桑紅石

華中科技大學(xué)自動化學(xué)院多譜信息處理技術(shù)重點實驗室 湖北武漢 430074

以討論和應(yīng)用為主的微機原理教學(xué)探索

桑紅石

華中科技大學(xué)自動化學(xué)院多譜信息處理技術(shù)重點實驗室 湖北武漢 430074

微機原理與接口技術(shù)是信息類專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)課程，由于該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展迅猛，知識更新速度快，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容相對落后，影響學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和對知識的掌握程度。針對課程特點，從教學(xué)內(nèi)容的提煉和教學(xué)方法的改進(jìn)兩方面進(jìn)行探索，借鑒“三明治教學(xué)”模式的做法，減少教師課堂講授，增加學(xué)生自學(xué)、討論、設(shè)計，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。從教學(xué)效果分析，有效地提高了課堂氣氛，提高了學(xué)生的注意力和課堂參與度。

教學(xué)改革；微機原理；“三明治教學(xué)”模式；主動學(xué)習(xí)

1 課程的地位和教學(xué)目的

微機原理課程是工科信息類專業(yè)的必修課程和核心課程。該課程以一款簡單的8086微處理器為中心，介紹微處理器的體系結(jié)構(gòu)、匯編語言和外圍接口電路，幫助學(xué)生建立微處理器系統(tǒng)的基本概念，建立軟硬件之間的聯(lián)系。［1，2］

微機原理課程包含了對于學(xué)生未來職業(yè)發(fā)展非常重要的理論知識。無論學(xué)生畢業(yè)后向軟件編程或硬件系統(tǒng)設(shè)計方向發(fā)展，微機原理都能提供所需要的基礎(chǔ)知識。對于從事軟件編程的學(xué)生來說，微機原理講授了處理器、指令系統(tǒng)、匯編語言、機器碼和編譯器的概念，有助于學(xué)生了解軟件運行的硬件基礎(chǔ)，以及軟件優(yōu)化的基本原理。對于從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、FPGA和數(shù)字集成電路設(shè)計的學(xué)生來說，微機原理課程講授了微處理器體系結(jié)構(gòu)、總線的概念、輸入輸出接口構(gòu)成方法、握手信號的概念和實現(xiàn)方法、中斷相關(guān)概念和中斷管理的硬件實現(xiàn)、定時器和和計數(shù)器的基本概念、串口通信的基本概念、ADC和DAC的基本概念。當(dāng)學(xué)生從事單片機、DSP等低端或高端處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計時，能夠較快掌握各種處理器的基本工作原理，了解其內(nèi)部模塊的基本功能和實現(xiàn)方法，了解其外部系統(tǒng)的組成方法。對于從事FPGA設(shè)計和數(shù)字集成電路設(shè)計的學(xué)生來說，微機原理中講授的各種接口電路將成為其日后VLSI電路設(shè)計的基本模塊。

微機原理課程是信息類專業(yè)非常重要的核心課程。我們期望學(xué)生通過這門功課的學(xué)習(xí)，對微處理器系統(tǒng)軟、硬件的工作方式建立起整體概念。

2 目前存在的問題

從實際教學(xué)效果來看，學(xué)生在學(xué)習(xí)完微機原理課程后，與上述目標(biāo)還有一定差距。據(jù)分析，存在差距的原因是多方面的。

2.1 教材內(nèi)容落后

到目前為止，國內(nèi)高校微機原理課程選擇的處理器均為8086/8088，操作系統(tǒng)為DOS，外圍器件為Intel家族的8282，8286，8259，8255等器件。這些器件早已淘汰，在市面上無法買到，即使能夠買到也是更為常用的74系列器件，例如74LS373，74LS374等。8086的指令系統(tǒng)是CISC指令系統(tǒng)，較為煩瑣，難于記憶，而且8259，8255等外設(shè)接口芯片的工作方式和控制方式亦十分煩瑣。在學(xué)生看來，自己費力學(xué)到的是一些落后的知識，學(xué)習(xí)興趣低落。從實際教學(xué)效果來看，緊扣課本內(nèi)容的課堂講解無法調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生無法牢固掌握知識，亦無法在未來靈活應(yīng)用。

2.2 課堂教學(xué)方法單一 教學(xué)效果低下

目前，微機原理以課堂教學(xué)為主，輔助少量學(xué)時上機練習(xí)。其中，上機練習(xí)分為編程練習(xí)和硬件調(diào)試兩種，均為驗證性實驗，即給出詳細(xì)實驗指導(dǎo)，讓學(xué)生按步驟完成。教學(xué)和上機兩個環(huán)節(jié)都存在問題。從教學(xué)效果來看，單純通過課堂聽講，學(xué)生能夠掌握的知識非常有限。1946年，愛德加·戴爾在其著作《教學(xué)中的視聽方法》（Audio Visual Methods In Teaching）一書中提出了“戴爾塔”的概念，指出不同的學(xué)習(xí)方式對知識的記憶程度有較大影響。以下是學(xué)習(xí)者在2周后平均學(xué)習(xí)保持率的比較：聽講，僅能保留5%；閱讀，10%；聲音圖片，20%；示范，30%；小組討論，50%；實際操作，75%；教其他學(xué)生，立即應(yīng)用所學(xué)知識，90%。［3］由此可見，以講授為主的課堂教學(xué)效果最差。并且，微機原理課程中的很多內(nèi)容，例如：指令系統(tǒng)的介紹、外設(shè)接口芯片工作模式和編程方法介紹等，僅僅靠教師講解是煩瑣、耗時和枯燥的，很容易導(dǎo)致學(xué)生注意力分散。

此外，驗證性上機實驗只需要學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書的步驟執(zhí)行一遍，沒有調(diào)動學(xué)生主動應(yīng)用課堂和課本所學(xué)知識，其效果也是差強人意。

因此，為了提高微機原理課程的教學(xué)效果，需要采取適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)，并且引導(dǎo)他們將所學(xué)的知識用于具體的設(shè)計任務(wù)。

3 教學(xué)方法改進(jìn)探索

微機原理課程是應(yīng)用型課程，大部分章節(jié)的內(nèi)容難度不高，學(xué)生通過自學(xué)就能讀懂。課程的難點在于記憶和恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用。其中，記憶依賴于多做練習(xí)，例如尋址模式和指令系統(tǒng)；恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用技巧來自于教師長期科研工作中積累的經(jīng)驗，可以作為教師課堂教學(xué)的重點之一。針對此特點，我們壓縮課堂講解，促進(jìn)學(xué)生自學(xué)、討論和練習(xí)。具體改進(jìn)方法借鑒了“三明治教學(xué)法”，并根據(jù)課程特點和實踐結(jié)果進(jìn)行了調(diào)整。

“三明治教學(xué)法”最早提出于1903年英國桑德蘭技術(shù)學(xué)院，華中科技大學(xué)黃亞玲教授將其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)并加以推廣，其指導(dǎo)思想是讓每個學(xué)生參與討論，并且成為“教者”。該教學(xué)法以2個課時為一個單元（沒有課間休息）。每名學(xué)生將領(lǐng)到一個號碼牌，包括一個字母和一個數(shù)字，字母和數(shù)字各有N個（學(xué)生總?cè)藬?shù)為N×N左右）。第一步，教師對本堂課所講內(nèi)容進(jìn)行概述，然后提出N個討論題。第二步，所有相同數(shù)字的同學(xué)為一組，討論第n（1￡n￡N）個題目。第三步，學(xué)生重新組合，所有相同字母的同學(xué)為一組，每位學(xué)生向其他同學(xué)介紹本組的討論結(jié)果，其他同學(xué)亦可發(fā)表意見。第四步，所有相同數(shù)字的學(xué)生重新組成一組，整合本小組的答案，并且推選一位代表上臺講解。第五步，教師對本堂內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。［4，5］

我們借鑒“三明治教學(xué)法”的思想，對微機原理課程以課堂講解為主的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行了一些改進(jìn)，采取的主要方法有以下幾點。

（1）提取至今仍然具有較強指導(dǎo)意義的基本概念作為課程的重點。

（2）增加學(xué)生自習(xí)和討論比例。

（3）以綜合性設(shè)計報告代替習(xí)題作為日常作業(yè)。

（4）將驗證性實驗改為設(shè)計性實驗。該教學(xué)法強調(diào)加強學(xué)生的預(yù)習(xí)、討論和設(shè)計，而壓縮教師課堂講解。在知識的掌握方面，亦強調(diào)基本概念和基本方法的掌握，而當(dāng)前已經(jīng)基本不再使用的器件的命令字、DOS功能調(diào)用的入口出口參數(shù)等，不需要學(xué)生強記。

教學(xué)以7個環(huán)節(jié)為一個單元。

第一步，教師列出一章中重要的基本概念并加以講解，基本概念指的是該部分知識沒有過時，對目前的科研和生產(chǎn)仍然具有指導(dǎo)意義，例如：馮·諾依曼結(jié)構(gòu)、微處理器的基本結(jié)構(gòu)、匯編指令的尋址方式、中斷的基本概念和響應(yīng)流程等。在講解基本概念同時可以介紹其在當(dāng)前技術(shù)中的發(fā)展和應(yīng)用。

第二步，針對該章需要掌握的重點內(nèi)容，教師列出若干討論題，學(xué)生則自由組合分成與討論題相同數(shù)量的小組，每組承擔(dān)一個題目，通過發(fā)放號碼牌的方式限制每個小組的人數(shù)，也可以考慮在一學(xué)期中每個學(xué)生采用固定的號碼牌。題目的設(shè)置較為重要，需要覆蓋本章重點內(nèi)容，且沒有簡單的標(biāo)準(zhǔn)答案，需要學(xué)生查找資料并且思考討論完成，例如：不同總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。題目對教學(xué)內(nèi)容的覆蓋上可以存在部分重疊。

第三步，學(xué)生分小組討論，給出本組的討論結(jié)果。

第四步，學(xué)生交叉討論，向其他組學(xué)生講解本組的討論結(jié)果。

第五步，各小組推選一位講解人上臺講解本組的討論結(jié)果。需要注意的是，學(xué)生的討論結(jié)果通常是不全面甚至存在錯誤的，因此，需要教師對其進(jìn)行糾正和補充。

第六步：教師對本單元的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，列舉一個或幾個具有代表性的和綜合性的例子。在講解內(nèi)容的選取上仍然需要注意避免過多關(guān)注已經(jīng)落伍的技術(shù)細(xì)節(jié)?？梢酝ㄟ^動畫的方式增加設(shè)計舉例的生動性，例如：交通燈閃爍、按鍵的采集和鍵值顯示等。

第七步，布置一個能夠覆蓋本章內(nèi)容的綜合性設(shè)計題目作為作業(yè)，要求學(xué)生撰寫設(shè)計報告，并在規(guī)定的時間提交。作為配套，設(shè)計一個作業(yè)管理系統(tǒng)，對學(xué)生提交的代碼進(jìn)行檢查執(zhí)行，記錄提交順序和時間，并自動給出打分結(jié)果，硬件設(shè)計報告則由教師和助教批改。

上述一個單元占用一周的4個課時，通常第一步到第三步占用2個課時，第四步到第六步占用2個課時，學(xué)生利用周末完成設(shè)計任務(wù)。

根據(jù)各章內(nèi)容的難易程度，決定由幾個單元完成一章的教學(xué)過程。

4 結(jié)束語

上述方法我們已經(jīng)開始在教學(xué)中進(jìn)行嘗試，初步看來學(xué)生的反響還是好的，與單純教師講解相比，課堂氣氛活躍，有效提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。但是也發(fā)現(xiàn)若干問題。例如，教材部分細(xì)節(jié)內(nèi)容不能覆蓋到，學(xué)生預(yù)習(xí)不充分的情況下小組討論不能深入。但是總的來說，教學(xué)效果好于單純教師講解。我們將在今后的微機原理課程教學(xué)中繼續(xù)探索。

［1］ 周荷琴，吳秀清.微機原理與接口技術(shù)［M］.第四版.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2008.

［2］ 王秀芳，周穎，許紅玉，任杰，蔣青鋒，李丹.生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)微機原理課程改革的探索與實踐［J］.中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)，2014，31（2）：4846-4848.

［3］ 楊綠菲.“學(xué)習(xí)金字塔”與生命科學(xué)課堂教學(xué)的革新［J］.上海教育，2014（2）：96-97.

［4］ 黃亞玲，馬建輝，彭義香，蔡馥丞.Sandwich教學(xué)法在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用［J］.醫(yī)學(xué)與社會，2008，21（3）：55-56.

［5］ 呂銀娟，張智華，黃亞玲，吳建紅，曹繼剛.Sandwich教學(xué)法在方劑教學(xué)中的運用［J］.湖北中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報，2011，13（3）：77-78.

Exploration of Microcomputer Principle Teaching Based on Discussing and Applying Method

Sang Hongshi
Science and Technology on Multi-spectral Information Processing Laboratory， Automation school， Huazhong University of Science & Technology， Wuhan， 430074， China

Microcomputer principle and interface technology is an important basic course of information engineering. Due to the fast development of technology in this feld， knowledge update speed， lead to the teaching content is relatively backward， affect students' learning interest and the mastery of knowledge. In this paper， the practice of sandwich teaching mode is referenced， exploration on the two aspects from the extraction of the teaching content and teaching method improvement is proposed. The method is to reduce the teacher lectures，increase students' self-study， discussion and design， so as to improve students' learning initiative. From the point of the teaching effect，effectively improve the students' attention and class participation.

teaching reform； microcomputer principle； sandwich teaching mode； active leaning

2015-01-14

桑紅石，博士，副教授。