基于学生自主学习的教学研究与实践

郭振铎 杨艳

摘 要：传统的教学以教师课堂讲授、学生被动学习为主，缺乏专业课程间知识体系的融会贯通。本研究以基本逻辑到电子计算机软硬件系统的构建为载体，通过学生自主学习、教师指导、注重实践等手段，完整实现项目设计，激发学生学习的积极性，提高学生的工程设计能力和创新能力。

关键词：自主学习;教学改革;电子计算机

在当前国际形势下，国家对科技自主的需求愈发迫切，而高校人才培养质量与国家产业科技创新的人才需求仍存在一定差距。国家教育主管部门主动布局未来人才培养，提出了加强“新工科”建设、进行高校工程专业认证等系列举措，以改造升级传统工科专业，加快培养科技创新人才。教育部教高厅函〔2017〕33号和教高厅函〔2018〕17号等文件对此进行了专门部署。此背景下，怎样改变传统教学模式，充分调动学生自主学习的积极性，提高人才培养质量，成为一项重要的研究内容。作为一名地方高校电子信息工程专业教师，笔者做了一些研究和实践，取得了一定的成效。

一、当前教学中普遍存在的一些问题

传统教学以教师课堂讲授为主，作业和实验环节缺乏深度和课程间的交叉综合，学生缺乏主动学习专业知识的热情。以笔者所在的电子信息工程专业为例，学生不仅需要学习与电子系统硬件相关的模拟电子技术、数字电子技术等课程，还需要学习与软件相关的C语言程序设计和软硬件相关的微机原理与应用等课程。虽然每门课程既自成体系又有内在联系，但课程设置存在着课程知识条块分割、对学生实践能力培养不足等弊端。学生缺乏将课程联系并综合应用的具体感性认知，缺乏融会贯通并付诸实践的能力，即大概明白原理，但实际开发时却无从下手。

针对学生缺乏硬件电路设计和软件编程的综合实践等专业问题，国内很多高校的教师进行了有益的探索。比如，河南科技大学教师史敬灼等在《电气专业综合课程设计创新教学模式改革》一文中提出，将“传统的对应于一门课程的课程设计，改变为对应于几门相关课程的综合课程设计”，使学生通过实践将几门课程的知识融会贯通，更好地培养学生的创新实践能力。国外高校在这方面有较早的探索和成熟经验，特别是对学生自主学习能力培养方面。

作为一名普通专业课教师，笔者在借鉴以色列希伯来大学等国外高校优质方案的基础上，根据从教专业的学科特点及学生现状，结合培养目标，以学生自主实践项目为载体，在中原工学院2018级电子信息类部分本科生中进行了教学实践。

二、教学改革的思路和目标

计算机的硬件核心由CPU、内存等半导体芯片组成，基本门电路是构成計算机半导体芯片的设计基础。众所周知，人类通过以电子技术为基础的计算机解决问题的方式是抽象思想利用计算机语言编写程序，通过编译器翻译为机器代码，在硬件平台上运行，最终实现目标功能的过程。这是一个逐层抽象和封装的过程。本教学项目借鉴人类利用计算机解决问题过程中层层抽象封装（从简单组合复杂，封装复杂抽象到简单）的思想，从顶层方案设计开始，通过模块分解、底层细化、中间组合，最后实现整体;具体地以学科内在逻辑联系为基础，融合多门专业课程，构建逻辑上可实现、软件上可仿真运行的电子计算机系统。

项目实现过程中重新定义教师与学生在教学过程中的角色任务。学生根据设计需求在课外查阅资料、阅读专业文献，进行小组讨论，自主探索。教师在项目实施过程中以原理性、启发性讨论为主，避免传统教学的“满堂灌”。本教学改革项目的目标是以上述综合性项目实践为载体，加强对学生自主学习能力、创新能力、工程实践能力和英语专业文献学习能力等的培养。

三、教学改革的项目实施内容

本教学改革项目以总体方案逐层分解、由浅入深模块化设计、逐层封装测试构建整体为基础，以简化的硬件描述语言为工具，根据最基本的布尔逻辑和门电路知识，从与非门电路开始，由简到繁分模块设计、模块逐步抽象封装到顶层实现，完整构建电子计算机硬件体系，并实现功能仿真。每个设计模块为期两周。

指导教师负责整体方案设计、任务模块划分、定义模块间接口信号并封装接口信息，以降低设计难度。教师讲述的内容仅限于设计背景和相关原理，引导学生利用所学专业知识分析设计任务，充分发挥主观能动性，根据教师提供的英文芯片电路技术手册等资料，自主探索构建电子计算机系统各模块方案的实现。

（一）根据布尔逻辑构建基础电路

学生在电路、模拟电子技术和数字电子技术课程中学习过门电路的基本原理和特性。本环节以1位与非门为已知条件，首先构建1位非门、与门、或门、异或门、分配器和选择器。其次利用1位基本门电路构建16位与门、或门、非门。最后利用前述设计构建16位4路和8路选择器和多路选择器等设计CPU时必需的选择器和分配器等系统基础模块，加深学生对模电和数电综合运用的理解。

（二）从布尔算术和基本逻辑电路构建ALU

教师可以根据C语言、数字电子技术和微机原理课程中讲授的二进制基础、二进制运算、数据在计算机中的表示等内容，分解设计，引导学生逐步实现半加器、全加器、16位加法器、16位程序计数器PC和CPU的核心算术逻辑运算单元ALU的设计。各模块的设计由浅入深，完成逐个实现、组合封装的步骤。需要注意的是，此环节程序计数器和状态检测寄存器对学生略有难度。

（三）设计存储电路和PC设计

现代计算机以内存为核心。存储系统的设计是本项目另外一个重要内容。根据数字电子技术中的时序逻辑电路、触发器、寄存器等基本概念和微型计算机原理课程中存储器的基本原理，本项目按照难易程度依次设计1位寄存器、16位寄存器、8单元RAM、64单元RAM、512单元RAM、4K单元存储、16K单元存储逻辑，16位的PC（程序计数器）电路。

（四）构建计算机体系结构

根据相关课程中的冯诺依曼体系结构基本原理，设计构建存储器（指令存储器和数据存储器）、CPU、程序计数器PC等模块，实现程序和数据存储、计算单元的有机构建，完成系统设计。

（五）从机器语言和汇编语言到汇编器

从前述任务设计的硬件单元抽象出若干条机器语言基本指令、引导学生借助助记符推导出本系统自定义的汇编语言指令集。汇编指令可以实现基本的算术运算和简单图形绘制程序设计。

教师指导学生完成基于本系统自定义指令集的简单汇编器实现。编程基础较薄弱的学生根据指令编码格式人工翻译编写的程序，程度较好的学生写一个简单的汇编器，通过汇编翻译成为机器指令。

四、教学运行效果

大部分学生完成了全部项目任务。课程采用过程与答辩相结合的考核方式。最终成绩构成：学生自评占10%、组内互评占20%、教师评价占40%、项目总结答辩占30%。

学生表示，从指令集的定义与程序测试及硬件系统的实现过程，较为深刻地理解了指令编译的过程及软硬件相互工作的实质，在自主学习、相互讨论、解决问题中提高了学习兴趣，发挥了主观能动性，激发了创新意识，增强了解决实际工程问题的信心。

本教学实践以现代电子计算机系统设计为载体，引导学生自主学习、发挥创造性，逐步构建硬件平台和相关程序，从而掌握关于电子系统设计、硬件体系结构、编程语言、软硬件协同的框架性基础知识，解决学生缺乏硬件设计和软件编程实践的问题，提高其自主解决工程问题的能力。实际教学效果表明，本教学改革项目有助于激发学生自主学习热情、工程思维和创新潜能，实现培养学生的综合实践能力的目标。

参考文献：

[1]陈国定，杨东勇，陈朋.强化工程实践与创新能力培养的微机类课程实验教学[J].实验室研究与探索，2017（4）.

[2]刘艳霞，范同顺，杨清梅，等.单片机类课程创新教学模式改革[J].电气电子教学学报，2017（10）.

[3]史敬灼，王勇，梁云朋.电气专业综合课程设计创新教学模式改革[J].电气电子教学学报，2019，41（2）.

[4]郑庆庆，吴谨，朱磊，等.美国布里奇波特大学电子信息工程专业的实验教学研究[J].实验技术与管理，2018（12）.

责编：红 茶