军队院校微机原理与接口技术课程教学改革研究

昂朝群+陈修亮+梁英杰

（海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033）

摘 要：分析当前微机原理与接口技术中存在的知识体系较落后、教学方法较传统以及实践教学过程中创新能力培养不够突出等问题，结合军队院校教学实际，提出从课程内容体系的设置、先进教学理念的运用以及学员创新能力的培养等3个方面，深入推进微机原理与接口技术课程改革，为军队院校微机原理与接口技术课程建设和教学改革提供有力的技术支撑。

关键词：微机原理与接口技术；军队院校；混合模式；一体化；教学改革；CDIO

0 引 言

微机原理与接口技术作为一门电子与信息类等专业的计算机核心课程，在军队院校主要面向工程技术专业学员开设，该课程重点培养学员的硬件思维，使其具备初步的硬件系统设计与分析能力，为后续专业课程的学习和创新实践能力夯实基础，从而提高学员的核心竞争力[1]。随着信息技术的发展和新型装备的不断列装，传统的教学内容以及教学手段已不能满足高新武器人才培养的需要，因此，深入分析该门课程的特点规律，剖析教学过程中面临的主要问题，研究进一步提高教员教学水平与学员创新实践能力的方法途径，对于高科技军事人才的培养具有重要意义。

1 微机原理与接口技术课程存在的主要问题

1.1 教学内容重软件、轻硬件

目前，传统教学仍然以8086/8088 CPU微处理器为主线，介绍微型计算机的基本结构与工作原理、8086的指令系统和汇编语言程序的设计方法、存储器系统的组成与设计以及8253等典型接口芯片的基本初始化编程与应用，基本不涉及ARM等当前普遍应用的新型微型计算机系统[2]，更不涉及军事作战、武器装备等领域使用较普遍的嵌入式操作系统的有关内容。该课程对学员的软硬件知识和自主设计能力要求都较高，但由于实验条件与课时的限制，学员主要靠死记硬背特定芯片的初始化程序，不会查看芯片的文档并灵活运用，更谈不上创新设计，这与应用创新型和高新武器人才培养目标是不相符的。

1.2 教学方法重灌输、轻引导

微机原理与接口技术课程包含的知识点较多，内容大多比较抽象、枯燥乏味。目前，普遍采用“填鸭”“满堂灌”式的授课方法，理论课以教员讲、学员听为主要形式，单调乏味。军队院校目前在大力推广多媒体等多种教学手段，但在多媒体手段的选择上，往往局限于采用简单的Flash或PPT动画演示基本工作原理或流程，虽然能够在某种程度上吸引部分学员的注意力，但该类方法互动性较差，不能充分调动学员的积极性。实验课教学主要采用“实验箱+汇编集成开发环境”模式，教员讲授基本实验方法与有关要求，学员按规定的步骤操作即可，基本上处于课堂讲什么、实验做什么的阶段，需要学员主动思考的实验内容相对较少，限定了思维发散。

1.3 课时安排重理论、轻实践

该课程在军队院校中普遍安排50学时左右，在有限的时间内，需要学习内容繁多且抽象难懂的知识，对教员的教和学员的学都是很大的挑战。以海军工程大学为例，微机原理与接口技术课只有50学时，其中理论部分安排36学时，实验部分仅安排14学时，主要包括两次汇编语言程序设计、I/O地址译码实验、中断控制器8259、计时/计数器8253、并行接口8255应用编程等。同时，受实践课时过少的限制，部分实验无法深层次展开。以汇编语言程序设计实验为例，目前，仅安排两次实验课程，第一次主要熟悉汇编语言编程环境并进行简单的验证程序的调试，第二次主要编写实现指定功能的汇编程序，大部分学员并不能独立自主完成，无法达到汇编语言程序设计的学习目的，使得在后续课程的学习中会感到比较吃力。

1.4 实验教学重验证、轻创新

实验是验证基本原理，提高创新能力的重要途径之一。当前，对于微机原理与接口技术课程的实验授课，采取的主要形式还是“傻瓜式”教学。主要体现在以下几个方面：

一是在实验方法上，主要按实验指导书指定的实验组织教学，指导书提供实验过程中所需要的源程序代码、固定的硬件连接、程式化的操作步骤。实验过程中，学员不需考虑实验的基本原理，只需完全照抄实验指导书中的程序即可轻松完成实验。学员在没有实验指导书的情况下，基本什么程序都写不出来，遇到简单的问题也不会解决。如对于程序中的逗号，部分学员在中文状态下输入了该符号，程序无法正常编译通过，很多学员不能根据编译器的提示修正该错误。

二是在实验设备上，该门课程的实验大都需要在实验箱上完成，限于实验室管理及条件不足，学员只有在上实验课时才能真正接触并动手进行实验操作，但由于传统实验箱的硬件电路等基本已固化，学员不能根据自己的需要灵活自由地设计实验，限制了学员思维的发散。

三是在实验内容上，验证性实验较多，如有的院校在实验环节设计了IO地址译码、8259芯片、8253芯片和8255芯片等应用编程，只是简单地根据实验指导书给出程序，对实验结果进行简单的验证，查看是否存在特定的实验现象；而设计性和综合应用性实验偏少，即使对于设计性和综合性实验，也都是要求学员在相对较短的学时内完成，对各项时间较固定的军校学员来讲难度较大，基本不能达到设计与综合的教学效果。如要求学员综合应用8259中断控制器、8253计时/计数器和8255并行接口芯片，在2个学时内完成一个综合性实验；受学员时间零散以及实验室管理等因素影响，創新性实验几乎无法开展，所以基本就没有对学员有相应的要求。

总体来讲，无论是从实验方法上还是实验内容设计以及实验硬件条件建设上，实验课程的设置不能较好地体现学员的主体作用，这就容易削弱学员学习的积极性和主动性，更不利于学员创新思维以及创新能力的培养。

2 推进课程改革，提升学员创新实践能力

2.1 构建独具军队特色的一体化课程体系

嵌入式技术是实现各种武器装备自动控制与智能感知的关键技术，被称为后PC时代的核心技术[4]。嵌入式系统已广泛运用于各型火炮、导弹等的控制以及各型军用雷达、电子对抗通信装备等，这就要求课程组必须紧盯新技术发展趋势和新教学手段的改革应用，结合高素质新型军事人才培养实际，采用“基础+方向+前沿”的形式组织教学内容，建立具有军队特色的、一体化的微机原理与接口技术课程体系。

（1）基础内容部分。根据微机原理与接口技术的内在特点，将各专业人才必须掌握的微型计算机原理、匯编语言、存储器、I/O接口等计算机硬件知识作为基础内容，打破传统以微处理器为主线的内容体系，以总线为主线重构教学内容，在讲解总线标准及其相关技术基础上，重点讲授CPU、存储技术和输入输出接口等，形成完整的微机原理教学体系。为使学员能够真正做到学为所用、学有所用，将ARM作为主体对象，重点讲解微处理器体系结构、处理器设计、指令系统设计、指令流水线技术、ARM的内核体系结构、编程模型和ARM指令系统等[3]，同时对现有的Intel x86微处理器进行简要的对比讲解。

（2）方向内容部分。根据专业与工作岗位，区分信息网络类、电子对抗类以及武器装备类等专业方向，设置相应的特色内容。如信息网络类主要侧重于微机原理与接口技术在通信网络和设备开发中的应用，将接口技术、总线技术和嵌入式技术应用于网络终端中，并让学员参与开发无线网络终端；电子对抗类专业侧重于硬件电路设计和汇编语言编程能力的培养，为后续嵌入式系统开发等能力的培养奠定基础；武器装备类侧重基于嵌入式系统的硬件设计以及软件编程能力培养。

（3）前沿内容部分。随着微机新技术的进一步发展，需要紧跟前沿技术，及时将多核技术等新技术和新理念及时补充到教学内容中，保持授课内容的新鲜度。该部分内容主要以教员引导、学员自学的方式进行，学员可通过查阅资料、相互交流以及撰写小论文等手段了解微型机技术的历史、现状及新技术的发展趋势，在最大程度上提升学员自学能力。

2.2 探索基于混合模式的理论授课方法

随着高等教育及信息技术的发展，MOOC（massive open online courses，大规模在线课程）[5-7]翻转课堂[8]、SPOC（small private online course，小众限制性在线课程）[9]等新的教学模式的出现，不断挑战传统课堂教学模式。不可否认的是，受互联网条件、学员自主学习时间以及每班次人数等的限制，MOOC和SPOC等在线教育模式并不能完全替代教员的课堂教学，上述单一的教学模式很难在军队院校大规模地推广应用，因此，必须针对课程的培养目标以及学员和专业的具体特点，充分研究并吸取MOOC、翻转课堂、SPOC等先进教学模式的优点，将其与传统课堂教学模式进行有机融合，综合应用于微机原理与接口技术课程的教学中，探索基于混合模式的理论授课方法。在发挥教员引导、启发、监控教学过程主导作用的同时，能够更加充分地体现出学员的主动性、积极性与创造性。

混合教学模式下的微机原理与接口技术课程建设主要包括：微机原理与接口技术的课程结构、课程教学内容设计与安排、基于MOOC和SPOC的课程教学资源建设以及课堂讨论的组织方式探索等。在课程结构以及课程教学内容的安排上，必须结合具有军队院校特色的一体化课程体系，同时兼顾传统课堂教学需要，科学划分教学内容，如确定课堂讲授、课下学习以及课堂练习的内容以及课堂讨论主题等；对部分先修课程内容采用课外视频学习+在线自测练习的方法，督促学员进行充分的复习和了解。

课程资源建设主要包括教学微视频、在线自测练习题库以及关键知识点动画案例等。MOOC课程的内容与视频设计要充分考虑学员的关注度和视频本身的吸引力，建议将需线下学习的课程内容按知识点录制为5～10分钟的教学微视频，在每一个教学片段后安排相应的问答题目作为随堂测试。

2.3 探索基于CDIO模式的实验教学方法

由麻省理工学院等4所高校联合研究出来的CDIO（conceive—design—implement—operate，即构思—设计—实现—运作）工程教育模式，主张课程实验教学从具体实践出发，以创作最终产品为教学目标，注重实践性教学和实践创新能力的培养，是一种先进的工程教育体系，也是培养高级工程技术人才需求的理想选择[10]。

研究基于CDIO教育模式的实验教学方法，科学制定CDIO能力培养目标，使学员在系统学习课程理论知识和有关专业知识的同时，能有目的地开展和参与各项实践教学活动，最终达到培养具备高技术水平和实操能力的高科技军事人才的目标。根据CDIO模式的基本理念和要求，可将实验内容和组织形式采用阶段式、层次式结构划分5个阶段和5个层次，如图1所示。

5个层次的实验设计方法要求教员具备较高的水平和把握课堂的能力，并结合实验进度和实验层次，采取不同的教学方法和手段并进行适时的调整。

对于验证性实验，主要采取演示教学法讲授，要求所有学员在规定时间内在配套的实验箱上完成全部的实验。鉴于学员首次接触微机原理与接口技术软硬件相结合类型的实验，大部分学员基本会感到无从下手，往往不能排除实验中遇到的问题或故障。教员需要对实验过程中的软硬件设计方法进行耐心细致地讲授，协助并引导学员解决问题，逐步培养学员的软件程序调试和硬件故障分析与排除的基本方法和技能，使学员养成严谨规范的实验作风，为后续实验奠定基础。

对于设计性实验，主要是指汇编语言程序设计实验，该部分实验侧重于软件，教员重点引导学员根据程序设计题目的要求，设计合适的算法，指导学员正确编译并发现程序中存在的错误。

对于综合性和应用性实验，可区分必做和选做两部分。教员主要采取启发或引导的方式，不主动干预学员的实验全过程，着眼发现学员实验过程中的问题，鼓励学员通过相互讨论解决实验中存在的问题。此外，也可鼓励部分学有余力的学员在课外通过Quartus II等软件和开放实验室进行，这要求学员必须发挥自己的主动性和创造性。

对于创新性实验，主要采取自由的方式让学员在讨论中完成，按每2～3人一组，结合实验题目和学员兴趣，根据自己专业和军事应用实际，采取分组讨论、查阅资料、自行设计与实现等方法或手段，促使学员在整个过程中能够自己摸索，教员的角色就转换为提供有关咨询和验收设计的结果等。该类型实验对教员和学员的要求均较高，教员需注意以下两点：一是要总体把握学员所选课题的新颖性和实用性；二是要教授学员相应的技术资料查询方法，引导学员主动学习。

CDIO教育需要有良好的实验环境。在保证實验平台能够进行基本验证和设计性实验的同时，重新设计或配发基于FPGA的、能够进行创新性实验的实验平台，同时，还须引入常用的硬件电路设计与仿真软件（如Quartus II等）弥补纯粹硬件实验的不足，增加实验的灵活性和学员实验的自主性。

在完成课上实验教学的同时，可鼓励学员积极参加课外实践活动和学科竞赛以提升综合实践能力。学科竞赛是对本课程实践教学的拓展，能够在全面提高学员主动学习、乐于学习兴趣的同时，提高动手和创新能力，获得学以致用的成就感。

3 结 语

从推进课程教学改革，提升学员创新实践能力的角度，探索建立基于CDIO模式的实验教学体系，为军队院校微机原理与接口技术课程建设提供有力的科学支撑。同时，我们也清醒地认识到，微机原理与接口技术课程的教学改革是一项经常性和长期性的工作，需要不断地探索和总结经验，逐步完善微机原理与接口技术课程的内容体系，为提高学员创新实践能力，培养高素质新型军事人才奠定坚实的基础。

基金项目：海军工程大学教育科研立项课题（NUE2016216）。

作者简介：昂朝群，女，工程师，研究方向为计算机教学，tyfhxb@163.com；

陈修亮（通信作者），男，工程师，研究方向为计算机教学，hgchenxiuliang@163.com。

参考文献：

[1] 张志伟， 马杰， 张明兰.“微机原理及接口技术”课程建设与实践初探[J].中国电力教育， 2012（20）： 55-56.

[2] 陈立刚， 李红， 刘斌. 突出计算思维能力培养的微机原理与接口技术教学改革[J]. 计算机教育， 2014（3）： 83-87.

[3] 刘民岷. 微机原理与接口技术课程教学及实验改革实践[J]. 实验科学与技术， 2013， 11（1）： 64-66.

[4] 杨继臣， 陈旭娟， 梁庆茵.“微机原理与接口技术”课程教学改革[J]. 教育教学论坛， 2016（33）： 92-93.

[5] 马立平， 范岩.微机原理课程的MOOC建设[J]. 计算机教育， 2016（1）： 128-131.

[6] 孙茂松. 从技术和研究角度看MOOC[J]. 计算机教育， 2014（9）： 2-4.

[7] 蒋翀， 费洪晓.面向MOOC的新型教学模式探索[J]. 计算机教育， 2014（9）： 17-20.

[8] 吴宁. 微机原理与接口技术课程混合教学模式探索[J]. 计算机教育， 2014（19）： 17-20.

[9] 贺斌， 曹阳. SPOC： 基于MOOC的教学流程创新[J]. 中国电化教育， 2015（3）： 22-29.

[10] 李珍香， 李全福. 基于CDIO模式的微机原理与接口技术课程实验教学改革与实践[J]. 实验室科学， 2013， 16（1）： 65-68.