微机原理课程教学改革与计算思维之培养

摘要：结合军队院校微机原理课程教学现状，并研究和分析计算思维内涵，给出微机原理课程与计算思维培养的关系，进一步提出了以计算思维为导向的微机原理课程教学改革新思路，为提高微机原理课程教学质量、培养学员计算思维能力提供了有效途径。

关键词：分层教学；阶段性考核；计算思维；抽象分解

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）10-2299-02

随着信息科学技术的飞速发展和军队对人才专业素质及信息素养要求的不断提高，军队院校人才培养方案被重新规划定位，基础学科课程标准也被要求与时俱进，能够更加精准的体现人才培养目的。

微机原理课程不仅是本院某专业士官层次必修课，也是本科电子类、自动化相关专业开设的硬件基础主要组成部分。其主要任务是使学员从理论和实践的层面掌握现代微型计算机的基本组成、工作原理及典型接口技术，建立微机系统的整体概念，使学员具有运用现代微机技术进行软、硬件开发的初步能力[1]，逐步培养分析、解决实际问题的能力和创新意识。但本门课程信息量大、内容抽象难懂等特点使其成为学员反映最难学课程之一，如何在有限的学时里，使本门课程达到良好的教学效果并通过学习使学员具备相应能力，一直是本门课程改革的目标。

近年来“计算思维”概念的提出既有利于以类比形式开展教学，也有利于特定学科知识的拓展与深化[2]，计算思维中倡导的抽象与分解、关注分离、启发推理、协调同步、并行处理等与微机原理中技术紧密相关，将计算思维的理念与微机原理课程相结合，不仅可以降低该课程学习难度，提高学员学习兴趣和教学效率，使学员掌握微机系统核心原理与设计方法，而且通过学习过程以及多元教学方法激发学员计算思维能力，提高学习能力，促进终身学习，为学员今后利用计算机处理信息，更好地适应工作岗位奠定基础。

1 微机原理课程教学现状及存在问题

“微机原理”课程是电子类专业最重要的基础课之一。不仅理论性强，而且还具有较强的工程实践特征。目前高校开设的微机原理课程普遍存在以下问题：

1）课程自身信息量大，知识点较多，兼顾软硬件两个方面，内容抽象，学生难于理解掌握，加之课时压缩、实验室资源有限等原因，使学员对课程的学习和理解上具有一定难度。

2）微机原理课程是一门不断发展的科学，涵盖的新应用领域、新技术也不断涌现。而实际课堂授课内容往往滞后于实际应用，容易造成教学和实际的脱节。

2 微机原理课程教学改革

2.1 创新教学方法

“微机原理”课程内容抽象难理解，因此教师如何采用高效率的教学方法，调动学员学习的主动性和积极性非常重要。

针对课程的硬件、软件和接口三部分内容，采用不同的教学方法。硬件部分和指令部分由于知识点众多，有些概念比较抽象，主要借助多媒体、网络等辅助教学，激发和吸引学员兴趣；软件部分主要采用“案例式教学”，摈弃对指令格式及用法的枯燥记忆，而是通过有所指向编程实例像学员展示汇编语言指令的魅力；接口部分则以典型接口应用实验为主体，制定详细任务及步骤规划，以完成实验任务为目标，通过实践体验使学员具备相应能力。

根据内容灵活应用启发式、互动式、讨论式等多种教学方法对于活跃课堂气氛，提高教学效率起到积极作用。

2.2 课程考核方式改革

考核方式不仅能调动学生学习主动性和积极性，而且也是检验教学效果，保证教学质量的重要措施，传统考试中笔试主导的考试模式，不能体现学员创新与实践能力，所以改革考核方式应更注重过程考核，以学生真正掌握知识为根本任务，注重学习过程和对学员的综合素质与能力的培养。“微机原理”课程的考核方法要遵循：“理论与实践相结合、能力与素质齐开放”的原则，具体考核措施包含以下三个方面：

1）闭卷笔试。弱化传统笔试占主导的思想，减少笔试在总成绩中的比例。做为结课考核，从全局考察学员技能性知识的掌握情况；题型的设置方面，适当增加分析题和设计题比例，考核学员应用所学解决问题能力。

2）平时成绩考核。平时成绩是对学习过程的一种量化体现，有效地避免了学员临时抱佛脚的侥幸心理。平时成绩主要包括课堂问答成绩、习题作业完成情况。为了促进养成预习和复习的习惯，提高学员学习的积极性，教员通过课堂授课，增加与学员互动，鼓励学员回答，答错或不知道的学员不处罚，而对能正确回答问题的学员会适当增加他们的平时成绩以资鼓励。

3）阶段性考核。根据课程内容划分知识模块，利用答疑辅导的时间，鼓励学员对前一阶段某一知识模块做总结，架构知识体系，总结知识要点，由教员针对总结的知识点出题并组织小型模拟考试，答题正确率达到90%即为合格。阶段性考核重点在于促进学员自主学习，更利于培养学员自主学习能力。

3 微机原理课程与计算思维培养的关系

3.1 计算思维内涵

作为计算机学科发展的自然产物，计算思维（Computational Thinking）这一概念在2006年由美国卡内基梅隆大学周以真（Jeannette M. Wing）教授提出。她认为，计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为[3]。计算思维最根本的内容，即其本质（Essence）是抽象（Abstraction）和自动化（Automation）。

计算思维本身是人类科学思维固有的活动过程，它汲取了问题解决所采用的一般数学思维方法，现实世界中巨大复杂系统的设计与评估的一般工程思维方法，以及复杂性、智能、心理、人类行为的理解等的一般科学思维方法。计算思维建立在计算过程的能力和限制之上，由人通过机器执行，计算方法和模型使我们敢于去处理那些原本无法由个人独立完成的问题求解和系统设计，更简单一点说，计算思维就是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看似困难的问题重新阐释成一个我们知道怎样解决的问题的方法[3]。

3.2 微机原理与计算思维培养之间的关系

计算思维不仅反映了计算机学科本质的特征和核心的方法，也反映了计算机学科的三个不同领域（理论、设计、实现）。因此，培养基于计算机解题思路和方法的计算思维能力十分必要，这也是当前计算机教育研究的重要课题。如何在现代计算机教育中引入计算思维或者说学科形态如何体现计算思维的方式成为目前计算学科最大的问题，笔者认为核心是要转变教育观念，所有对课程的教学改革都要围绕着新的教学理念，切实将计算思维融入到课程教学中，潜移默化地培养学员思维能力、学习能力和研究能力。

微机原理课程包含硬件、软件、接口应用三大部分，与计算思维涵盖的理论、实践、设计相得益彰，无论是从知识体系架构的连贯性、完整性，还是学习知识点的方式方法上，都用到了计算思维，用计算思维的方式深入理解和学习微机原理中的汇编语言、CPU 结构原理，存储器扩展、并/ 串行口扩展、总线等重要内容，对于后续开设的课程如“单片机原理与接口”、“计算机控制”、“可编程控制器PLC”、“DSP 数字信号处理”奠定扎实基础。

4 微机原理教学改革中计算思维的培养

4.1 基于计算思维的教学过程

教员对原有教材再开发，即在原有课程中选择适当的内容设置课题，对内容拓展或深化，教员在开展教学过程中运用基于计算思维的方法，将教与学的过程有机地连接起来，使学员能够自觉利用计算思维方法（ 递归，关注点分析，抽象和分解，保护、冗余、容错、纠错和恢复，学习和调度等）达到学习目标，当学员掌握了知识点，懂得如何运用计算思维的方法之后，再通过反思评价自己的学习过程和学习方法，自主建构属于自己学习的框架和方式[4]，也就培养了学员计算思维能力，具体教学过程的实施步骤如下：

1）有的放矢。以某个知识模块为研究对象，通过计算思维的方法来获取或应用，由实践建构自己的知识结构。

2）确立课题。师生针对课题开展分析论证，深入挖掘课题内涵及可行性，共同确立研究课题。

3）团结协作。以自愿结合兼顾优势互补的原则组建课题研究小组，成员明确职责，分工协作。

4）研究方案。成员要以计算思维方法为前提，结合本小组的课题制定研究方案，在保证研究活动的连续性和明确化的前提下，合理分工，各负其责。

5）实施方案。将确定的研究方案具体落实。教员在整个过程中的作用是在偏重计算思维培养的思路下研究方法的指导和科学态度与精神的渗透和示范。

6）形成结论。课题小组通过研究学习将结果进行汇总，从中找出规律性的东西，得出结论，给出建议。

7）评价交流。将研究成果以小论文、多媒体演示、实验报告等不同的形式提交或展示出来。并对研究过程中用到的研究方法、研究成果、得失体验感受等进行全方位的总结， 以获得更深一步的理性认识，完善认知结构。

4.2 计算思维导向的课堂教学设计

将抽象分解、启发推理等计算思维的理念引入微机原理教学的课堂设计，可以简化问题，使学员获取知识从点到面，深入理解和记忆。以寻址方式内容的讲解为例，顺藤摸瓜， 从面到点逐个解密.首先提出疑问： 为什么要有寻址方式呢？ ，根据先验知识，微机工作总是对”数”操作，而”数”在哪里？可以提问学员，让他们来回答， ”数”可能在不同的地方，要找到他们，要根据地址来寻觅，所以就有了”寻址方式”，“面”就被首先提出来了。进一步引导学员，具体”数”在哪些地方呢？可能在指令中，所以“立即数寻址”、可能存放在通用寄存器中，所以就是“寄存器寻址”、也可能存放在存储器中，那么就是“存储器寻址”，至此“线”也给出来了，有了“面”和“线”，教员进一步引导， 在存储器中的 “数”必定有个存放的地址吧？ 按照之前存储器存取数，先找到段基址，然后确定偏移地址就能确定在存储器中地址，由于“数”的存放地址的表达有很多种方式，因此，“存储器寻址”就引申到其他具体寻址方式，如“寄存器间接寻址”、“相对寻址”、“变址寻址”等，至此“点”也给出，纵观“面”、“线”、“点”一气呵成，顺藤摸瓜，学员既明白了寻址的概念和用途，也明白了各种寻址之间的联系和区别[5]。学员对这部分内容更容易理解和记忆。

将计算思维引入课堂教学设计不仅需要教员对内容非常熟悉，而且对知识结构有着系统把握。既要能站着全局高度，指引解决问题的思路、步骤和方法， 以突出教学内容的重点，帮助学员树立系统的概念，又要能启发引导学员寻求解决问题途径，深入细节、逐步探索。

5 结束语

微机原理课程教学融入计算思维的元素，不仅指明了课程的教学目标，提高了教学效率，而且对培养军事人才创新思维能力、综合实践能力都起到了积极的作用。随着融入计算思维的新教学体系的逐步完善，教学不再是枯燥的讲授，晦涩的抽象，而是帮助学员打开思维空间，激发探索求解欲望的金钥匙。

参考文献：

[1] 焦纯，卢虹冰，等.论“微机原理与接口技术”的课程设置和改革[J].价值工程，210-211.

[2] 李晓明，蒋宗礼，王志英，等.积极研究和推进计算思维能力的培养[J].计算机教育，2012（5）：1.

[3] Wing J Computational Thinking[J].Communication of the ACM.2006.49（3）：33-35.

[4] 李禾.试析计算思维的计算机公共基础课研究性的教学模式[J].黑龙江高教研究，2012（6）：158-159.

[5] 尹勇，刘岚.提高《微机原理与接口技术》课程的教学质量浅析[J].中国校外教育，2009（12）：294-295.