以讨论和应用为主的微机原理教学探索

桑红石

华中科技大学自动化学院多谱信息处理技术重点实验室 湖北武汉 430074

以讨论和应用为主的微机原理教学探索

桑红石

华中科技大学自动化学院多谱信息处理技术重点实验室 湖北武汉 430074

微机原理与接口技术是信息类专业一门重要的基础课程，由于该领域技术发展迅猛，知识更新速度快，导致教学内容相对落后，影响学生学习兴趣和对知识的掌握程度。针对课程特点，从教学内容的提炼和教学方法的改进两方面进行探索，借鉴“三明治教学”模式的做法，减少教师课堂讲授，增加学生自学、讨论、设计，从而提高学生的学习主动性。从教学效果分析，有效地提高了课堂气氛，提高了学生的注意力和课堂参与度。

教学改革；微机原理；“三明治教学”模式；主动学习

1 课程的地位和教学目的

微机原理课程是工科信息类专业的必修课程和核心课程。该课程以一款简单的8086微处理器为中心，介绍微处理器的体系结构、汇编语言和外围接口电路，帮助学生建立微处理器系统的基本概念，建立软硬件之间的联系。［1，2］

微机原理课程包含了对于学生未来职业发展非常重要的理论知识。无论学生毕业后向软件编程或硬件系统设计方向发展，微机原理都能提供所需要的基础知识。对于从事软件编程的学生来说，微机原理讲授了处理器、指令系统、汇编语言、机器码和编译器的概念，有助于学生了解软件运行的硬件基础，以及软件优化的基本原理。对于从事嵌入式系统设计、FPGA和数字集成电路设计的学生来说，微机原理课程讲授了微处理器体系结构、总线的概念、输入输出接口构成方法、握手信号的概念和实现方法、中断相关概念和中断管理的硬件实现、定时器和和计数器的基本概念、串口通信的基本概念、ADC和DAC的基本概念。当学生从事单片机、DSP等低端或高端处理器的嵌入式系统设计时，能够较快掌握各种处理器的基本工作原理，了解其内部模块的基本功能和实现方法，了解其外部系统的组成方法。对于从事FPGA设计和数字集成电路设计的学生来说，微机原理中讲授的各种接口电路将成为其日后VLSI电路设计的基本模块。

微机原理课程是信息类专业非常重要的核心课程。我们期望学生通过这门功课的学习，对微处理器系统软、硬件的工作方式建立起整体概念。

2 目前存在的问题

从实际教学效果来看，学生在学习完微机原理课程后，与上述目标还有一定差距。据分析，存在差距的原因是多方面的。

2.1 教材内容落后

到目前为止，国内高校微机原理课程选择的处理器均为8086/8088，操作系统为DOS，外围器件为Intel家族的8282，8286，8259，8255等器件。这些器件早已淘汰，在市面上无法买到，即使能够买到也是更为常用的74系列器件，例如74LS373，74LS374等。8086的指令系统是CISC指令系统，较为烦琐，难于记忆，而且8259，8255等外设接口芯片的工作方式和控制方式亦十分烦琐。在学生看来，自己费力学到的是一些落后的知识，学习兴趣低落。从实际教学效果来看，紧扣课本内容的课堂讲解无法调动学生的学习积极性，学生无法牢固掌握知识，亦无法在未来灵活应用。

2.2 课堂教学方法单一 教学效果低下

目前，微机原理以课堂教学为主，辅助少量学时上机练习。其中，上机练习分为编程练习和硬件调试两种，均为验证性实验，即给出详细实验指导，让学生按步骤完成。教学和上机两个环节都存在问题。从教学效果来看，单纯通过课堂听讲，学生能够掌握的知识非常有限。1946年，爱德加·戴尔在其著作《教学中的视听方法》（Audio Visual Methods In Teaching）一书中提出了“戴尔塔”的概念，指出不同的学习方式对知识的记忆程度有较大影响。以下是学习者在2周后平均学习保持率的比较：听讲，仅能保留5%；阅读，10%；声音图片，20%；示范，30%；小组讨论，50%；实际操作，75%；教其他学生，立即应用所学知识，90%。［3］由此可见，以讲授为主的课堂教学效果最差。并且，微机原理课程中的很多内容，例如：指令系统的介绍、外设接口芯片工作模式和编程方法介绍等，仅仅靠教师讲解是烦琐、耗时和枯燥的，很容易导致学生注意力分散。

此外，验证性上机实验只需要学生按照实验指导书的步骤执行一遍，没有调动学生主动应用课堂和课本所学知识，其效果也是差强人意。

因此，为了提高微机原理课程的教学效果，需要采取适当的教学方法，调动学生主动学习，并且引导他们将所学的知识用于具体的设计任务。

3 教学方法改进探索

微机原理课程是应用型课程，大部分章节的内容难度不高，学生通过自学就能读懂。课程的难点在于记忆和恰当地应用。其中，记忆依赖于多做练习，例如寻址模式和指令系统；恰当的应用技巧来自于教师长期科研工作中积累的经验，可以作为教师课堂教学的重点之一。针对此特点，我们压缩课堂讲解，促进学生自学、讨论和练习。具体改进方法借鉴了“三明治教学法”，并根据课程特点和实践结果进行了调整。

“三明治教学法”最早提出于1903年英国桑德兰技术学院，华中科技大学黄亚玲教授将其应用于医学教学并加以推广，其指导思想是让每个学生参与讨论，并且成为“教者”。该教学法以2个课时为一个单元（没有课间休息）。每名学生将领到一个号码牌，包括一个字母和一个数字，字母和数字各有N个（学生总人数为N×N左右）。第一步，教师对本堂课所讲内容进行概述，然后提出N个讨论题。第二步，所有相同数字的同学为一组，讨论第n（1£n£N）个题目。第三步，学生重新组合，所有相同字母的同学为一组，每位学生向其他同学介绍本组的讨论结果，其他同学亦可发表意见。第四步，所有相同数字的学生重新组成一组，整合本小组的答案，并且推选一位代表上台讲解。第五步，教师对本堂内容进行总结。［4，5］

我们借鉴“三明治教学法”的思想，对微机原理课程以课堂讲解为主的教学内容和教学方式进行了一些改进，采取的主要方法有以下几点。

（1）提取至今仍然具有较强指导意义的基本概念作为课程的重点。

（2）增加学生自习和讨论比例。

（3）以综合性设计报告代替习题作为日常作业。

（4）将验证性实验改为设计性实验。该教学法强调加强学生的预习、讨论和设计，而压缩教师课堂讲解。在知识的掌握方面，亦强调基本概念和基本方法的掌握，而当前已经基本不再使用的器件的命令字、DOS功能调用的入口出口参数等，不需要学生强记。

教学以7个环节为一个单元。

第一步，教师列出一章中重要的基本概念并加以讲解，基本概念指的是该部分知识没有过时，对目前的科研和生产仍然具有指导意义，例如：冯·诺依曼结构、微处理器的基本结构、汇编指令的寻址方式、中断的基本概念和响应流程等。在讲解基本概念同时可以介绍其在当前技术中的发展和应用。

第二步，针对该章需要掌握的重点内容，教师列出若干讨论题，学生则自由组合分成与讨论题相同数量的小组，每组承担一个题目，通过发放号码牌的方式限制每个小组的人数，也可以考虑在一学期中每个学生采用固定的号码牌。题目的设置较为重要，需要覆盖本章重点内容，且没有简单的标准答案，需要学生查找资料并且思考讨论完成，例如：不同总线结构的优缺点。题目对教学内容的覆盖上可以存在部分重叠。

第三步，学生分小组讨论，给出本组的讨论结果。

第四步，学生交叉讨论，向其他组学生讲解本组的讨论结果。

第五步，各小组推选一位讲解人上台讲解本组的讨论结果。需要注意的是，学生的讨论结果通常是不全面甚至存在错误的，因此，需要教师对其进行纠正和补充。

第六步：教师对本单元的内容进行总结，列举一个或几个具有代表性的和综合性的例子。在讲解内容的选取上仍然需要注意避免过多关注已经落伍的技术细节。可以通过动画的方式增加设计举例的生动性，例如：交通灯闪烁、按键的采集和键值显示等。

第七步，布置一个能够覆盖本章内容的综合性设计题目作为作业，要求学生撰写设计报告，并在规定的时间提交。作为配套，设计一个作业管理系统，对学生提交的代码进行检查执行，记录提交顺序和时间，并自动给出打分结果，硬件设计报告则由教师和助教批改。

上述一个单元占用一周的4个课时，通常第一步到第三步占用2个课时，第四步到第六步占用2个课时，学生利用周末完成设计任务。

根据各章内容的难易程度，决定由几个单元完成一章的教学过程。

4 结束语

上述方法我们已经开始在教学中进行尝试，初步看来学生的反响还是好的，与单纯教师讲解相比，课堂气氛活跃，有效提高了学生学习的主动性。但是也发现若干问题。例如，教材部分细节内容不能覆盖到，学生预习不充分的情况下小组讨论不能深入。但是总的来说，教学效果好于单纯教师讲解。我们将在今后的微机原理课程教学中继续探索。

［1］ 周荷琴，吴秀清.微机原理与接口技术［M］.第四版.合肥：中国科学技术大学出版社，2008.

［2］ 王秀芳，周颖，许红玉，任杰，蒋青锋，李丹.生物医学工程专业微机原理课程改革的探索与实践［J］.中国医学物理学，2014，31（2）：4846-4848.

［3］ 杨绿菲.“学习金字塔”与生命科学课堂教学的革新［J］.上海教育，2014（2）：96-97.

［4］ 黄亚玲，马建辉，彭义香，蔡馥丞.Sandwich教学法在医学教育中的应用［J］.医学与社会，2008，21（3）：55-56.

［5］ 吕银娟，张智华，黄亚玲，吴建红，曹继刚.Sandwich教学法在方剂教学中的运用［J］.湖北中医药大学学报，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

桑红石，博士，副教授。