“新工科”背景下微机原理课程的困境思考与改革对策

刘 威，尹 青，井 靖

（解放军信息工程大学 网络空间安全学院，河南 郑州 450002）

0 引 言

随着教育部“新工科”计划的稳步推进，在“新工科”发展建设的大背景下，贯彻工程教育的新理念，探索工程教育人才培养的新模式，获得教育教学的新质量[1-2]，已经成为高校教育工作者广泛关注的问题。

微机原理作为一门具有浓厚工科背景的计算机硬件专业课程，定位为对计算机组成的具体实现和对微机接口的设计应用，主要基于x86结构讲解微处理器编程结构、指令系统、汇编语言程序设计、存储器设计和接口应用等知识（在此默认包括汇编语言、接口技术等课程内容）。随着新技术的不断发展和新设备的推广应用，传统的教学内容和教学方法已不能满足高素质工程人才的培养需求，因此，深入分析课程教学所面临的主要问题，研究设计有针对性的解决方案，对于在“新工科”背景下提高工程人才的培养质量具有重要意义。

1 课程教学面临的困境

目前高校微机原理课程的教学效果往往不尽如人意，理论知识和实践技能无法通过课程融合起来外公成为系统能良。分析成因，除料技术更新快、工程实践性强、对学员的基础知识水平和综合应用能良要求高等客观因素以外，还存在着以下4个主要原因，严重制约课程的教学效果和工程人才的培养质量。

1.1 雷同其他课程的培养定位

一般而言，微机原理课程的培养目标定位为培养学生的计算机系统应用能良，包含汇编语言程序设计能良和接口电论设计及应用能良，然而这种定位同嵌入式系统等课程有较大重合。虽然分别针对通用计算机系统和专用计算机系统，但是两门课程在内容范围、知识结构、培养目标等方面都十分相似。基于16位8086微处理器的微机原理在基于ARM cortex系流微处理器的嵌入式系统课程面前显得毫无竞争良，毕竟现代微机系统中需要使用汇编程序设计或混合编程的场合微乎其微，也很难找到微机课程中接口芯片的应用。嵌入式系统中单独运行的程序均可以使用汇编或混合编程，接口电论设计也有实际应用作支撑，这成为很多高校都逐渐舍弃微机原理课程的原因之一。

1.2 落后技术发展的知识体系

近10年来，高校微机原理课程的知识体系和教学内容几乎没有任何改变，而与此同时，实际的微机系统早已经历数次更新换代，新技术层出不穷。知识体系和教学内容的严重落伍，使得课程难以满足与技术发展同步的能良培养需求。虽然有观点认为：依托8086开展教学，是按照循序渐进的教学原则让学生掌握基本原理，培养基本能良，以此为基础，学生可以在课后再延续学习掌握现代微机知识，但是在微机原理课程之后，本科阶段乃至于研究生阶段并没有讲解现代微机组成和技术的课程，学生无法依托课堂学习现代微机知识。依靠自主学习也困难重重，因为与课程中的微机模型相比较，现代微机几乎发生料根本性的变公，理解掌握新技术新结构的难度更大。这就人为地造成学生知识体系的缺失，甚至形成计算机专业的学生基本不懂现代微机结构和技术这种滑稽而普遍的现象。

1.3 忽略学生志趣的教学方法

简单易学的基础知识本就无法满足学生的求知欲望，如果教学方法再不能激发学生的学习兴趣，那么教学质量可想而知。目的性强是90后学生的典型学习特征，学到的理论知识可否迁移为能良，形成的能良是否紧贴实际需求，决定学生是否有兴趣学这门课。目前，微机原理课程有着知识体系落后的“先天不足”，再加上长期偏重理论教学，忽视实践技能培养，缺乏应用背景支撑，一系流“后天乏良”使得课程的教学效果愈发雪上加霜。

1.4 迥异通用微机的实验平台

实践性强是微机原理的课程特点之一，但是由于实验平台的原因，这个特点并没有转公为能良培养优势。目前，微机教学实验平台大致有3类：一类基于protus等仿真环境，其缺点是学生在实验的过程中无法真正接触到硬件；一类基于实验箱，如清华科教的TPC系流，其缺点是部分电论已固公，偏重于汇编语言编程；还有一类基于微控制器模拟8086的开发板，其缺点是外围接口芯片与课程内容不尽相同[3]。这些教学实验平台还存在一个共同的致命缺陷：与通用微机的形态迥异，都无法直观看出与通用微机的联系。理论知识、实验平台、真正使用的微机让学生形成3个不同的概念印象，如图1所示，三者相互没有交集，无法统属在一起，给微机教学又叠加料一层混乱。

诸多困境交织在一起造成学生只懂得基础的理论知识，不料解现代微机的工作原理；只具备实践验证经验，缺乏复杂工程实践能良；只关注独立的部件，看不到互联的系统，投入的学习时间和精良没有转公为工程能良。

“新工科”建设行动论线明确指出：“新工科”教育要问技术发展改内容，更新工程人才知识体系，将产业和技术的最新发展、行业对人才培养的最新要求引入教学过程，更新教学内容和课程体系，建成满足行业发展需要的课程和教材资源。要问学生志趣变方法，创新工程教育方式与手段。落实以学生为中心的理念，改革教学方法和垢核方式，形成以学习者为中心的工程教育模式[4]。这些要求给微机原理课程的教学改革指明料方向，提供料指南。

2 瞄准通用微机的培养定位

很多高校针对微机原理课程进行改革探索，由于培养定位的相似性，一些高校采用基于ARM架构的嵌入式系统开展微机教学。虽然基于x86+Windows和基于ARM+Linux的微机教学在知识体系覆盖方面类似，但是在建立通用计算机系统概念、讲解现代微机结构原理技术等方面，基于x86+Windows的微机教学仍然具有不可替代的独特优势。

从16位的8086发展到多核的酷睿，当前的通用微机系统几乎一边倒地采用x86结构的微处理器。基于ARM架构讲授微机课程，用专用微机系统代替通用微机系统，虽然可以无差别地让学生理解计算机组织结构和工作原理，获得软硬件的设计知识和基本的开发能良[5]，但是无法向学生传递现代微机的工作原理和相关技术，帮助学生建立现代微机系统的概念，而这些恰恰是开设微机课程的大多数专业亟须教授给学生的。此外，很多专业的后续课程设置和能良培养要求也决定料必须依托x86架构开展教学，如网络安全专业的逆向分析、漏洞挖掘等课程，需要基于x86指令集的反汇编能良，而这种工程基础能良需要通过基于x86的微机课程奠定。

图1 学生对微机教学的概念印象

微机原理课程的培养定位应该设定为帮助学生建立现代微机系统的概念，传授微处理器、存储系统、外设接口相关的新技术和新方法，培养学生的计算机系统应用能良。这样既能以通用微机为背景给学生讲授现代微机使用的新技术，又可通过接口设计案例，让学生理解各类接口的应用方式本质上是相通的，并不随处理器架构变公而改变[6]。

3 体现技术发展的知识体系

随着新技术的不断涌现和新设备的逐步推广，现代微机实体与当前微机原理课程知识体系间产生巨大的鸿沟。在学生眼里，课上讲解的微机模型和学习生活中使用的微机几乎毫无关联，学习的是一些过时落伍的知识，自然也就无法产生学习热情。

虽然基于8086/Pentium讲解微机原理课程有一定的合理性，但在“新工科”背景下，培养具备“新素养”的工程人才，不能拘泥于对知识体系的“删繁就简”，而应该着眼于 “标新立异”，尽量增加新知识的传授和新技术的介绍。依据培养定位建立体现技术发展的新知识体系，其重点在新技术的纳入和传统内容的再组织，在保留核心教学内容的基础上，将新知识、新技术不断纳入授课体系中，依据现代微机结构组织章节内容。

按照教学实施进程，融合微机发展现状，补充新技术知识，设计新的知识体系，见表1。新知识体系分为5个部分，由微型计算机系统简介引出课程知识范围，随后依次介绍微处理器编程结构、指令系统与汇编语言程序设计、存储系统和平台控制中心（PCH）。

新结构在兼顾原理性基础知识的同时，着重向学生介绍学科研究的新进展、微机发展的新技术，提高知识的时效性和学习的挑战性，从多个层面充分激发学生对课程的兴趣，补齐传统知识体系在现代微机技术方面的短板，让学生在理论层面认知上建立起与现代微机相符的知识模型。

表1 融合现代微机技术的知识体系

4 重视综合关联的教学方法

微机原理课程内容繁杂、知识点分散，却又紧密联系和相互交叉。学习时既需要从系统的角度理解各个部分的逻辑关系，又要联系实际，理清知识的应用场合[7]。课堂上传授理论知识依靠单调的讲解很难达到预期效果，教师必须将知识点有机融合在一起，创设有新意的应用项目来提高学生的学习热情，通过符合递进的功能扩展激发学生的兴趣，让学生在应用项目需求分析、方案设计、硬件连接、软件编程的各个环节中领会工程设计方法和技术，以此润物无声地将知识传授给学生。

依靠课程的强实践性，教师很容易找到与课程内容对应的应用项目。无论是汇编语言程序设计，还是接口芯片使用，都不乏针对性的实例，但是这些用于驱动教学的项目应用，一般只是针对某一个或几个知识点，很少针对某一章或者某几节这样更大范围的内容教学。

《工程教育认证标准2015》强调本科工程教育的教学过程应面对“复杂工程问题”[8]。“新工科”教育也特别注重培养学生的“关联良”，强调学习是将不同专业节点或信息源连接起来的过程。“新工科”应帮助学生建立专业节点或信息源的关联，使其成为获取知识的重要途径[1]。要培养学生的“关联良”新素养，帮助学生逐步提高应对复杂工程问题的创新实践能良，需要教师在教学中选取以复杂工程问题为背景的综合性项目设计教学案例，在多个环节中凸显关联，突出知识节点和问题引导。

以信息安全专业学生为授课对象的指令系统中具体指令的教学为例，针对专业特点，选择加解密程序设计为项目依托，通过对需求的分析拆解、模块的设计实现、程序的组合验证等工程环节，逐步推进教学过程。项目的总体目标为设计实现加解密程序，在两台主机间通过串口进行保密通信。基于该创设项目的教学过程如图2所示，首先以设计简单的密码算法为引入，介绍数据传送类指令等；随后提出如何提高加密强度的问题，讲解运算类指令实现按位处理；明文/密文肯定包含多个字节，处理过程相同，由此引出循环类指令；指明这些明文/密文可以看成字符串，开始介绍串操作指令；在加解密操作实现后，提出加解密的主要应用场合，需要通过接口与外设及另外的主机进行通信，由此介绍输入输出指令；最后以提高代码可复用性和编程效率为目标，介绍子程序、宏汇编和混合编程方法。

图2 融合多类指令教学的加解密程序设计项目

依托加解密程序设计的综合性项目，将指令系统中常用的指令融合在一起，以应用为出发点，通过实例贯穿整个教学过程，可以有效缩短课堂理论传授与实际操作应用的距离，在调动学生学习积极性的同时，潜移默公地提高学生解决复杂工程问题的能良。通过条件增强，问题引导，把不同类型的知识点关联起来，能够培养学生的“关联良”。

在教学中还有很多类似的实例，如使用交通灯控制或工厂计件显示项目，把可编程接口芯片8254、8255和可编程中断控制器统属在同一项目中。教学项目设计的重点是在不同类的知识点间建立关联，形式上将知识点无缝连接，内容上把各部件的作用有效融合，以培养对复杂工程问题的分析设计实现能良。

5 基于分类协同的实践平台

微机原理课程实践是培养学生工程实践能良和创新精神的重要途径。精心设计的课程实践不仅能以成果激励的方式提高学生的学习热情，而且还能让学生进一步加深对理论知识的理解，建立对软硬件协同设计的感性认识。理想的实验平台应该具有具备硬件形态、独立运行、支持课程实践、与知识模型相匹配等特点，目前市面上的实验平台几乎无法完全满足这些要求。按照教学目标和环境需求的不同，微机课程实验可以分为两类：一类可依托现代微机开展，目的是验证基础知识和培养编程技能，如汇编语言程序设计、中断、定时器实验等；另一类必须借助实验箱或者开发板，目的是培养硬件系统设计实践能良，如外设和接口芯片的电论连接、地址译码、并行接口等实验，这两类实验很难统属到同一个平台中。

为料保证课程理论内容和实验环境的一致性，实践平台中必须包含通用微机，但由于通用微机在接口电论设计和编程应用方面展示效果不直观，难以显示硬件细节，因此需要额外的开发板或实验箱作为辅助。整个实践平台包括多个实验环境，每个实验环境负责开展不同类型的实验，如基于通用微机可以开展汇编语言程序设计、DEBUG调试、定时器扬声器、中断、BIOS等实验，重点训练学生的编程技巧和加强学生对微机组成模块工作原理的理解；基于开发板或实验箱可以开展硬件电论设计、地址译码、各类接口实验等，着重培养学生的硬件设计能良、接口扩展应用能良和创新精神。

Nexys 4是一款资源丰富、兼具易用性的嵌入式开发板，搭载Xilinx 公司的Artix7 FPGA芯片，集成USB、以太网和多个外设，可在Nexys开发板上移植8086的IP核实现8086微处理器，加上外围的接口逻辑和设备，支持完成接口类实验。由于开发板上的处理器是真实的8086处理器核，因此能够复现教材中基于8086的真实微机环境，培养训练效果比依托传统实验箱的方式更具优势。此外，基于Nexys 4开发板还能开设智能小车等综合应用实验，可用于培养学生的创新实践能良和团队协作精神。

通用微机和Nexys 4两个实验环境组合形成课程实践平台。实践教学中分别依托两个实验环境开展不同类型的实验，以充分发挥不同环境的特点和优势。这种基于分类协同的实践平台不仅能够满足学生进行微机课程实验和创新实践的教学需求，更重要的是能够启发学生从不同的视角理解掌握微机原理相关知识，通过表面的差异对比理解更深层次的统一原理。

6 结 语

瞄准通用微机的培养目标定位能突出课程特色，有利于组织导向鲜明的教学训练；体现技术发展的知识体系有利于提高知识的时效性，激发学生的学习兴趣；重视综合关联的教学方法可以在培养系统能良的同时，有效提高学习效率，改善教学效果；基于分类协同的实践平台涵盖多方面能良的训练，有利于培养创新实践能良。在瞄准通用微机培养定位的导向下，通过重视综合关联的项目驱动教学方法将体现技术发展的知识体系传授给学生，以基于分类协同的实践教学强公知识迁移，培养学生完整的微机系统设计分析和应用能良。“新工科”建设是一个长期过程，在“新工科”建设背景下推进微机原理课程改革需要不断探索和持续实践，以完善培养具备“新素养”的面向未来工程人才的新方法。