工科計算機硬件課程的融合

摘要：針對目前高校工科計算機硬件課程教學的實際情況，分析“微機原理與接口技術”和“單片機原理與應用”兩門課程的教學要求和特點，闡述兩門課程的共性和異性，提出將兩門課程進行融合教學，為工科計算機硬件課程的設置和教學改革提供思路和方法。

關鍵詞：微機原理與接口技術；單片機原理與應用；課程融合；教學改革；硬件課程

文章編號：1672-5913（2013）03-0054-03

中圖分類號：G642

0 引言

“微機原理與接口技術”“單片機原理與應用”等涉及計算機硬件的課程是高校自動化、測控、電氣、電子、通信等專業的重要專業基礎課程。這些課程有較強的理論性和實踐性，課程信息量大、知識點多、概念抽象，學生普遍反映學習困難，不容易掌握。隨著電子技術、計算機技術的發展，高校教育要求教授給學生的知識更加寬泛。這樣就難免要添加許多新的課程，例如，“嵌入式系統”原本是研究生的課程，但是現在各大高校都在本科階段開設。在相同學制下，要加入緊跟技術發展的新課程，就必然要壓縮傳統課程的教學學時。筆者從事高校教學工作十余年，連續講授“微機原理與接口技術”和“單片機原理與應用”這兩門課程超過八年，提出將兩門課程的教學融合為一門課程的教學研究思路，以達到降低學時但不減弱講授內容的教學目的。

1 課程對比分析

在兩個學期分別安排上述兩門課程是傳統教學設置方式，這種思路源于強調各門課程的完整性和獨立性，但是導致的最終結果就是在兩門課程中部分內容出現了交叉重復。我們希望能將兩門課程融合為一門課程來講解，達到不同內容要講清、相同內容要講透的目的，這需要對兩門課程進行全方位的對比。

1.1課程結構和教學意義對比

“微機原理與接口技術”課程主要介紹微型計算機的基本組成，以Intel 8086/8088為重點講解微型計算機的CPU、存儲器、中斷系統和常用輸入輸出接口的工作原理及接口的設計方法；此外，還適當介紹32位CPU的相關技術。學習該課程后，學生基本掌握計算機的組成及工作原理、常用接口芯片的使用方法，建立微型計算機的整機概念，并對現代高檔微型計算機及其先進技術有所了解和認識。

“單片機原理與應用”課程主要以某一系列的單片機（國內通常講授MCS-51）為主介紹其基本原理、發展過程、匯編語言及程序設計，詳細講授單片機的擴展技術、輸入輸出通道接口、交互通道的配置與接口、單片機應用系統設計的基本方法及設計原理。為后續課程的學習及今后單片機的應用、分析、設計和開發提供必要的技術基礎。

對上述兩門課程的結構和意義進行分析得出：兩門課程的講授結構都是以處理器為中心，介紹整個系統的組成和基本原理，講授接口的使用方法和設計方法。那么，我們能否將兩門課程進行詳細對比，用對比的方法來同時講授兩門課程呢？

1.2重點講授內容的對比

上述兩門課程講授的結構是相同的，但是在具體內容上，兩者又有著明顯的區別。我們完全可以在講授中，以這些區別作為重點讓學生用對比的形式進行同一知識點、不同實例特性的學習，這更能提高學生的學習興趣和學習效率。課程的重點講授內容比較如表1所示。

通過表1可以看出兩門課程在講授中完全可以針對一個知識節點，通過對比來同時講授兩種主控器的特點。從內容上看，這兩門計算機硬件課程具有融合成一門課程進行教學的條件，但是需要我們認真研究出一個教學上的突破口，來實現課程融合。

2 課程的融合研究

2.1課程融合主線

想要將兩門課程進行融合，我們需要找到融合的主線，由主線貫穿教學的始終，支撐起課程的思想和內容。這個主線就應該是兩者的最大共性和最大的異性，用它們來進行對比講解，就能達到事半功倍的效果。

針對兩門課程，最大的共性就是對寄存器的操作。不管是CPU執行程序還是對外設編程進行數據的輸入輸出，其實都是對若干寄存器的設置與操作。8086通過片內14個16位寄存器，51單片機通過片內的特殊功能寄存器完成對程序、數據、堆棧的訪問；8086訪問外部設備，需要進行接口的擴展，需要對外部接口的寄存器進行設置和操作；而51單片機使用片內接口時，只需要對片內的特殊功能寄存器進行操作，只有在擴展本身不具有的功能接口時，才需要對外部接口的寄存器進行設置和操作。

我們也要找到兩者的最大差異，就是各自的結構體系。8086是馮·諾依曼結構的代表，使用分段定義的形式來管理數據和程序存儲空間，而且8086沒有片內片外存儲空間的區別，只有存儲空間和端口地址的區分；51單片機則是哈佛結構的代表，嚴格界定數據空間和程序空間，區分片內片外存儲空間，需要使用不同的指令來訪問數據或程序空間，使用不同指令來訪問片內片外數據存儲區域。

通過對比兩門課程最大的共性和異性，學生能很快抓住兩者的主要特點，在充分掌握兩個處理器的系統知識后，對于接口部分的學習就會簡單很多。接口擴展的片選方法兩者是相同的，包括線選、部分譯碼和全譯碼方式，所以教師在介紹接口的寄存器定義時，只需強調當主控制器是不同處理器時，按各自的地址管理方式通過端口地址訪問來進行設置和操作即可。這樣的對比教學，可以讓學生對兩門課程的主控器特點都加以認識和學習，實現強化共同點，突出不同點的融合目的。

2.2教學方法及實驗安排

在教學手段和方法上，我們需要擺脫傳統的灌輸式教學方式，考慮如何激發學生的學習興趣，啟發學生的思維，發揮學生的創造性，這是改進教學方法的重點和難點。實行啟發式和討論式教學，利用多媒體課件提升課堂效果，這些都是目前高校教學的常用改革方式。但是，隨著通信技術的發展，教師要充分發揮新媒體在知識傳播上的巨大作用，利用計算機、手機和學生隨時交流并給予指導，幫助學生在網絡中尋找感興趣的學習資料，引導學生自主學習。針對這兩門課程的融合教學，可以推薦講授Protues仿真軟件，該軟件對8088/8086處理器和51單片機都可以進行系統設計和仿真，培養學生的電子電路設計能力，這也是學習計算機硬件課程應該具備的一種技能。如學生使用該軟件遇到問題時，可以上網查詢正確的解決辦法，這能培養學生網絡篩選查閱相關資料的自學能力。

要將兩門課程融合，還需要對實驗項目和內容進行合理的安排。以講授內容為基礎，我們可以安排兩兩成對的5組實驗：編程語言和編程環境實驗、綜合程序編程實驗、中斷管理編程實驗、定時/計數配合并行接口的綜合實驗、接口擴展綜合實驗。每組實驗都分別用兩個處理器為主控單元來完成，在綜合實驗部分可以安排學生設計8086和51單片機之間的串行通信實驗，讓學生體會：雖然針對不同處理器實現控制的手段不同，但用不同的手段來實現共同的控制要求才是學習計算機硬件課程的目標。如果教學計劃允許，可以在課程學習結束后，安排兩周的課程設計。在此環節，老師可以講授系統設計的方法，隨后給出若干設計要求，讓學生自主選擇一個主控器來完成設計任務，達到讓學生初步融會貫通所學知識的目的。

2.3課時安排與分配

大部分學校對“微機原理與接口技術”課程通常設置72學時，其中有5～8個實驗占10～16學時；“單片機原理與應用”課程通常設置56學時，實驗也有5～8個，占10～16學時。課程融合的目的之一就是為了減少課時數，如果我們安排16周，每周6學時，那么就有96學時，其中實驗為20學時。最后再安排兩周的課程設計。這樣的課程設置，可以使我們用一個學期完成原來需要兩個學期才能講授完的內容，達到精簡學時而不減少教學內容的目的。

3 結語

隨著計算機技術的發展，幾乎所有的工科專業都要求進行計算機硬件課程的學習，如何利用有限課時講授更豐富的內容是面對當前知識擴容的基本教學要求。本文提出了將最常講授的兩門計算機硬件課程融合教學的思路，為工科相關課程的設置與授課提供參考。

（見習編輯：劉麗麗；編輯：彭遠紅）