微机原理教学中几个问题的探讨

摘要:随着计算机科学的发展和教学改革的深入,教师在微机原理课程的教学中遇到了一些新问题。文章对课程的定位和目标、传统与现代的关系、内容与课时的矛盾、理论和实践的协调以及研究性学习等几个问题进行了探讨。

关键词:微机原理;传统与现代;内容与课时;理论和实践

北京大学微机原理课程是信息科学技术学院计算机系为全校理科院系开设的一门主干基础课。它不但是信息科学技术学院计算机专业和智能科学技术专业本科生的必修课,而且是该学院电子学专业和微电子学专业的核心选修课及数学、物理、生命科学、环境科学及元培学院等院系学生的选修课[1]。

随着信息科学技术的不断发展和社会对人才要求的提高,学院对本科生课程体系进行了改革和建设。微机原理课程在改革中出现了一些新的问题和矛盾。笔者根据亲身实践,对下述问题进行探讨。

1课程的定位和目标

在四年的学习中,信息科学技术专业的本科生除了要掌握数学、物理、电路和计算机四大基础知识,学习相应的专业基础和专业课程外,更重要的是建立系统的概念,学会站在系统的角度分析和解决问题。对于电子专业学生,则要求了解掌握以CPU为核心的电子系统。在选修微机原理前,学生已经学习过电子技术和相关电路知识,要分析和设计电子系统,还必须学习两个新的知识点:微处理器和相关接口技术,这正是微机原理的主要内容。该课可以将微型计算机系统作为电子系统的实例讲授,强调学生建立电子系统的概念。

因此,微机原理课程的定位是:计算机专业硬件基础课程群(电子技术基础、电子技术基础实验、微机原理、微机原理与接口技术实验、计算机组织与体系结构和计算机组织与体系结构实验)中一门重要的专业基础课程,在学生由电路到系统的学习过程中起到承上启下的作用。

课程的目标是:使学生从理论和实践上掌握微型计算机的基本组成、工作原理及典型接口技术,建立微机系统整体概念,具有运用微机技术进行软、硬件设计开发的坚实基础,具有分析解决实际问题的能力和创新意识[1]。

2正确处理传统与现代的关系

计算机科学发展迅猛,新技术层出不穷,因此微机原理课程教学对基础性、先进性和前沿性都有很高的要求[2]。教师在教学中需精心设计课程内容体系,正确处理传统与现代的关系。

大学基础课程教学不同于专业技术培训,必须强调基础。作为专业基础课程,微机原理教学内容组织的指导思想是:从基本概念、基本分析方法和基本能力的培养入手,在保证基础的前提下,吸收计算机技术发展中涌现的新技术,科学合理地更新课程内容,保持先进性和时代性。

具体到课程内容组织,主要分为微处理器和I/O接口技术两大部分。英特尔公司生产的系列微处理器在微机中应用最广,从1971年的“4004”到现在的“Itanium”;I/O接口电路也由原来的分立器件到现在的“南桥”、“北桥”套片,可选的内容非常广泛。

在教学实践中,笔者贯彻基础是根本的原则,选择英特尔 8086 CPU为微处理器部分主要内容,详细讲解其BIU和EU架构、管脚信号、总线时序、指令系统、分段技术及流水线技术等;I/O接口部分以并行接口、串行接口和定时器/计数器接口为例,重点讲解I/O接口的基本原理及典型电路。这种内容组织有利于学生对微机基本原理的学习,避免纠缠于高端CPU等一些技术细节中,冲淡基础知识的学习。

在保证基础的前提下,我们也将现代微机系统中具有代表性的新技术合理引入到教学中来。笔者在课程中介绍了英特尔高性能微处理器的Cache、超标量流水、虚拟存储器、分支预测、PCI总线和多核处理器等技术,不仅开阔了学生的视野,也为他们以后的学习和研究作了铺垫。

3正确处理内容与课时的矛盾

由于信息科学的不断发展,本科生课程体系也在不断改革。课程越开越多,每门课程的课时减少[2]。北京大学微机原理的课时已由原来的72学时减少到现在的54学时。但该课程的特点却是信息量大、教学内容多,于是出现了课程内容多而课时少的矛盾。

笔者采取“重点讲授、引导自学”的教学方法,将教学内容分为掌握和了解两种要求。需要掌握的部分是教学的重点知识,教师在课堂上会仔细讲解、详细刨析;对需要了解的内容,教师只给出引导思路和概括总结,详细内容需要学生课外自学完成。

需要掌握的知识是微机系统中最基本、带有共性的内容,是教师通过研究课程知识体系,探索其内在规律与联系整合出的课程核心知识单元。本课程可划分为6个核心知识单元:

(1) 微型计算机的基本组成与工作原理。

(2) 指令系统与汇编语言程序设计。

(3) 存储器原理与结构。

(4)I/O接口技术。

(5) 总线技术。

(6) 高性能微处理器及相关技术。

同时加强课程配套教材建设,写厚教材,对于需要了解的知识,教材上需详细论述,以便学生自学。

这种教学组织不仅突出了教学重点,以点带面,而且还训练了学生的自主学习能力[3]。

4理论和实践的协调

微机原理是技术性、工程实践性很强的课程,因此实践教学在教学过程中占有非常重要的地位,是培养高素质创新性人才的关键环节。实践课程不是理论教学的附属课,理论和实践只有协调合作,实现互补和互动,才能促进学生知识、能力和素质的全面发展[4]。

对实践教学内容的设计,除了使学生加深理解理论课的知识点外,更重要的是通过实践活动培养学生理论联系实际和分析解决问题的能力。北京大学微机原理实践教学分为上机实习和实验课程两个环节。

上机实习是理论课程的实习作业,主要训练学生自主学习指令系统和汇编语言编程。共分为4个题目,前3个题目为由浅入深的验证性题目,第4个题目为任务性设计题目,训练学生的综合设计能力。

实验课程是独立学分的实验课,主要训练学生的微机接口和系统综合设计能力。实验内容分为基础单元实验和开放性综合实验两大部分。基础单元实验为典型接口实验,使学生巩固对基础理论知识的理解,并培养基本实验操作技能和方法;开放性综合是以任务为导向的系统综合设计题目,训练学生的综合创新能力。学生还可以在教师的指导下自主拟定实验题目,在开放式的实验环境中自主发挥。

在理论和实践协调的基础上,理论课教师和实验课教师定期举行教学例会,协调两者的教学内容和教学进度,真正实现互补和互动,做到“我中有你,你中有我”。如理论课上给出问题指令语句,要求在上机实习中验证;理论课上讲解各种I/O接口的基本原理,而接口芯片(8255、8251、8253等)的具体应用则在实验课上完成;开放性综合实验更是将理论课上的系统概念进行提升,由学生动手实现。

5研究性学习

我国创新型国家的建设需要一大批创新性人才,这对大学教育提出了更高的要求[5]。大学教育的目标不仅是培养学生学习掌握某专业领域的知识和技能,更重要的是培养学生的综合能力和素质,尤其是创新意识和创新能力。创新能力是指学生在扎实掌握基础知识的基础上,主动发现问题、提出问题和解决问题的意识和能力。创新能力培养的关键是引导学生进行独立思考。

培养学生的创新能力有多种方法,如许多教师在课堂上采用启发式教学方法激发学生的主观能动性[6]。研究性学习方法也是培养学生创新思维的一种有效手段。它以学生为主体,让学生就某一专业领域的问题进行深入研究探讨,最终形成自己的见解。在教学中强调学生的主动思考、主动探索和共同参与。

微机原理中的研究性学习也可以采取多种方式。如设置习题讨论课,师生共同进行拓展式研究;还可以在课前指定学生准备讨论题目,课上进行演讲并全班讨论。再如课程设置研究性学习考核点,要求学生按自己的兴趣拟定研究题目,广泛查找阅读资料,撰写研究报告等。

研究性学习的重点在于学习过程,学生通过拟定题目、搜索资料、讨论辩论和形成观点,最终形成创新思维。

6结语

随着微机原理课程教学改革的不断深入,教师在教学过程中一定还会遇到一些新的问题。只要教师潜心教学研究,用心对待教学,对待学生,就一定会找到解决问题的方法,提高教学质量。

参考文献:

[1] 王克义. 非计算机专业微机原理课程的改革实践与研究[J]. 计算机教育,2005(11):37-39.

[2] 刘春玲. 微机原理及应用课程教学改革探讨[J]. 武汉科技学院学报,2007(10):70-72.

[3] 池进. 创新教育教学方法 提高教学质量[J]. 高等理科教育,2008(6):70-72.

[4] 果莉,李文哲,杨方. 加强实践教学,培养学生创新精神与实践能力[J]. 实验技术与管理,2009(1):14-16.

[5] 李福华. 实行开放式研究性教学,培养研究生的实践能力和创新能力[J]. 实验技术与管理,2009(5):18-20.

[6] 丁旭阳,罗惠琼,范明珏. 计算机教学中学生学习主动性的培养[J]. 计算机科学,2009(7):5-6.

A Discussion of Some Topics in Microcomputer Theory Teaching

WANG Zhi-jun, WANG Ke-yi, YANG Yan-jun

(School of Electronics Engineering and Computer Science, Peking University, Beijing 100871, China)

Abstract: With the development of computer science and the strengthened reform of teaching, new issues has emerged in the teaching of Microcomputer Theory. This article discussed a few topics on the orientation and goal of the course, the relationship between modern and tradition, the paradox of more content and less class hour, the harmony between theory and practice, and learning by research.

Key words: microcomputer theory; modern vs tradition; content vs class hour; theory vs practice