微機原理與接口技術課程教學改革探索

邱應強

華僑大學信息科學與工程學院 福建廈門 361021

由于電子信息科學與工程類學科專業具有發展速度快和交叉學科多的特點，并隨著社會需求的不斷變化，需要統籌考慮、全面規劃專業教學內容和知識體系。微機原理與接口技術和單片機原理與應用是目前大多數高校電子信息類專業開設的已發展較成熟的專業課程。其中，專業基礎課程微機原理與接口技術以早已退出應用領域的Intel 8086/8088 CPU為教學模型機，偏重于系統理論的教學，而單片機原理與應用課程以51系列單片機為教學模型機，偏重于實踐應用的教學。我校長期以來與大多數高校一樣，前后分兩個學期單獨開設這兩門課程。貫徹落實“高校本科教學質量與教學改革工程”，亟待加強學生的實踐能力和創新精神，針對微機原理課程教學內容相對陳舊而兩門課程在教學內容上存在一定重復的問題，我校將這兩門課程合二為一，課程名稱仍為“微機原理與接口技術”，安排45學時的理論教學，并配備20學時的微型計算機接口(單片機)實驗。

1 課程教學內容探索

專業知識體系由知識領域、知識單元和知識點三個層次組成，專業知識體系分成學科基礎知識體系和專業方向知識體系。電子信息類學科基礎知識體系由電路與電子學知識領域、信號系統與控制知識體系、計算機知識領域和電磁場知識領域四個基本知識領域構成[1]。傳統的微機原理課程作為計算機知識領域的專業基礎課，與計算機文化基礎、C語言、電路分析、模擬電子技術、數字電子技術等先導課程聯系緊密，同時又是單片機原理與應用、嵌入式系統與應用、DSP原理與應用、現代計算機體系結構、計算機網絡與通信等后續課程的理論基礎。該課程在上述學科前三個基礎知識領域與電子信息類各專業方向知識體系之間起到承上啟下的作用。

隨著集成電路技術的迅猛發展，微處理器的發展也日新月異，其芯片集成度越來越高，內部結構越來越復雜，處理能力越來越強，已進入64位的微處理器時代。對于剛剛進入高校的本科生，如果直接學習32位、甚至64位的微機系統原理，需要掌握的相關背景知識太多，容易陷入技術的泥潭中[2]。而傳統的微機原理介紹的16位的微處理器8086/8088及其相應的配套接口芯片早已退出應用舞臺，造成知識點與實際應用存在較大的脫節，讓學生產生學習這門課程沒有用的錯覺。雖然微機原理理論更系統，而單片機應用性更強，但這兩門課程在內容上(原理與接口應用等)和形式上(指令系統和匯編程序設計等)具有較大的交叉，獨立設課將不可避免地出現知識點的重復和各自重點的缺失。此外，盡管微機原理課程偏重于系統理論，但也是一門實踐性很強的課程，需要通過實驗實踐來加深對系統理論的理解，以8086/8088為核心的實驗平臺缺乏實際應用背景，在學時較少的情況下實驗教學效果較差，如果采用廣泛使用的51系列單片機來合理地設計實驗課程內容，實驗將具有更強的實際應用背景，可以更有效地與系統理論知識協調互補，提升學生的學習興趣，并引導學生進行課外動手實踐制作，可更好地增強學生的實踐能力和創新精神。為此，我校電子信息類專業將這兩門課程合二為一，安排45學時的理論教學和20學時的實驗教學。

由于各領域的應用需求不同，微型計算機系統形成了以PC機為代表的通用微型計算機系統和以單片機、ARM，DSP，SOC，SOPC等為代表的嵌入式計算機系統這兩大分支。盡管這兩大分支系統在外形上具有很大差異，但由于“本是同根生”，它們都是由基本的馮·諾依曼結構計算機工作原理演變而來，存在很多共同的知識點。因此，課堂教學應首先介紹計算機的基本原理：對數制與編碼、計算機的基本組成邏輯電路、存儲器等基礎知識簡要回顧，做好課程與數字電子技術課程內容的銜接；明確計算機系統在硬件結構組成上以運算器和控制器為中心引出系統總線配備存儲器和輸入輸出設備，以指令系統作為軟件基礎明確計算機是按照給定程序，逐條執行指令從而實現特定功能，明確程序設計語言中的機器語言、匯編語言和高級語言這三大類型語言各自的特點和相互關系；硬件系統和軟件系統有機組合在一起才能構成完整的微機系統，以計算機執行訪問存儲器或I/O設備程序過程舉例說明微型計算機的基本工作過程和原理；從中斷基本概念出發明確中斷系統功能和中斷處理過程，介紹中斷程序的一般設計方法，從而明確計算機中斷系統的原理。由于51系列單片機“麻雀雖小五臟俱全”，一個芯片包含了計算機結構中運算器、控制器、存儲器和輸入/輸出5個組成單元，其知識相對簡單，容易理解和掌握，而且有廣泛的應用背景，比較容易進行各種系統設計實驗，因此，學習計算機的基本工作原理后，可著重講授51系列單片機原理及應用。通過對51系列單片機內部電路結構和工作原理的學習，輔以電源電路、復位電路和時鐘電路建立單片機最小系統作為硬件平臺；在軟件基礎方面，理解和掌握80C51指令系統中的尋址方式和指令的分類，掌握各條指令有序組合在一起實現特定功能的匯編程序設計方法，從而更深入地理解和掌握單片機的硬件結構，再偱序漸進地引導學生采用高級語言進行程序設計，實現與C語言課程內容的銜接；通過內部主要功能單元(定時/計數器、UART串行接口和中斷系統)結構和編程應用、單片機系統擴展和接口的編程應用的學習，從軟硬兩方面綜合實現單片機的實際應用。在學時允許的條件下，最后簡要介紹微型計算機系統的原理與應用，加深計算機系統工作原理的理解，為后續課程學習奠定理論基礎。

教學是教師的教和學生的學所組成的一種人類特有的人才培養活動。站上講臺，教師要明確教什么，幫助學生建立學科相關課程的體系結構，讓學生明確所學課程在學科體系中的地位和作用，明確能夠學什么。以上介紹可明確我校電子信息專業微機原理與接口技術課程改革后“教什么與學什么”的問題。

2 課程教學方法探索

通過對課程教學內容的探索，課程重點講授微型計算機系統架構及其基本工作原理、單片機工作原理和實際開發應用兩部分內容，課程具有較強的理論性和應用性，課程內容比較抽象，如何提高課程教學效果，需要深入探索“怎么教與怎么學”的問題。

2.1 課堂授課方式探索

隨著現代化多媒體教學方式的普及，傳統的純板書教學方式逐步被多媒體投影教學方式取代。這種現代化的教學方式在聲形結合、圖文并茂地給學生帶來不同的學習體驗的同時，也顯現出一定的弊端。通常情況下，教師在控制臺講解投影屏上的教學內容時，學生聽到的講解聲音和看到的課程內容處于脫離狀態，視覺和聽覺難以集中[3]。此外，由于多媒體教學沒有教師板書環節，課堂教學信息量增大，學生對課程內容思考時間變短，同時長時間盯著投影屏接受大量信息容易造成視覺疲勞，導致教學效果不佳，不具有傳統板書教學方式中學生的視覺和聽覺集中在教師板書區域，能夠跟隨教師板書節奏邊聽邊理解的優點。因此，我們針對具體教學內容采用傳統板書與現代化多媒體相結合的方式授課，不僅給學生帶來圖文并茂的學習體驗，同時對于重點和難點知識，采用板書形式循序漸進地引導學生一起互動式理解并掌握，提高教學效果。例如：通過舉例方式講解匯編語言程序設計基本方法，通過課件顯示例題題目內容可節省傳統板書書寫時間，對設計題目分析時，通過課件以動畫的形式生動地展示程序流程圖，以流程圖為依據進一步采用傳統板書的方式引導學生一起在黑板上依次書寫一條條的指令，完成程序設計，然后將備課時在計算機上編輯好的程序源代碼用仿真軟件運行并通過投影儀展示程序運行過程。

由于該課程在學科專業體系中承上啟下，課程內容與數字電子技術息息相關，在授課過程中要注重相關課程的銜接。例如：講授總線概念時，可聯系數字電子技術課程中講授的三態門采用分時工作的工作方式，主要應用在計算機總線中；講授存儲器擴展時，聯系數字電子技術課程中講授的半導體存儲器的相關概念；講授定時/計算器時，聯系數字電子技術課程中講授的時序邏輯電路計算器的工作原理；講授計算機中有符號數采用補碼形式可將符號位直接參與運算，結果仍為補碼形式表示時，可進一步拓展到數字系統中有符號表示和運算均采用補碼形式。此外，課程內容自成體系，需注重課程前后知識點的連貫銜接，在授課過程中，只要講授的新知識點與前面學習的知識點相關，我們就引導學生翻到教材學過的相關知識點位置，將前后知識點有機結合起來，幫助學生形成完整的課程體系。

由于課程部分內容較為抽象、難以理解，在講授相關內容時，還可采用比喻的方法用日常生活中相似的事例進行類比，將抽象內容形象化、生動化，讓學生更好地理解和掌握。例如：講授中斷處理過程可以用事例“正常講課過程中出現學生提出疑問并解答完畢回歸正常講課”作類比。“教師正常授課”類似于“執行主程序”，“學生舉手”類似于“中斷請求”，“教師請學生提出疑問”類似于“中斷響應”，“學生提出疑問以及教師解答”類似于“中斷處理”，“回到正常授課”類似于“中斷返回”，此外，“學生提出疑問前的授課進度和內容”類似于“中斷的斷點”，學生通過這樣的類比可以更好地理解和掌握中斷的相關概念。講授“MOV”傳送指令時，可用學生在課堂上抄作業進行類比。講授空操作指令“NOP”時，可拿學生在課堂上打瞌睡作類比，類比過程引來了學生哄堂大笑，活躍課堂氣氛的同時，也提醒部分學生要遵守課堂紀律，不要在課堂上虛度光陰。

2.2 注重實驗實踐環節

本課程是實踐性和應用性非常強的專業基礎課，僅僅通過課堂教學來學習掌握基本系統概念、工作原理、設計原則和方法是遠遠不夠的，尤其在當今大力提倡以培養創新能力為核心的素質教育中，為滿足經濟社會發展對高素質創新型人才的需要，必須將理論和實踐緊密結合起來，用理論指導實踐，用實踐強化理論。因此，教學雙方都要注重實驗實踐教學環節，正確合理地設計實驗課程內容，并采用探究式教學方法，以教師為主導、學生為主體，調動學生的積極性，挖掘學生的學習潛力，變被動接收為主動探求，“做中學，學中做”，做到學以致用、活學活用。

實驗課程采用層次化的實驗實踐內容體系，分成基礎實驗、系統綜合實驗和課程設計實踐三個層次。基礎實驗內容包括：軟件開發環境和簡單程序設計，I/O口輸入、輸出實驗，中斷、定時器實驗；異步串行通信實驗，D/A和A/D接口實驗等。通過基礎實驗逐步掌握單片機的定時/計數器、中斷、串行通信、系統擴展、接口技術等功能，在實驗過程中偱序漸進地引導學生采用C語言進行程序設計。以簡易數字時鐘設計為題進行系統綜合實驗訓練，讓學生將基礎實驗中掌握的單片機各功能模塊組成完整系統，建立單片機系統整體概念，學會站在系統的高度分析和解決問題，初步具備單片機系統的設計和實現能力。通過以上兩個層次的訓練后，學生有了一定的理論基礎以及實踐能力，則進入課程設計實踐環節。學生通過課外時間自行選擇課題，獨立完成相關軟件和硬件的設計，要求設計實物系統測試驗收，訓練學生自主解決問題的能力和創新能力。

由于實驗項目設計來自實際應用課題，使得實驗課程更接近實際應用。設計性、綜合性實驗占85%，要求根據任務，做好預習，根據參考方案或自行設計硬件電路，編寫相應的程序。每位學生獨立完成軟硬件的調試，做好實驗記錄并由指導教師檢查后簽字確認。每個實驗結束后，要求學生提交完整的實驗報告，包括程序清單、電路原理圖、測試記錄、結果分析等。

3 課程教學目標探索

將傳統的微機原理與接口技術和單片機原理與應用課程合二為一后，為了能夠實現為后續課程學習奠定較強的微機系統理論基礎并掌握單片機系統原理和具備單片機實際應用開發能力的教學目標，我們還需要進一步探討教學過程中“教到什么程度與學到什么程度”的問題。

微機系統理論基礎是原理性的，傳統的微機原理課程基于8/16位微處理器展開，而由于技術不斷發展，當代微處理器已進入64位的時代，教學內容與實際應用之間存在巨大的脫節。盡管技術在不斷變換，但是從計算機面世以來，基本原理沒有發生太大的改變，從馮·諾依曼結構提出到現在已有幾十年，即使技術工藝有了翻天覆地的變化，但體系結構沒有發生本質改變[4]。因此，課程拋開具體的微處理器型號，把握通用微型計算機系統和嵌入式計算機系統這兩大分支的共性，以共性為基礎建立微型計算機系統軟硬件體系架構，并了解微型計算機技術的發展趨勢，為后續課程的學習奠定理論基礎。然后學習比較容易入手的單片機原理及應用的相關內容：一方面，通過理論教學與實踐教學相結合，掌握51系列單片機應用系統的軟硬件設計及調試方法，掌握單片機開發工具的使用方法，鍛煉和提高學生的工程實踐能力，為新型單片機的學習和應用打下基礎；另一方面，通過具體型號的單片機內部結構、工作原理和應用開發的學習，夯實微型計算機系統軟硬件體系架構的理解，掌握微型計算機系統學習的一般方法，用于后續課程的學習。

此外，隨著編譯技術的進步，現代計算機系統中的軟件大多采用高級語言編寫，僅少量引導代碼采用匯編語言編寫[5]。因此，在課程中，對于51單片機指令系統和匯編語言程序設計的教學只需要服務于幫助學生更深入地理解和掌握單片機的硬件結構和高級語言程序的相關原理就足夠了，之后，引導學生轉入高級語言的學習，從而在軟件編程時做到得心應手，能夠編寫出高效的軟件程序。

4 結束語

本課程是高等院校電子信息類專業必修的專業基礎課。我校電子信息類專業將微機原理與接口技術和單片機原理與應用課程合二為一，結合“教什么與學什么”“怎么教與怎么學”和“教到什么程度與學到什么程度”三個問題，從課程教學內容、教學方法和教學目標三個方面對課程教學進行改革。通過理論結合實踐的教學活動，一方面讓學生具備基于51系列單片機的實際應用系統開發技能，另一方面掌握微機系統理論基礎并建立微型計算機系統軟硬件體系架構，為后續課程的學習奠定理論基礎。

[1] 教育部高等學校電子信息科學與工程類專業教學指導委員會.高等學校電子信息科學與工程類本科指導性專業規范(試行)[M].北京:高等教育出版社,2010.

[2] 張迎新,胡欣杰,趙立軍.單片機與微機原理及應用[M].北京:電子工業出版社,2011.

[3] 戴日光.現代化教學手段下微機原理課程教學改革探索[J].中國現代教育裝備,2012(11):71-73.

[4] 趙晚昭,周柳娜,趙晚春.微機原理及單片機課程改革淺談[J].物聯網技術,2012(7):74-76.

[5] 左冬紅,張林.“微機原理與接口技術”教學內容改革探討[J].電氣電子教學學報,2012,34(3):31-33.