《微機原理與接口技術(shù)》教學方法研究

姚靜，張玲，陳廣

（湖北大學計算機與信息工程學院，武漢430062）

0 引言

《微機原理與接口技術(shù)》是大學工科專業(yè)學生學習和掌握計算機硬件知識、建立計算機系統(tǒng)概念以及匯編語言程序設(shè)計方法的主要課程。其任務(wù)是使學生掌握微型計算機的基本組成、工作原理、接口技術(shù)，及其與系統(tǒng)的連接，從而建立起微型計算機的整機系統(tǒng)概念，并在此基礎(chǔ)上使學生具備微型計算機系統(tǒng)軟、硬件開發(fā)的初步能力，是一門理論性和實踐性并重的課程。

《微機原理與接口技術(shù)》的教學內(nèi)容不僅包括計算機硬件基礎(chǔ)知識，還包括匯編語言程序設(shè)計，在確?；纠碚摰那疤嵯逻€要與實際應(yīng)用相結(jié)合，涉及到的知識點相互邏輯關(guān)系不清晰，內(nèi)容零散，很難形成一個完整的認知結(jié)構(gòu)體系，因此學生普遍認為這門課概念抽象，感性認識差，感到難學難懂。為此，筆者根據(jù)長期的教學經(jīng)驗，在該課程的教學方法上進行了一些研究。

1 教學現(xiàn)狀分析

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，計算機軟硬件技術(shù)發(fā)展迅猛，微機原理這門課程不僅要學習計算機的基本原理，還要讓學生了解現(xiàn)代技術(shù)在微機中的應(yīng)用，但是實際面臨著課時縮減，教材內(nèi)容落后，教學手段單一，實驗設(shè)備不直觀等問題。

1.1 教學內(nèi)容難取舍

目前國內(nèi)大多數(shù)院校該課程還是選用以8086機型為主的16位微機結(jié)構(gòu)進行講解，而電子技術(shù)的飛速發(fā)展，如今微處理器已經(jīng)全面進入64位機市場，教學內(nèi)容嚴重滯后實際應(yīng)用，學生書本上所學習的知識無法與實際的計算機聯(lián)系起來，從而導致學生學習興趣不大。

針對這一現(xiàn)狀，很多教師也嘗試進行教學內(nèi)容的改革，由于教學課時的限制，沒法按照先易后難，先16位機再32位機的方式進行講解，有些學校直接以32位Pentium系列微機為硬件范例進行講解，但學生沒有微機系統(tǒng)的基本概念，感覺起點高，難度大，很多知識點學生難以理解，最終也難以保證教學效果。

1.2 教學方法單一

微機原理涉及的內(nèi)容雖不深奧，但是非常抽象、瑣碎，各個章節(jié)的內(nèi)容互相交叉。例如，第一部分介紹CPU的組成結(jié)構(gòu)，將學習CPU內(nèi)部多個寄存器以及標志寄存器的九個標志位的定義，其中涉及中斷允許標志位IF和串操作方向標志位DF，而中斷和串操作的概念在后面章節(jié)才會學習到，學生一開始對這些概念缺乏感性的認識，如果我們還是按照傳統(tǒng)的教學方法是先理論后實際，先原理后應(yīng)用，整個課堂教學過程中學生基本上是被動灌輸，容易產(chǎn)生厭煩情緒，整個課堂缺乏師生互動，難以調(diào)動學生的學習積極性和主動性。

1.3 實驗設(shè)備不直觀

微機原理與接口技術(shù)是一門理論與實際相結(jié)合的課程，需要通過實驗來加深理論知識的理解，但是目前所采用的實驗箱并不能提供一個完整的基于8086的微機系統(tǒng)，往往是通過PCI插槽或者USB總線將臺式機總線引出，然后在實驗箱上完成一些接口的驗證性實驗，學生無法將實驗對象與整機系統(tǒng)對應(yīng)，往往只是機械接線編程，而無法解釋實驗現(xiàn)象，不能達到預(yù)期的實驗效果。

2 教學改進方案

2.1 教學內(nèi)容設(shè)計

《微機原理與接口技術(shù)》課程涉及的知識點比較零散，學生很難建立這一課程的整體認知結(jié)構(gòu)，也就是頭腦中很難形成這門課程各部分內(nèi)容及各部分的相互聯(lián)系和層次關(guān)系的框架，作為教師講授這門課首要的任務(wù)就是幫助學生在頭腦中建立這門課程的認知結(jié)構(gòu)，因此在教學內(nèi)容的設(shè)計上采用先整體再部分的方式進行，首先介紹微機的硬件結(jié)構(gòu)：CPU，存儲器，I/O接口，總線，然后從馮·諾依曼計算機的設(shè)計思想：存儲程序與程序控制出發(fā)，分析各部分的功能以及計算機的工作原理，讓學生建立整機的初步概念，以及這門課程的整體架構(gòu)。接下來教學從硬件和軟件兩部分展開，硬件按照組成結(jié)構(gòu)，從CPU、存儲器、I/O接口這幾個方面進行教學，在存儲器與I/O接口的講解過程中一定要強調(diào)它們與CPU的總線連接和信息交互方式，這樣學生學習的過程中就不會孤立地去看待每一個芯片，而是看作整機系統(tǒng)的一部分，是相互有機地聯(lián)系在一起的。軟件部分教學的主要內(nèi)容是匯編語言程序設(shè)計，首先要告訴學生為什么要學習匯編語言，匯編語言最能反映計算機的工作過程，通過匯編語言的學習能幫助我們進一步理解計算機的工作原理，在教學過程中教師要盡量突出這一思想，這樣可以增強學生的學習興趣，提高學生的學習積極性。

該課程的授課對象涉及不同專業(yè)，課程的側(cè)重點，講授學時不同，教學內(nèi)容的設(shè)計要能體現(xiàn)不同的層次需求?？傮w上可以規(guī)劃為基礎(chǔ)部分與提高部分兩大模塊，基礎(chǔ)部分還是以Intel系列16位微處理器為硬件范例，從16位微機入手學習微機的組成結(jié)構(gòu)與工作原理，便于學生建立微機系統(tǒng)整機的概念，基礎(chǔ)部分為重點講授內(nèi)容，必須保證足夠的課時，有了這一基礎(chǔ)才能進入提高部分的學習。提高部分介紹32/64位Penti?um系列微處理器結(jié)構(gòu)，這一部分的教學以課堂討論的形式，主要分析32/64位微處理器與16位微處理器CPU的結(jié)構(gòu)，工作原理以及設(shè)計思想的不同，對比16位機它們的優(yōu)勢在哪里？引導學生自己分析CPU發(fā)展的趨勢與方向，從而提高學生的主觀能動性，培養(yǎng)獨立思考能力。

2.2 教學方法和手段

為了使教學內(nèi)容更加形象具體，在教學過程中要合理應(yīng)用多種教學方法與手段。《微機原理與接口技術(shù)》課程涉及到的原理對于學生來說比較難理解，授課教師如果只是照本宣科的講授，學生就會陷入被動接受的狀態(tài)，課堂中很容易出現(xiàn)思維疲勞，為了更有效地調(diào)動學生的學習積極性，授課教師應(yīng)該更多的利用啟發(fā)式教學方法。教授過程可以從功能出發(fā)反推結(jié)構(gòu)，然后再上升到原理，這樣學生可以帶著問題來理解工作原理與組成結(jié)構(gòu)。例如，教師在講解CPU原理結(jié)構(gòu)時，可以首先從計算機的設(shè)計思想：存儲程序與程序控制出發(fā)，要實現(xiàn)存儲程序與程序控制，那么一個微機就必需包括存儲設(shè)備與控制器，從而可以展開存儲器編址，CPU取指令，指令執(zhí)行等工作過程的學習，這樣學生帶著問題來學習原理更容易接受。

目前高校大部分課程都采用多媒體PPT教學，教學實踐中發(fā)現(xiàn)如果僅僅采用這種方式，課堂教學感覺比較單調(diào)，并且某些教學內(nèi)容的過程與思想不容易體現(xiàn)，因此教師在授課過程中應(yīng)該根據(jù)授課內(nèi)容適當?shù)倪x擇板書、動畫、幻燈等多種方式來組織教學。在原理部分應(yīng)該更多的應(yīng)用動畫來表現(xiàn)，在講解微機總線結(jié)構(gòu)與控制字原理時，設(shè)計了圖1所示動畫框，這里有寄存器A、B、C、D，點擊寄存器對該寄存器對應(yīng)的控制字進行設(shè)置，然后點擊CLK，可以在總線上實時觀察在時鐘控制下數(shù)據(jù)在寄存器中的流通過程，從而非常形象地描述了總線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)交換過程以及控制器的功能。通過動畫設(shè)計將理性思維與感性思維有機的結(jié)合起來，使枯燥難懂的內(nèi)容變得容易理解，學生的學習興趣會大大提高。

圖1 總線與控制字動畫示意圖

實踐證明，靈活應(yīng)用多種恰當?shù)慕虒W方法，能有效調(diào)動學生的學習積極性，激發(fā)他們的學習興趣，教學效果反饋良好。

2.3 實踐教學環(huán)節(jié)模式改進

《微機原理與接口技術(shù)》實踐教學是該課程的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)信息技術(shù)類學生動手能力、創(chuàng)新能力與綜合應(yīng)用能力不可或缺的組成部分。傳統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ揭话悴捎脤嶒炏溥M行，往往通過USB接口將PC系統(tǒng)總線引出，然后在實驗箱上實現(xiàn)端口地址譯碼，8255、8253等接口芯片的擴展設(shè)計，這種方式學生看不到微處理器，芯片都固定在實驗箱上，內(nèi)部很多電路已經(jīng)連接好了，學生無法自己選擇芯片，自己設(shè)計電路以及自己規(guī)劃地址，甚至實驗完成后學生都沒有搞清楚各個部分的連接關(guān)系。為了進一步提高學生對微機整機結(jié)構(gòu)的認識，以及系統(tǒng)設(shè)計的能力，可以在實驗教學過程中引入仿真軟件Proteus，可以將Proteus仿真訓練與傳統(tǒng)的實驗箱實踐過程有機結(jié)合起來，實驗初期應(yīng)該從一個簡單的實例出發(fā)，讓學生首先完成Proteus仿真實驗，這樣能加深學生對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的認識與理解，有了這一認識基礎(chǔ)，學生在實驗箱上進行接口實驗設(shè)計時就能更好地理解電路結(jié)構(gòu)與工作過程，學生的學習主動性與積極性也得到提高，從而培養(yǎng)了學生的綜合設(shè)計與創(chuàng)新能力。

3 結(jié)語

《微機原理與接口技術(shù)》課程旨在幫助學生建立計算機系統(tǒng)整機概念，培養(yǎng)學生硬件與軟件的分析設(shè)計能力，為今后深入學習嵌入式系統(tǒng)開發(fā)打下堅實的理論基礎(chǔ)。針對目前教學中存在的問題，本文從教學內(nèi)容設(shè)計，教學方法選擇以及實踐教學模式擴充三個方面提出了一些改進措施，教學是一門藝術(shù)，好的方法能激發(fā)學生的學習熱情，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，湖北大學的大多數(shù)學生對《微機原理與接口技術(shù)》課程的教學效果表示滿意，教學過程中學生們普遍對教學內(nèi)容感興趣，課堂與實踐教學中師生互動多，學生學習積極性高，取得了良好的教學效果。

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