邱應(yīng)強(qiáng)

華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 福建廈門 361021

由于電子信息科學(xué)與工程類學(xué)科專業(yè)具有發(fā)展速度快和交叉學(xué)科多的特點，并隨著社會需求的不斷變化，需要統(tǒng)籌考慮、全面規(guī)劃專業(yè)教學(xué)內(nèi)容和知識體系。微機(jī)原理與接口技術(shù)和單片機(jī)原理與應(yīng)用是目前大多數(shù)高校電子信息類專業(yè)開設(shè)的已發(fā)展較成熟的專業(yè)課程。其中，專業(yè)基礎(chǔ)課程微機(jī)原理與接口技術(shù)以早已退出應(yīng)用領(lǐng)域的Intel 8086/8088 CPU為教學(xué)模型機(jī)，偏重于系統(tǒng)理論的教學(xué)，而單片機(jī)原理與應(yīng)用課程以51系列單片機(jī)為教學(xué)模型機(jī)，偏重于實踐應(yīng)用的教學(xué)。我校長期以來與大多數(shù)高校一樣，前后分兩個學(xué)期單獨開設(shè)這兩門課程。貫徹落實“高校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”，亟待加強(qiáng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神，針對微機(jī)原理課程教學(xué)內(nèi)容相對陳舊而兩門課程在教學(xué)內(nèi)容上存在一定重復(fù)的問題，我校將這兩門課程合二為一，課程名稱仍為“微機(jī)原理與接口技術(shù)”，安排45學(xué)時的理論教學(xué)，并配備20學(xué)時的微型計算機(jī)接口(單片機(jī))實驗。

1 課程教學(xué)內(nèi)容探索

專業(yè)知識體系由知識領(lǐng)域、知識單元和知識點三個層次組成，專業(yè)知識體系分成學(xué)科基礎(chǔ)知識體系和專業(yè)方向知識體系。電子信息類學(xué)科基礎(chǔ)知識體系由電路與電子學(xué)知識領(lǐng)域、信號系統(tǒng)與控制知識體系、計算機(jī)知識領(lǐng)域和電磁場知識領(lǐng)域四個基本知識領(lǐng)域構(gòu)成[1]。傳統(tǒng)的微機(jī)原理課程作為計算機(jī)知識領(lǐng)域的專業(yè)基礎(chǔ)課，與計算機(jī)文化基礎(chǔ)、C語言、電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等先導(dǎo)課程聯(lián)系緊密，同時又是單片機(jī)原理與應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用、DSP原理與應(yīng)用、現(xiàn)代計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信等后續(xù)課程的理論基礎(chǔ)。該課程在上述學(xué)科前三個基礎(chǔ)知識領(lǐng)域與電子信息類各專業(yè)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(shù)的迅猛發(fā)展，微處理器的發(fā)展也日新月異，其芯片集成度越來越高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，處理能力越來越強(qiáng)，已進(jìn)入64位的微處理器時代。對于剛剛進(jìn)入高校的本科生，如果直接學(xué)習(xí)32位、甚至64位的微機(jī)系統(tǒng)原理，需要掌握的相關(guān)背景知識太多，容易陷入技術(shù)的泥潭中[2]。而傳統(tǒng)的微機(jī)原理介紹的16位的微處理器8086/8088及其相應(yīng)的配套接口芯片早已退出應(yīng)用舞臺，造成知識點與實際應(yīng)用存在較大的脫節(jié)，讓學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)這門課程沒有用的錯覺。雖然微機(jī)原理理論更系統(tǒng)，而單片機(jī)應(yīng)用性更強(qiáng)，但這兩門課程在內(nèi)容上(原理與接口應(yīng)用等)和形式上(指令系統(tǒng)和匯編程序設(shè)計等)具有較大的交叉，獨立設(shè)課將不可避免地出現(xiàn)知識點的重復(fù)和各自重點的缺失。此外，盡管微機(jī)原理課程偏重于系統(tǒng)理論，但也是一門實踐性很強(qiáng)的課程，需要通過實驗實踐來加深對系統(tǒng)理論的理解，以8086/8088為核心的實驗平臺缺乏實際應(yīng)用背景，在學(xué)時較少的情況下實驗教學(xué)效果較差，如果采用廣泛使用的51系列單片機(jī)來合理地設(shè)計實驗課程內(nèi)容，實驗將具有更強(qiáng)的實際應(yīng)用背景，可以更有效地與系統(tǒng)理論知識協(xié)調(diào)互補(bǔ)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課外動手實踐制作，可更好地增強(qiáng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神。為此，我校電子信息類專業(yè)將這兩門課程合二為一，安排45學(xué)時的理論教學(xué)和20學(xué)時的實驗教學(xué)。

由于各領(lǐng)域的應(yīng)用需求不同，微型計算機(jī)系統(tǒng)形成了以PC機(jī)為代表的通用微型計算機(jī)系統(tǒng)和以單片機(jī)、ARM，DSP，SOC，SOPC等為代表的嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)這兩大分支。盡管這兩大分支系統(tǒng)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(jié)構(gòu)計算機(jī)工作原理演變而來，存在很多共同的知識點。因此，課堂教學(xué)應(yīng)首先介紹計算機(jī)的基本原理：對數(shù)制與編碼、計算機(jī)的基本組成邏輯電路、存儲器等基礎(chǔ)知識簡要回顧，做好課程與數(shù)字電子技術(shù)課程內(nèi)容的銜接；明確計算機(jī)系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)組成上以運(yùn)算器和控制器為中心引出系統(tǒng)總線配備存儲器和輸入輸出設(shè)備，以指令系統(tǒng)作為軟件基礎(chǔ)明確計算機(jī)是按照給定程序，逐條執(zhí)行指令從而實現(xiàn)特定功能，明確程序設(shè)計語言中的機(jī)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(guān)系；硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)有機(jī)組合在一起才能構(gòu)成完整的微機(jī)系統(tǒng)，以計算機(jī)執(zhí)行訪問存儲器或I/O設(shè)備程序過程舉例說明微型計算機(jī)的基本工作過程和原理；從中斷基本概念出發(fā)明確中斷系統(tǒng)功能和中斷處理過程，介紹中斷程序的一般設(shè)計方法，從而明確計算機(jī)中斷系統(tǒng)的原理。由于51系列單片機(jī)“麻雀雖小五臟俱全”，一個芯片包含了計算機(jī)結(jié)構(gòu)中運(yùn)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(yīng)用背景，比較容易進(jìn)行各種系統(tǒng)設(shè)計實驗，因此，學(xué)習(xí)計算機(jī)的基本工作原理后，可著重講授51系列單片機(jī)原理及應(yīng)用。通過對51系列單片機(jī)內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)和工作原理的學(xué)習(xí)，輔以電源電路、復(fù)位電路和時鐘電路建立單片機(jī)最小系統(tǒng)作為硬件平臺；在軟件基礎(chǔ)方面，理解和掌握80C51指令系統(tǒng)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(xiàn)特定功能的匯編程序設(shè)計方法，從而更深入地理解和掌握單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，再偱序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生采用高級語言進(jìn)行程序設(shè)計，實現(xiàn)與C語言課程內(nèi)容的銜接；通過內(nèi)部主要功能單元(定時/計數(shù)器、UART串行接口和中斷系統(tǒng))結(jié)構(gòu)和編程應(yīng)用、單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展和接口的編程應(yīng)用的學(xué)習(xí)，從軟硬兩方面綜合實現(xiàn)單片機(jī)的實際應(yīng)用。在學(xué)時允許的條件下，最后簡要介紹微型計算機(jī)系統(tǒng)的原理與應(yīng)用，加深計算機(jī)系統(tǒng)工作原理的理解，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定理論基礎(chǔ)。

教學(xué)是教師的教和學(xué)生的學(xué)所組成的一種人類特有的人才培養(yǎng)活動。站上講臺，教師要明確教什么，幫助學(xué)生建立學(xué)科相關(guān)課程的體系結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生明確所學(xué)課程在學(xué)科體系中的地位和作用，明確能夠?qū)W什么。以上介紹可明確我校電子信息專業(yè)微機(jī)原理與接口技術(shù)課程改革后“教什么與學(xué)什么”的問題。

2 課程教學(xué)方法探索

通過對課程教學(xué)內(nèi)容的探索，課程重點講授微型計算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)及其基本工作原理、單片機(jī)工作原理和實際開發(fā)應(yīng)用兩部分內(nèi)容，課程具有較強(qiáng)的理論性和應(yīng)用性，課程內(nèi)容比較抽象，如何提高課程教學(xué)效果，需要深入探索“怎么教與怎么學(xué)”的問題。

2.1 課堂授課方式探索

隨著現(xiàn)代化多媒體教學(xué)方式的普及，傳統(tǒng)的純板書教學(xué)方式逐步被多媒體投影教學(xué)方式取代。這種現(xiàn)代化的教學(xué)方式在聲形結(jié)合、圖文并茂地給學(xué)生帶來不同的學(xué)習(xí)體驗的同時，也顯現(xiàn)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(xué)內(nèi)容時，學(xué)生聽到的講解聲音和看到的課程內(nèi)容處于脫離狀態(tài)，視覺和聽覺難以集中[3]。此外，由于多媒體教學(xué)沒有教師板書環(huán)節(jié)，課堂教學(xué)信息量增大，學(xué)生對課程內(nèi)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(dǎo)致教學(xué)效果不佳，不具有傳統(tǒng)板書教學(xué)方式中學(xué)生的視覺和聽覺集中在教師板書區(qū)域，能夠跟隨教師板書節(jié)奏邊聽邊理解的優(yōu)點。因此，我們針對具體教學(xué)內(nèi)容采用傳統(tǒng)板書與現(xiàn)代化多媒體相結(jié)合的方式授課，不僅給學(xué)生帶來圖文并茂的學(xué)習(xí)體驗，同時對于重點和難點知識，采用板書形式循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生一起互動式理解并掌握，提高教學(xué)效果。例如：通過舉例方式講解匯編語言程序設(shè)計基本方法，通過課件顯示例題題目內(nèi)容可節(jié)省傳統(tǒng)板書書寫時間，對設(shè)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(jù)進(jìn)一步采用傳統(tǒng)板書的方式引導(dǎo)學(xué)生一起在黑板上依次書寫一條條的指令，完成程序設(shè)計，然后將備課時在計算機(jī)上編輯好的程序源代碼用仿真軟件運(yùn)行并通過投影儀展示程序運(yùn)行過程。

由于該課程在學(xué)科專業(yè)體系中承上啟下，課程內(nèi)容與數(shù)字電子技術(shù)息息相關(guān)，在授課過程中要注重相關(guān)課程的銜接。例如：講授總線概念時，可聯(lián)系數(shù)字電子技術(shù)課程中講授的三態(tài)門采用分時工作的工作方式，主要應(yīng)用在計算機(jī)總線中；講授存儲器擴(kuò)展時，聯(lián)系數(shù)字電子技術(shù)課程中講授的半導(dǎo)體存儲器的相關(guān)概念；講授定時/計算器時，聯(lián)系數(shù)字電子技術(shù)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(jī)中有符號數(shù)采用補(bǔ)碼形式可將符號位直接參與運(yùn)算，結(jié)果仍為補(bǔ)碼形式表示時，可進(jìn)一步拓展到數(shù)字系統(tǒng)中有符號表示和運(yùn)算均采用補(bǔ)碼形式。此外，課程內(nèi)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(xué)習(xí)的知識點相關(guān)，我們就引導(dǎo)學(xué)生翻到教材學(xué)過的相關(guān)知識點位置，將前后知識點有機(jī)結(jié)合起來，幫助學(xué)生形成完整的課程體系。

由于課程部分內(nèi)容較為抽象、難以理解，在講授相關(guān)內(nèi)容時，還可采用比喻的方法用日常生活中相似的事例進(jìn)行類比，將抽象內(nèi)容形象化、生動化，讓學(xué)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(xiàn)學(xué)生提出疑問并解答完畢回歸正常講課”作類比?！敖處熣Ｊ谡n”類似于“執(zhí)行主程序”，“學(xué)生舉手”類似于“中斷請求”，“教師請學(xué)生提出疑問”類似于“中斷響應(yīng)”，“學(xué)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(xué)生提出疑問前的授課進(jìn)度和內(nèi)容”類似于“中斷的斷點”，學(xué)生通過這樣的類比可以更好地理解和掌握中斷的相關(guān)概念。講授“MOV”傳送指令時，可用學(xué)生在課堂上抄作業(yè)進(jìn)行類比。講授空操作指令“NOP”時，可拿學(xué)生在課堂上打瞌睡作類比，類比過程引來了學(xué)生哄堂大笑，活躍課堂氣氛的同時，也提醒部分學(xué)生要遵守課堂紀(jì)律，不要在課堂上虛度光陰。

2.2 注重實驗實踐環(huán)節(jié)

本課程是實踐性和應(yīng)用性非常強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，僅僅通過課堂教學(xué)來學(xué)習(xí)掌握基本系統(tǒng)概念、工作原理、設(shè)計原則和方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，尤其在當(dāng)今大力提倡以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為核心的素質(zhì)教育中，為滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的需要，必須將理論和實踐緊密結(jié)合起來，用理論指導(dǎo)實踐，用實踐強(qiáng)化理論。因此，教學(xué)雙方都要注重實驗實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，正確合理地設(shè)計實驗課程內(nèi)容，并采用探究式教學(xué)方法，以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，調(diào)動學(xué)生的積極性，挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛力，變被動接收為主動探求，“做中學(xué)，學(xué)中做”，做到學(xué)以致用、活學(xué)活用。

實驗課程采用層次化的實驗實踐內(nèi)容體系，分成基礎(chǔ)實驗、系統(tǒng)綜合實驗和課程設(shè)計實踐三個層次?；A(chǔ)實驗內(nèi)容包括：軟件開發(fā)環(huán)境和簡單程序設(shè)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(chǔ)實驗逐步掌握單片機(jī)的定時/計數(shù)器、中斷、串行通信、系統(tǒng)擴(kuò)展、接口技術(shù)等功能，在實驗過程中偱序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生采用C語言進(jìn)行程序設(shè)計。以簡易數(shù)字時鐘設(shè)計為題進(jìn)行系統(tǒng)綜合實驗訓(xùn)練，讓學(xué)生將基礎(chǔ)實驗中掌握的單片機(jī)各功能模塊組成完整系統(tǒng)，建立單片機(jī)系統(tǒng)整體概念，學(xué)會站在系統(tǒng)的高度分析和解決問題，初步具備單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)能力。通過以上兩個層次的訓(xùn)練后，學(xué)生有了一定的理論基礎(chǔ)以及實踐能力，則進(jìn)入課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)。學(xué)生通過課外時間自行選擇課題，獨立完成相關(guān)軟件和硬件的設(shè)計，要求設(shè)計實物系統(tǒng)測試驗收，訓(xùn)練學(xué)生自主解決問題的能力和創(chuàng)新能力。

由于實驗項目設(shè)計來自實際應(yīng)用課題，使得實驗課程更接近實際應(yīng)用。設(shè)計性、綜合性實驗占85%，要求根據(jù)任務(wù)，做好預(yù)習(xí)，根據(jù)參考方案或自行設(shè)計硬件電路，編寫相應(yīng)的程序。每位學(xué)生獨立完成軟硬件的調(diào)試，做好實驗記錄并由指導(dǎo)教師檢查后簽字確認(rèn)。每個實驗結(jié)束后，要求學(xué)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(jié)果分析等。

3 課程教學(xué)目標(biāo)探索

將傳統(tǒng)的微機(jī)原理與接口技術(shù)和單片機(jī)原理與應(yīng)用課程合二為一后，為了能夠?qū)崿F(xiàn)為后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定較強(qiáng)的微機(jī)系統(tǒng)理論基礎(chǔ)并掌握單片機(jī)系統(tǒng)原理和具備單片機(jī)實際應(yīng)用開發(fā)能力的教學(xué)目標(biāo)，我們還需要進(jìn)一步探討教學(xué)過程中“教到什么程度與學(xué)到什么程度”的問題。

微機(jī)系統(tǒng)理論基礎(chǔ)是原理性的，傳統(tǒng)的微機(jī)原理課程基于8/16位微處理器展開，而由于技術(shù)不斷發(fā)展，當(dāng)代微處理器已進(jìn)入64位的時代，教學(xué)內(nèi)容與實際應(yīng)用之間存在巨大的脫節(jié)。盡管技術(shù)在不斷變換，但是從計算機(jī)面世以來，基本原理沒有發(fā)生太大的改變，從馮·諾依曼結(jié)構(gòu)提出到現(xiàn)在已有幾十年，即使技術(shù)工藝有了翻天覆地的變化，但體系結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生本質(zhì)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(jī)系統(tǒng)和嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)這兩大分支的共性，以共性為基礎(chǔ)建立微型計算機(jī)系統(tǒng)軟硬件體系架構(gòu)，并了解微型計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定理論基礎(chǔ)。然后學(xué)習(xí)比較容易入手的單片機(jī)原理及應(yīng)用的相關(guān)內(nèi)容：一方面，通過理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合，掌握51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計及調(diào)試方法，掌握單片機(jī)開發(fā)工具的使用方法，鍛煉和提高學(xué)生的工程實踐能力，為新型單片機(jī)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用打下基礎(chǔ)；另一方面，通過具體型號的單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用開發(fā)的學(xué)習(xí)，夯實微型計算機(jī)系統(tǒng)軟硬件體系架構(gòu)的理解，掌握微型計算機(jī)系統(tǒng)學(xué)習(xí)的一般方法，用于后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。

此外，隨著編譯技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)中的軟件大多采用高級語言編寫，僅少量引導(dǎo)代碼采用匯編語言編寫[5]。因此，在課程中，對于51單片機(jī)指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計的教學(xué)只需要服務(wù)于幫助學(xué)生更深入地理解和掌握單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和高級語言程序的相關(guān)原理就足夠了，之后，引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)入高級語言的學(xué)習(xí)，從而在軟件編程時做到得心應(yīng)手，能夠編寫出高效的軟件程序。

4 結(jié)束語

本課程是高等院校電子信息類專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。我校電子信息類專業(yè)將微機(jī)原理與接口技術(shù)和單片機(jī)原理與應(yīng)用課程合二為一，結(jié)合“教什么與學(xué)什么”“怎么教與怎么學(xué)”和“教到什么程度與學(xué)到什么程度”三個問題，從課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)目標(biāo)三個方面對課程教學(xué)進(jìn)行改革。通過理論結(jié)合實踐的教學(xué)活動，一方面讓學(xué)生具備基于51系列單片機(jī)的實際應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)技能，另一方面掌握微機(jī)系統(tǒng)理論基礎(chǔ)并建立微型計算機(jī)系統(tǒng)軟硬件體系架構(gòu)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定理論基礎(chǔ)。

[1] 教育部高等學(xué)校電子信息科學(xué)與工程類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會.高等學(xué)校電子信息科學(xué)與工程類本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)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(jī)與微機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

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

[4] 趙晚昭,周柳娜,趙晚春.微機(jī)原理及單片機(jī)課程改革淺談[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2012(7):74-76.

[5] 左冬紅,張林.“微機(jī)原理與接口技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容改革探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2012,34(3):31-33.