新工科背景下微機原理與接口技術教學改革探析

摘要：文章討論了“新工科”背景下微機原理與接口技術課程教學改革問題。提出了基于課程體系的教學指導思想；與時俱進不斷更新理論教學內容；設計了全新的軟件實驗項目并改進硬件實驗項目提高學生創新能力；課程網站中設計了課堂測試和課后作業環節檢測教學效果；改進了出勤考核方法提高到課率。實踐證明這些改革和建設對于教學質量的提高有顯著作用，符合“新工科”對于課程建設的要求。

關鍵詞：新工科；微機原理與接口技術；教學改革；探析；實踐

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）27-0161-03

0 引言

為主動應對新一輪科技革命和產業變革的挑戰，主動服務國家創新驅動發展和“一帶一路”“中國制造2025”“互聯網+”等，加快工程教育改革創新，培養造就一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才，支撐產業轉型升級，教育部于2017年2月開始積極推進新工科建設，努力探索工程教育的中國模式，培養具有中國特色的具有創新能力的工程技術人才，助力我國的高等教育強國建設[1]。此后，我國高校的工科專業圍繞工程教育改革的新理念、學科專業的新結構、人才培養的新模式、教育教學的新質量、分類發展的新體系開展了大量的研究和實踐，取得了大量的理論研究成果和實踐成果。這種面向創新能力培養的教育教學改革致力于提高工科學生的自主學習與動手實踐能力，有助于高等院校建立更加完善的教學規章制度，制定更加符合工程教育規范的課程計劃，從而能進一步構建更加完善的新型教育管理體系，為國家和社會提供更多專業水平高、具備多專業知識整合能力與創新意識的新時代優秀工科人才[2]。

專業是人才培養的基本單元，教學改革改到要處是專業；課程是人才培養的核心要素，教學改革改到深處是課程[3]。為滿足國家對新工科人才的需求，各高校正在積極響應號召，不僅開設人工智能、機器人以及云計算等新興專業及新興課程，還嘗試在傳統工科的課程上作出改變，以滿足新工科教育的建設和發展要求[4]。微機原理與接口技術是當前很多高校工科專業的專業基礎課程，在專業課程體系中占有重要地位，同時，該課程也是一門歷史悠久的傳統課程，為了滿足新工科對人才的需求，需要加大課程教學改革的力度。為此，文章探討了基于新工科背景下的微機原理與接口技術課程教學改革。

1 課程教學目標定位

微機原理與接口技術是吉首大學電子信息類專業非常重要的專業基礎課程，要求學生理解和掌握數制系統、微處理器的基本結構和工作原理、匯編語言程序設計、接口電路的工作原理與編程、系統總線等，具備軟硬件緊密結合的顯著特點。通過學習，幫助學生理解計算機系統的底層工作原理，培養學生綜合運用模擬電子技術、數字電子技術、匯編語言、C語言等相關知識理解和設計接口電路、編寫接口電路初始化程序等方面的能力。

微機原理與接口技術課程整合了早期匯編語言程序設計、微型計算機原理、微型計算機接口技術三門課程的內容，節省了大量的教學時間。隨著時代發展和技術的進步，特別是近些年來教育部推進新工科和一流課程建設，微機原理與接口技術原有的教學內容已經不能適應新的要求，需要開發新的理論教學與實驗教學體系。為此，基于現有條件，結合新工科和一流課程建設的新要求，做了大量研究與實踐。

2 理論教學取得的新成果

2.1 提出了課程體系的教學觀點

理論課教學提出了“基于課程體系的課程教學”觀點，并貫徹于教學實踐之中。微機原理與接口技術課程的特點表現為：理論簡單一看就懂；實踐要求高一做就錯；一學就忘。內容涉及匯編語言、C語言、數字電子技術等多門課程，還涉及IT產業發展及產業標準等各類繁雜的知識領域。在理論課教學中，需要將不同領域的知識有機融入其中，實現不同課程的有機融合，幫助學生建立課程體系的觀念[5]。

軟件教學部分，將匯編語言與C語言程序做對比討論，使學生對C語言的理解更深入。如數據類型，對于字數據，匯編語言中用DW定義并分配2個字節的存儲空間，在Turbo C編譯環境下用int定義并分配2個字節單元，在Visual Studio C++ 6.0版本中int型數據被分配4個字節，而最新版本的一些編譯軟件中int 型數據則分配了8個字節，這與CPU字長由8位、16、32到64位的變化是對應的，以便充分發揮計算機的性能，提高數據的傳輸速率。

硬件教學部分，有機結合數字電子技術中相關的內容，使學生理解芯片工作的底層原理。如在講授定時計數器芯片8253時，結合數字電子技術的計數器部分，回顧了計數器的各種類型。8253定時/計數器芯片采用減法計數，支持二進制和十進制，十進制計數時采用8421BCD碼計數，不同計數制最大計數值不同，從而加深了本課程與數字電子技術相關知識的銜接，這種授課方法非常有利于幫助學生建立課程體系的觀念。

在介紹基本接口芯片工作原理時，提出思考問題“早期的計算機主板上有這些基本的接口芯片，現在的計算機主板上則找不到這些芯片，這是為什么？這些芯片的學習還有價值嗎？”早期芯片的設計水平和制造水平有限，故而在主板上安裝了多個獨立的芯片，現在芯片的設計水平和制造水平極高，能夠把多個芯片加以集成。目前計算機的主板上除了CPU以外，還有兩塊規模巨大的芯片，分別稱為“北橋”和“南橋”，北橋負責高速數據通信，南橋則控制低速的I/O，早期獨立芯片的功能就集成在這些橋片中，并且早期芯片所用的編程方法及分配的I/O地址均繼承了下來，以保證計算機的軟硬件兼容，這是IT產業發展的需要。隨著半導體技術的發展，甚至將北橋芯片的功能集成到了CPU中，主板上不再需要北橋芯片，同理，南橋芯片也在進一步整合，功能在進一步多樣化，甚至以后可能也會消失。

2.2 構建了新的理論課教學體系

微機原理與接口技術屬于歷史較長的課程，隨著計算機技術的進步，課程內容也在日益老化，8086/8088 CPU已經過時，學生所學的知識難有用武之地。很多專家學者積極探討課程的教學改革，有些專家提出了采用單片機講授微機原理與接口技術的方案。但是，這種方案的缺點也非常明顯，主要表現在：

第一，早期的單片機系統有總線擴展的需求，現在的單片機系統幾乎不需要做總線擴展，如果需要做擴展，開發者通常會選擇更換單片機芯片實現，以降低開發成本，降低系統復雜程度，提高系統可靠性。

第二，微型計算機是一個軟硬件結合的復雜系統，單片機產品只是一個控制裝置，無法講清楚計算機系統。

第三，8086/8088 CPU雖然已經過時，但是整個計算機產業甚至可以說IT產業是基于這款CPU發展起來的，后續開發出來的CPU對8086/8088 CPU做了繼承，大量早期的技術目前還在使用，區別主要在于現在是在一個速度更快規模更大復雜程度更高的計算機系統上使用。學生以后如果從事相關領域的技術工作，這些知識和技術都是必備的基礎。

基于各種原因，用單片機講授微機原理與接口技術的方案沒有得到大量使用。但是，8086/8088 CPU嚴重過時，現實中除了教學儀器以外幾乎不再使用也是事實，只有改革才有出路，要賦予舊知識新生命。目前已經出現了一批新教材，融入了現代計算機的新技術。筆者經過長期研究，制作了新的教學課件，吸納了新知識新技術，去掉了陳舊無用的相關內容，課件針對課程本身而非教材，從而增強了課件的通用性。

3 實驗教學取得的新成果

3.1 開發了綜合性的軟件實驗項目

以前，軟件設計實驗比較簡單，學生根據要求編寫程序，使用Debug調試工具跟蹤分析得到結果，語言單一，對程序運行界面要求較少，缺乏挑戰。為此，精心設計了新的軟件實驗項目，顯著改善了實驗教學效果。新的軟件實驗體現出了高度的綜合性，要求較多并逐步提高，對培養學生自主學習、注重程序運行界面設計具有顯著的作用。例如，某次軟件設計實驗內容如下：

問題描述：若1KB的數據存放在以TABLE為首地址的主存區域，請編寫程序將該數據塊搬到以NEXT為首地址的主存區域中，要求如下：

1） 利用MOV指令配合循環結構編程實現。

2） 利用串處理指令及指令前綴實現。

3） 使用系統功能調用，顯示程序運行后TABLE 區域及NEXT區域的內容，比較判斷是否成功地實現了數據搬遷。

4） 在C 語言中定義TABLE 和NEXT 數組，顯示TABLE區域中的內容，利用內嵌匯編語言程序實現數據搬遷，然后在C語言中顯示NEXT區域的內容，比較判斷是否成功地實現了數據搬遷。

實驗課題只有一個，但是要求學生通過不同的方法“玩轉”該題目。前兩點要求用不同的指令實現；第三點要求設計程序運行界面，直觀地顯示程序運行的結果，而不是用Debug程序調試分析；第四點要求采用匯編語言和C語言混合編程實現，發揮兩種語言各自的優勢。

該實驗項目的要求遠遠高于傳統的軟件實驗，對學生編程能力的培養有顯著的作用，指導老師編寫了示例程序演示運行的效果供學生參考，示例程序的數據段定義如圖1所示。

在另外一個軟件實驗項目中，要求學生編寫程序輸入一個以“#”為結束符的字符串，統計輸入的數字字符、大寫字符、小寫字符及其他字符的個數，并顯示字符個數。示例程序數據段定義如圖2所示。

新的軟件實驗要求直觀顯示程序運行結果，而不是用Debug程序跟蹤調試。要完成結果顯示，涉及系統功能調用、代碼轉換等多方面的問題。此外，還要注意程序的編排格式、符號取名、注釋編寫等各個細節，顯著提高了編程的趣味性和挑戰性，編程能力對于接口程序的編寫具有非常重要的意義。

3.2 設計了新的硬件實驗項目

以前，硬件實驗通常采用實驗箱自帶的實驗項目，這種教學方式存在明顯的缺陷，主要表現為：

第一，學生對CPU引腳信號缺乏深入理解，對硬件連接的底層原理不清楚。

第二，學生按照實驗指導手冊完成實驗操作，需要學生思考的問題少，限制了學生主觀能動性的發揮。

第三，學生需要自己編寫的程序很少，絕大多數同學照抄實驗系統自帶的源程序完成實驗報告，敷衍應付了事，對培養學生編程能力的作用甚少。

針對傳統硬件實驗教學存在的問題，重新設計了實驗項目。

為了加深對CPU引腳信號的理解，某次實驗要求利用Proteus軟件繪制8086最小系統電路原理圖，使用的器件包括74LS245和74LS373，極大地促進了學生對8086 CPU引腳信號含義、總線產生方法以及硬件連接邏輯的理解。

為了防止學生照抄實驗箱程序，根據硬件原理圖提出了新的要求，新要求盡最大可能保證學生必須自己編寫控制程序，而不是運行系統自帶的程序并在實驗報告中照抄實驗箱源程序簡單敷衍了事。

例如，在D/A轉換實驗中，需要產生方波和三角波信號，并用示波器觀察波形。但實驗室沒有配備示波器，也沒有虛擬示波器可用。因此，將實驗項目做出修改，利用實驗箱上的發光二極管顯示信號。

周期性地給轉換器輸入立即數00H和0FFH，給轉換器輸入00H時發光二極管熄滅，給轉換器輸入0FFH時發光二極管發亮，可以演示方波信號的效果。

依次給轉換器輸入00H、01H、02H、...、0FFH，每送一個立即數做短暫延時，然后從0FFH開始，依次減1，一直減到00H，如此循環。可以觀察到發光二極管逐步變亮，到達最亮時再逐步熄滅，如此反復，把三角波信號的效果演示出來。

在A/D轉換實驗中，把A/D轉換器、8255、發光二極管結合起來，設計綜合性的實驗，還可以把8253、8259集成到實驗中，設計一個規模更大的綜合性實驗項目，這些做法都能有效地促進學生主動思考，避免簡單地按照實驗手冊連線然后運行自帶程序敷衍了事。

4 構建了新的課程測試手段，初步建成了課程網站

課程測試是了解學生學習狀態的重要手段。在以前的教學中，課堂作業參與的學生人數不多，參與程度不高，教師批改課后作業工作量巨大，缺乏作業講解，且當前學生均有手機，手機入袋工作的推進難度大，效果不好。

針對傳統作業方式存在的問題，加大了課程網站建設的力度。包括：第一，設計了十余套課堂測試題，設置了參考答案，每次測試的時間為10分鐘，學生用手機或平板電腦登錄學習通完成課堂練習，把手機和平板電腦變成了學習的工具，學生完成答題并提交后即可知道自己的分數和對錯，對錯誤較多的習題由教師當堂講解；第二，針對各章內容設計了多套課后測試題，設置了參考答案和完成時間，便于學生完成后查找問題所在，對于普遍存在的問題則加以講解，有效解決了傳統作業批改存在的缺陷，如圖3、圖4所示。

每次課堂測試因為題量和難度的不同，再考慮到學生填寫答案并提交均需要時間，設定完成的總時間大致為10多分鐘，完成后做批量批改，可以查看到每一位同學的分數和出錯的題目，系統還記錄了缺交的名單，為期末計算平時成績提供了依據，學生普遍反映課堂測試對于掌握所學知識具有顯著的作用。

為了提高學生的到課率，每次上課前學生用手機簽到。用手機掃二維碼或者使用位置簽到，后來發現有漏洞，學生把二維碼發給未到的同學，位置簽到也有缺陷，沒有進教室而在設定的距離范圍內的同學也能簽到。后來采用二維碼簽到，但是把掃碼時間設定為1分鐘左右，遲到的學生由教師予以標注遲到原因，以便教師準確了解學生出勤情況，沒有進教室的學生來不及反應簽到就結束了，極大地降低了簽到作弊的發生，在期末計算出勤分的時候就有了更客觀公正的依據，師生之間簡直就是“斗智斗勇”。

5 結束語

“新工科”“一流本科課程”等新理念對課程教學及課程建設提出了全新的要求，微機原理與接口技術按照“課程體系”的教學觀點，在理論教學、實驗教學、教學效果檢測等多方面進行了研究與實踐，對傳統工科課程按新的要求進行全方位的深化改革，以適應新時代對于創新人才培養的新要求，取得了較好的教學效果，學生所學知識及創新思維方式在學科競賽中也發揮了重要的作用。

在以后的教學中將進一步加大教學改革與建設的力度，具體包括：針對教學的重點難點問題錄制短視頻、進一步豐富軟硬件實驗項目、增加Proteus軟件仿真實驗、繼續豐富課堂測試及課后測試題庫等。教學改革永遠在路上，只要緊跟時代，勤于思考和實踐，就會發現很多值得研究的問題，把教學改革最終落實到課程建設上，促進教學質量的提高，促進“新工科”等新要求的落地。

參考文獻：

[1] 李忠，高波，康燦.新工科背景下卓越工程人才實踐教學改革探索[J].高等工程教育研究，2019（S1）：36-38.

[2] 林健.新工科專業課程體系改革和課程建設[J].高等工程教育研究，2020（1）：1-13，24.

[3] 吳巖.深化“四新” 建設走好人才自主培養之路[J].重慶高教研究，2022，10（3）：3-13.

[4] 左國玉，雷飛，喬俊飛.新工科背景下面向創新能力培養的微機原理與應用課程改革[J].計算機教育，2021（2）：108-112.

[5] 向繼文.基于課程體系的原碼、反碼和補碼教學研究[J].電腦知識與技術，2022，18（36）：154-156，159.

【通聯編輯：王 力】

基金項目：吉首大學2023 年校級精品在線課程（JSUMK202324） ；2021 年湖南省普通高等學校教學改革研究項目——“新工科”背景下《數字電子技術》實驗教學改革與研究（HNJG-2021-0678）