维能力培养角度出发，计算机接口技术本身是应用的技术基础，教学的重点应落实到如何应用这些技术去思考、解决专业领域的实际问题。所以教学应注重具有实际应用背景的案例分析和设计方法介绍。为此，我们依据从简单到复杂的原则，根据教学的进度精心设计教学案例，包括存储器与I/O接口扩展设计、中断处理程序设计、定时器/计数器应用系统设计、键盘与LED显示器接口、步进电机控制和典型数据采集系统设计等涵盖课程各重要知识点应用的案例。主要案例与知识点应用的关系详见表2。

教学案例设计总的原则是紧密围绕课程重要知识点及应用，难度要适中、便于学生理解和参与教学活动中。案例的讲解要从问题的引入，分析需解决的问题和解决的方法，再到设计思想和设计方法。通过逐步引导使学生掌握应用相关接口技术解决实际问题的思维方式。以键盘接口设计为例，首先分析归纳键盘接口要解决的主要问题，按键的识别和键码的产生；然后分析按键识别的方法和键码产生原理；再引导学生应用所学并行接口设计键盘接口的方法，进而编写按键识别和键码产生的接口驱动程序。

2.3 精心设计完善研讨式教学

计算思维能力的培养过程应该是学生积极参与、师生互动交流的过程。如何让学生参与教学互动，激发学生的求知欲和主动思考问题的意识，除教学中精心设计启发式提问外，研讨式教学是目前为各重点大学普遍所接受、能较好地实现师生互动交流的教学模式。

研讨式教学设计包括两个方面，一是研讨内容的选取，这可以从精心设计的教学案例或课程实验项目中选取；二是研讨模式的设计，计算机接口设计或计算机应用系统设计，思维方式不同，同一问题往往有不同的解决方案，这就为研讨模式设计提供了一种思路，将学员分成若干研讨小组，每个组首先在组内自行研讨并提出设计方案，制作好课件拿到课堂研讨。研讨时，每组推选一名代表讲解设计方案和思路，其他成员可对其提出的解决方案进行补充，然后大家一起对硬、软件方案的合理性、优点和问题进行讨论，最后由教师进行总结。通过这种形式的课堂讨论，学生可以从不同角度提出问题，教师也可以从不同角度了解学生理解问题的症结所在，从而从不同的层面有的放矢地帮助学生掌握正确的思维方式。

研讨环境在条件允许时可选在实验室进行，这将更有利于理论与实践教学相融合，研讨结果可以得到实际的验证，学生有成就感，从而提高学生主动思维的自信心。

2.4 加强教学资源建设，满足学生自主学习需求

计算思维能力养成，需要强化学生自主学习和主动思维的意识，这就需要为学生自主学习提供良好的学习环境。结合多年在国家精品课程建设取得的成果和新一轮国家精品资源共享课建设计划，进一步丰富和完善课程教学资源，包括多媒体教学课件、视频教学、教学动画、虚拟实验、经典教学/实验案例分析、疑难问题解析、习题库及解答等教学资源。利用这些资源，学生可上网自主学习，亦可在模仿案例思想解题的基础上，养成自己主动进行计算机接口及应用系统设计的思维意识。

3 实验教学改革

实验教学是本课程的重要组成部分，对加深学生理解与掌握理论知识，培养学生的计算思维能力和实际动手能力，具有课堂教学不可替代的作用。所以注重理论教学的同时，也应重视实践教学模式和实验内容的改革，以满足计算思维能力培养的需求。

3.1 被动模仿到主动设计的思维方式

人类许多创造发明和科学技术的进步，都是在积累前人经验、模仿前人的基础上主动创新而来的。许多基于计算机应用的智能系统，如专家系统的工作过程实际上就是模仿人类专家求解问题的过程，借助它的学习机制，专家系统可以不断地积累新知识，从而提高其求解问题的能力。

应用接口技术解决实际问题的计算思维能力培养，亦可从模仿教学/实验案例解决简单的应用问题开始，在熟练掌握接口基本原理、基本方法和不断积累应用经验的基础上，培养学生主动思维、主动设计的思维方式。这就需要精心选择实验内容和设计实施方法。

一般对以验证为主和简单的设计实验，可通过案例分析、讨论，引导学生通过模仿案例思路在课内或课外完成，对较难的设计性和综合应用性实验，则启发学生合理设计实验步骤，引导学生从被动模仿转为主动思考、主动设计。

以基于LED显示的电子时钟设计为例，实施设计详见表3。设计内容中，一些是安排已做的实验或已通过实验熟悉的内容，通过这种分步实施，学生在模仿基础上稍加改进即可逐步推进，使学生感到设计并不复杂，有利于提振其自主思维、主动创新设计的自信。

3.2 注重复杂问题分解和协作精神培养

实际应用开发中，往往需要将一个大的工程项目分解成许多功能相对独立的子项目，由项目组共同协作完成。所以实验教学中，在注重被动模仿到主动设计思维方式培养的同时，也应注重复杂问题逐步求精、分而治之的思维方式和团队协作能力的培养。

对功能较多的复杂实验，如多芯片综合实验和基于控制对象的应用型实验，可引导学生将实验分解成层次结构的多个基本功能模块，这些模块可以是前面实验中已实现的，或者是通过案例模仿即可实现的。这样就可从底层模块开始，以搭积木的方式层层搭建来完成复杂功能。这样既简化了实验，又能提高学员主动设计、完成复杂实验的信心，还能体会实际工程开发的特点。

协作能力的培养则可完善“合作实验”模式培养，如在课外电子设计实践与竞赛中，可将具有不同能力优势的学生（如硬件设计能力强的与软件编程能力强的）组成实验小组和攻关小组，借助各自的特长实现优势互补，通过密切配合培养相互协作的精神。

4 结语

近年来，因教学课时减少和计算思维能力培养的全局要求，我们对微机原理与接口技术课程教学内容、教学方法与教学手段和实验教学改革进了一些行之有效的探索，未来将以此为基础，继续探索以计算思维为切入点的课程教材建设和考试考核方法改革。

（编辑：赵廓）endprint