不同專業(yè)背景微機(jī)原理差異化本科教學(xué)分析＊

崔娟娟，陳萬(wàn)培,2

(1.揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.揚(yáng)州大學(xué)信息工程學(xué)院)

0 引言

民用芯片技術(shù)一直以來(lái)都是我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的痛點(diǎn)，盡管在某方面有所突破，但是離世界前沿還有很長(zhǎng)的路要走。面對(duì)新一輪的工業(yè)革命，面對(duì)新工科建設(shè)，高校必須不斷審視和調(diào)整相關(guān)課程的教學(xué)。“微機(jī)原理”是大學(xué)工科各專業(yè)關(guān)于計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的基礎(chǔ)課程，是自動(dòng)化、電子、通信等專業(yè)的核心課。該課程對(duì)學(xué)生理解微型計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程、提高軟件開發(fā)能力以及適應(yīng)未來(lái)電子信息技術(shù)的發(fā)展有著重要作用。但是由于不同專業(yè)背景學(xué)生有著不同的先驗(yàn)課程，課程大綱不盡相同，不同專業(yè)學(xué)生對(duì)該課的理解能力也不同，因此針對(duì)不同專業(yè)需要結(jié)合相關(guān)先驗(yàn)課程進(jìn)行課堂設(shè)計(jì)。目前“微機(jī)原理”課程教學(xué)大致存在以下問題。

⑴多數(shù)學(xué)校在課程講授時(shí)重應(yīng)用輕原理。原因在于教材多以80×86、ARM 系列等CPU 為框架，由于技術(shù)封鎖無(wú)法掌握核心技術(shù)等多種原因，沒有辦法獲得底層原理，因此教材對(duì)8086 內(nèi)核的介紹非常有限，這就導(dǎo)致在多數(shù)時(shí)候?qū)W生聽起來(lái)枯燥無(wú)味，無(wú)法理解。

⑵“微機(jī)原理”是一門需要理論與實(shí)踐深入結(jié)合的課程，課程內(nèi)容紛繁復(fù)雜，比如設(shè)計(jì)CPU 內(nèi)部機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)以及與外部各部件、引腳之間時(shí)序邏輯等相互聯(lián)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。但是由于課時(shí)縮減，教學(xué)過(guò)程中理論與實(shí)踐無(wú)法很好兼顧，加之填鴨式教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生理論上無(wú)法建立完整的知識(shí)框架，更不能深層次理解知識(shí)結(jié)構(gòu)，實(shí)踐能力也得不到提升。

1 教學(xué)分析

“微機(jī)原理”是工科專業(yè)了解計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的入門課程，幾乎國(guó)內(nèi)高校所有的工科專業(yè)都開設(shè)了本門課程，但是針對(duì)不同專業(yè)又有不同針對(duì)性的課程設(shè)計(jì)，同時(shí)也反映了各高校的課程特色。文章選取通信工程、軟件工程、機(jī)械設(shè)計(jì)三個(gè)專業(yè)作為研究對(duì)象，如圖1所示，從三種不同的培養(yǎng)課程學(xué)習(xí)目標(biāo)可以看出：通信工程與軟件工程對(duì)課程深度要求較高，要求學(xué)生了解微機(jī)的工作原理，掌握常用的I/O 接口軟硬件技術(shù)，還需要學(xué)生理論聯(lián)合實(shí)際，有一定的軟硬件設(shè)計(jì)能力，教學(xué)安排對(duì)應(yīng)著40 理論課時(shí)+16 實(shí)驗(yàn)課時(shí)的課程時(shí)間；機(jī)械專業(yè)只對(duì)需了解一定的發(fā)展歷史和淺層次的工作原理，對(duì)軟硬件的設(shè)計(jì)能力要求較低。教學(xué)安排對(duì)應(yīng)著28理論課時(shí)+8實(shí)驗(yàn)課時(shí)的課程時(shí)間。

圖1 各專業(yè)對(duì)該門課的培養(yǎng)目標(biāo)

從圖2可以看出，三個(gè)專業(yè)中，通信工程的先驗(yàn)課程多達(dá)5門，主要涉及硬件的基礎(chǔ)知識(shí)，主要包括數(shù)字電路、模擬電路，語(yǔ)言預(yù)備基礎(chǔ)為C 語(yǔ)言；軟件工程的硬件基礎(chǔ)課程為數(shù)字電路，語(yǔ)言基礎(chǔ)為C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)和匯編語(yǔ)言；機(jī)械專業(yè)相關(guān)的硬件課程只為電工與電子技術(shù)，語(yǔ)言基礎(chǔ)為C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)。從前序課程安排來(lái)看，學(xué)生在該門課的基礎(chǔ)不同，勢(shì)必影響對(duì)課程的理解力。從后續(xù)課程安排來(lái)看，通信工程后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程最多，為四門課；軟件工程后續(xù)相關(guān)課程兩門，有一門為選修課程；機(jī)械只有一門，且為選修課。由此可見，不同專業(yè)學(xué)生由于專業(yè)課程安排，理解力和學(xué)習(xí)目標(biāo)都存在差異，那么在教學(xué)過(guò)程中需要探究不同的教學(xué)方法，以獲得更好的學(xué)習(xí)效率。

圖2 各專業(yè)相關(guān)課程安排

當(dāng)前各高校也積極探索，通過(guò)多種教學(xué)途徑提高教學(xué)質(zhì)量。馮其紅在“基于‘以學(xué)生為中心’理念的課程改革與實(shí)踐”中提出要樹立以學(xué)生為中心的教育理念，明晰教學(xué)過(guò)程中教與學(xué)的關(guān)系，充分尊重學(xué)生主體性、差異性和理論聯(lián)系實(shí)際的能力。授課過(guò)程中要按照課堂情況轉(zhuǎn)變教育教學(xué)理念、融合信息化教育技術(shù)、改革教育教學(xué)方法、深化協(xié)同育人模式。教學(xué)方法大致歸納為啟發(fā)式、互動(dòng)式、討論式、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式等多種方式，這些無(wú)一例外都需要考慮學(xué)生自身實(shí)際，因此對(duì)教師理解大綱、理解學(xué)生有很高要求。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 以競(jìng)賽課題帶動(dòng)通信工程專業(yè)微機(jī)原理的教學(xué)

競(jìng)賽對(duì)教學(xué)的促進(jìn)作用是有目共睹的，但是競(jìng)賽的難度對(duì)普通學(xué)生而言過(guò)高，參加過(guò)競(jìng)賽的尖子生在課堂上的帶動(dòng)作用也比較小。另外以競(jìng)賽促進(jìn)教學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的硬件設(shè)施需求量也比較大，對(duì)于單純某個(gè)專業(yè)的教學(xué)改革來(lái)講，還可承受，但是對(duì)于多種專業(yè)多個(gè)班級(jí)，則對(duì)實(shí)驗(yàn)室的管理、設(shè)施提出很高要求。因此，如何做好競(jìng)賽題目分解、利用虛擬仿真環(huán)境、做好小組安排是非常值得研究的。

本文引入“CDIO”的教學(xué)理念，通過(guò)讓學(xué)生構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）、運(yùn)作（Operate）全面獲得提升綜合能力。

智能車競(jìng)賽是電子類的主要競(jìng)賽項(xiàng)目，對(duì)“模電”和“數(shù)電”的基礎(chǔ)有較高要求，對(duì)通信工程的后續(xù)課程--單片機(jī)的學(xué)習(xí)也有促進(jìn)作用。該專業(yè)可以結(jié)合單片機(jī)的使用來(lái)開展教學(xué)。課堂上可分組教學(xué)，每組5人左右，配備一套開發(fā)板，從整體上介紹I/O口、處理器、存儲(chǔ)器等內(nèi)容，給出簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)供學(xué)生實(shí)驗(yàn)，比如：點(diǎn)亮LED 等。在該專業(yè)的C 語(yǔ)言和“模電”、“數(shù)電”基礎(chǔ)上，可以很快提高學(xué)生的興趣。當(dāng)學(xué)生具備一定的實(shí)踐基礎(chǔ)后再進(jìn)行理論學(xué)習(xí)。同樣的，理論課用PPT 形式講解。微機(jī)原理與單片機(jī)不一樣的地方是：微機(jī)系統(tǒng)更加復(fù)雜，微機(jī)原理多是以8086CPU 為框架結(jié)構(gòu)、匯編語(yǔ)言進(jìn)行教學(xué)。因此在教學(xué)過(guò)程中教師需要將涉及的知識(shí)點(diǎn)有機(jī)串聯(lián)，加強(qiáng)學(xué)生認(rèn)知。在進(jìn)入課程設(shè)計(jì)單元，合理分解競(jìng)賽題目，讓學(xué)生完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)使用等內(nèi)容。此種教學(xué)方式對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)和課堂組織有著較高要求，但能快速提高學(xué)生自驅(qū)力和學(xué)習(xí)效率。

2.2 以慕課+翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合方式對(duì)軟件工程授課

針對(duì)軟件工程專業(yè)，該專業(yè)的硬件要求稍許降低，學(xué)生著重學(xué)習(xí)跟專業(yè)更為密切的內(nèi)容，因此可以選擇慕課結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的方式進(jìn)行授課。經(jīng)過(guò)疫情，學(xué)生早已適應(yīng)在線課堂的節(jié)奏，網(wǎng)路課程為異步傳授，可以不受時(shí)間和空間的約束，但需要注意幾點(diǎn)問題：一、學(xué)生上課主動(dòng)性不足。在線課程的學(xué)習(xí)需要學(xué)生有更強(qiáng)的自驅(qū)力和自我約束力，多數(shù)學(xué)生不能抵御網(wǎng)絡(luò)誘惑，一心二用。雖然完成了視頻瀏覽時(shí)長(zhǎng)，但學(xué)習(xí)效果低于線下課堂。二、課堂討論達(dá)不到預(yù)期。翻轉(zhuǎn)課堂的目的是讓課堂回歸培養(yǎng)學(xué)生能力的目標(biāo)，但是如果慕課效果達(dá)不到預(yù)期，那么課堂實(shí)踐、課堂討論的效果必然不佳。三、考核程度標(biāo)準(zhǔn)不一。目前考核的形式已不再拘泥于一張?jiān)嚲恚话銋⒖紝?shí)驗(yàn)、實(shí)踐、大作業(yè)等方式。如果以翻轉(zhuǎn)課堂的形式展開教學(xué)，那么課堂表現(xiàn)應(yīng)占較大的考核比重。因此設(shè)定課堂占比和課堂考核標(biāo)準(zhǔn)變得與教師個(gè)人標(biāo)準(zhǔn)密切相關(guān)，某種程度上過(guò)于主觀。

2.3 主題式聯(lián)動(dòng)教學(xué)

針對(duì)機(jī)械專業(yè)教學(xué)，從教學(xué)目標(biāo)上來(lái)看，課程深度要求不高，那么從可以調(diào)整內(nèi)容維度，適當(dāng)增加內(nèi)容趣味性。在教學(xué)設(shè)計(jì)上，可以以書本章節(jié)為主線開辟主題式討論，適當(dāng)增加當(dāng)前局勢(shì)、課程思政、最新產(chǎn)品技術(shù)等內(nèi)容。比如：就缺芯問題、半導(dǎo)體行業(yè)歷史展開課堂討論，并要求學(xué)生制作小視頻。在實(shí)踐環(huán)節(jié)，可以就實(shí)驗(yàn)主題倒推理論知識(shí)，讓學(xué)生自主查閱資料并實(shí)施。整個(gè)過(guò)程中學(xué)生創(chuàng)新思維、動(dòng)手能力以及與專業(yè)結(jié)合的能力都能得到提升，教學(xué)過(guò)程教師也能碰撞出思維火花。這種方式能夠增加課程趣味性，提高大部分學(xué)生的主觀能動(dòng)性，同時(shí)對(duì)教師知識(shí)的廣度、課程創(chuàng)新能力、新信息接受能力等素質(zhì)有著較高要求，需要深度挖掘。

3 結(jié)束語(yǔ)

教育的重要功能之一是要把人的創(chuàng)造與創(chuàng)新力量誘導(dǎo)激發(fā)出來(lái)，激發(fā)潛能、發(fā)展個(gè)性、活躍思維。許多高校一直致力于課堂教學(xué)創(chuàng)新，推動(dòng)精品課程建設(shè)，慕課、微課層出不窮，以期待獲得更好的教學(xué)效果和學(xué)習(xí)熱情。但是知識(shí)的橫向和縱向的要求不可兼得，在短短的安排的課時(shí)里學(xué)生主動(dòng)獲得的知識(shí)量一般不會(huì)超過(guò)總量的80%。因此，因材施教，提升學(xué)生自我學(xué)習(xí)能動(dòng)力非常重要。在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮專業(yè)特點(diǎn)是非常必要的。本文的教學(xué)設(shè)計(jì)初步實(shí)施，得到了較好的效果，課堂積極性有較大的提高。但還存在一些問題：學(xué)生適應(yīng)度不夠，參與度低；對(duì)實(shí)踐課題拆分生硬，需要后期更多研究等。教學(xué)對(duì)教師而言，未來(lái)需要用時(shí)間完善，目前處于起步階段，教師需要做的是緊跟時(shí)勢(shì)，更新觀念。