新工科背景下微机原理与接口技术教学改革探析

摘要：文章讨论了“新工科”背景下微机原理与接口技术课程教学改革问题。提出了基于课程体系的教学指导思想；与时俱进不断更新理论教学内容；设计了全新的软件实验项目并改进硬件实验项目提高学生创新能力；课程网站中设计了课堂测试和课后作业环节检测教学效果；改进了出勤考核方法提高到课率。实践证明这些改革和建设对于教学质量的提高有显著作用，符合“新工科”对于课程建设的要求。

关键词：新工科；微机原理与接口技术；教学改革；探析；实践

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）27-0161-03

0 引言

为主动应对新一轮科技革命和产业变革的挑战，主动服务国家创新驱动发展和“一带一路”“中国制造2025”“互联网+”等，加快工程教育改革创新，培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，支撑产业转型升级，教育部于2017年2月开始积极推进新工科建设，努力探索工程教育的中国模式，培养具有中国特色的具有创新能力的工程技术人才，助力我国的高等教育强国建设[1]。此后，我国高校的工科专业围绕工程教育改革的新理念、学科专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的新质量、分类发展的新体系开展了大量的研究和实践，取得了大量的理论研究成果和实践成果。这种面向创新能力培养的教育教学改革致力于提高工科学生的自主学习与动手实践能力，有助于高等院校建立更加完善的教学规章制度，制定更加符合工程教育规范的课程计划，从而能进一步构建更加完善的新型教育管理体系，为国家和社会提供更多专业水平高、具备多专业知识整合能力与创新意识的新时代优秀工科人才[2]。

专业是人才培养的基本单元，教学改革改到要处是专业；课程是人才培养的核心要素，教学改革改到深处是课程[3]。为满足国家对新工科人才的需求，各高校正在积极响应号召，不仅开设人工智能、机器人以及云计算等新兴专业及新兴课程，还尝试在传统工科的课程上作出改变，以满足新工科教育的建设和发展要求[4]。微机原理与接口技术是当前很多高校工科专业的专业基础课程，在专业课程体系中占有重要地位，同时，该课程也是一门历史悠久的传统课程，为了满足新工科对人才的需求，需要加大课程教学改革的力度。为此，文章探讨了基于新工科背景下的微机原理与接口技术课程教学改革。

1 课程教学目标定位

微机原理与接口技术是吉首大学电子信息类专业非常重要的专业基础课程，要求学生理解和掌握数制系统、微处理器的基本结构和工作原理、汇编语言程序设计、接口电路的工作原理与编程、系统总线等，具备软硬件紧密结合的显著特点。通过学习，帮助学生理解计算机系统的底层工作原理，培养学生综合运用模拟电子技术、数字电子技术、汇编语言、C语言等相关知识理解和设计接口电路、编写接口电路初始化程序等方面的能力。

微机原理与接口技术课程整合了早期汇编语言程序设计、微型计算机原理、微型计算机接口技术三门课程的内容，节省了大量的教学时间。随着时代发展和技术的进步，特别是近些年来教育部推进新工科和一流课程建设，微机原理与接口技术原有的教学内容已经不能适应新的要求，需要开发新的理论教学与实验教学体系。为此，基于现有条件，结合新工科和一流课程建设的新要求，做了大量研究与实践。

2 理论教学取得的新成果

2.1 提出了课程体系的教学观点

理论课教学提出了“基于课程体系的课程教学”观点，并贯彻于教学实践之中。微机原理与接口技术课程的特点表现为：理论简单一看就懂；实践要求高一做就错；一学就忘。内容涉及汇编语言、C语言、数字电子技术等多门课程，还涉及IT产业发展及产业标准等各类繁杂的知识领域。在理论课教学中，需要将不同领域的知识有机融入其中，实现不同课程的有机融合，帮助学生建立课程体系的观念[5]。

软件教学部分，将汇编语言与C语言程序做对比讨论，使学生对C语言的理解更深入。如数据类型，对于字数据，汇编语言中用DW定义并分配2个字节的存储空间，在Turbo C编译环境下用int定义并分配2个字节单元，在Visual Studio C++ 6.0版本中int型数据被分配4个字节，而最新版本的一些编译软件中int 型数据则分配了8个字节，这与CPU字长由8位、16、32到64位的变化是对应的，以便充分发挥计算机的性能，提高数据的传输速率。

硬件教学部分，有机结合数字电子技术中相关的内容，使学生理解芯片工作的底层原理。如在讲授定时计数器芯片8253时，结合数字电子技术的计数器部分，回顾了计数器的各种类型。8253定时/计数器芯片采用减法计数，支持二进制和十进制，十进制计数时采用8421BCD码计数，不同计数制最大计数值不同，从而加深了本课程与数字电子技术相关知识的衔接，这种授课方法非常有利于帮助学生建立课程体系的观念。

在介绍基本接口芯片工作原理时，提出思考问题“早期的计算机主板上有这些基本的接口芯片，现在的计算机主板上则找不到这些芯片，这是为什么？这些芯片的学习还有价值吗？”早期芯片的设计水平和制造水平有限，故而在主板上安装了多个独立的芯片，现在芯片的设计水平和制造水平极高，能够把多个芯片加以集成。目前计算机的主板上除了CPU以外，还有两块规模巨大的芯片，分别称为“北桥”和“南桥”，北桥负责高速数据通信，南桥则控制低速的I/O，早期独立芯片的功能就集成在这些桥片中，并且早期芯片所用的编程方法及分配的I/O地址均继承了下来，以保证计算机的软硬件兼容，这是IT产业发展的需要。随着半导体技术的发展，甚至将北桥芯片的功能集成到了CPU中，主板上不再需要北桥芯片，同理，南桥芯片也在进一步整合，功能在进一步多样化，甚至以后可能也会消失。

2.2 构建了新的理论课教学体系

微机原理与接口技术属于历史较长的课程，随着计算机技术的进步，课程内容也在日益老化，8086/8088 CPU已经过时，学生所学的知识难有用武之地。很多专家学者积极探讨课程的教学改革，有些专家提出了采用单片机讲授微机原理与接口技术的方案。但是，这种方案的缺点也非常明显，主要表现在：

第一，早期的单片机系统有总线扩展的需求，现在的单片机系统几乎不需要做总线扩展，如果需要做扩展，开发者通常会选择更换单片机芯片实现，以降低开发成本，降低系统复杂程度，提高系统可靠性。

第二，微型计算机是一个软硬件结合的复杂系统，单片机产品只是一个控制装置，无法讲清楚计算机系统。

第三，8086/8088 CPU虽然已经过时，但是整个计算机产业甚至可以说IT产业是基于这款CPU发展起来的，后续开发出来的CPU对8086/8088 CPU做了继承，大量早期的技术目前还在使用，区别主要在于现在是在一个速度更快规模更大复杂程度更高的计算机系统上使用。学生以后如果从事相关领域的技术工作，这些知识和技术都是必备的基础。

基于各种原因，用单片机讲授微机原理与接口技术的方案没有得到大量使用。但是，8086/8088 CPU严重过时，现实中除了教学仪器以外几乎不再使用也是事实，只有改革才有出路，要赋予旧知识新生命。目前已经出现了一批新教材，融入了现代计算机的新技术。笔者经过长期研究，制作了新的教学课件，吸纳了新知识新技术，去掉了陈旧无用的相关内容，课件针对课程本身而非教材，从而增强了课件的通用性。

3 实验教学取得的新成果

3.1 开发了综合性的软件实验项目

以前，软件设计实验比较简单，学生根据要求编写程序，使用Debug调试工具跟踪分析得到结果，语言单一，对程序运行界面要求较少，缺乏挑战。为此，精心设计了新的软件实验项目，显著改善了实验教学效果。新的软件实验体现出了高度的综合性，要求较多并逐步提高，对培养学生自主学习、注重程序运行界面设计具有显著的作用。例如，某次软件设计实验内容如下：

问题描述：若1KB的数据存放在以TABLE为首地址的主存区域，请编写程序将该数据块搬到以NEXT为首地址的主存区域中，要求如下：

1） 利用MOV指令配合循环结构编程实现。

2） 利用串处理指令及指令前缀实现。

3） 使用系统功能调用，显示程序运行后TABLE 区域及NEXT区域的内容，比较判断是否成功地实现了数据搬迁。

4） 在C 语言中定义TABLE 和NEXT 数组，显示TABLE区域中的内容，利用内嵌汇编语言程序实现数据搬迁，然后在C语言中显示NEXT区域的内容，比较判断是否成功地实现了数据搬迁。

实验课题只有一个，但是要求学生通过不同的方法“玩转”该题目。前两点要求用不同的指令实现；第三点要求设计程序运行界面，直观地显示程序运行的结果，而不是用Debug程序调试分析；第四点要求采用汇编语言和C语言混合编程实现，发挥两种语言各自的优势。

该实验项目的要求远远高于传统的软件实验，对学生编程能力的培养有显著的作用，指导老师编写了示例程序演示运行的效果供学生参考，示例程序的数据段定义如图1所示。

在另外一个软件实验项目中，要求学生编写程序输入一个以“#”为结束符的字符串，统计输入的数字字符、大写字符、小写字符及其他字符的个数，并显示字符个数。示例程序数据段定义如图2所示。

新的软件实验要求直观显示程序运行结果，而不是用Debug程序跟踪调试。要完成结果显示，涉及系统功能调用、代码转换等多方面的问题。此外，还要注意程序的编排格式、符号取名、注释编写等各个细节，显著提高了编程的趣味性和挑战性，编程能力对于接口程序的编写具有非常重要的意义。

3.2 设计了新的硬件实验项目

以前，硬件实验通常采用实验箱自带的实验项目，这种教学方式存在明显的缺陷，主要表现为：

第一，学生对CPU引脚信号缺乏深入理解，对硬件连接的底层原理不清楚。

第二，学生按照实验指导手册完成实验操作，需要学生思考的问题少，限制了学生主观能动性的发挥。

第三，学生需要自己编写的程序很少，绝大多数同学照抄实验系统自带的源程序完成实验报告，敷衍应付了事，对培养学生编程能力的作用甚少。

针对传统硬件实验教学存在的问题，重新设计了实验项目。

为了加深对CPU引脚信号的理解，某次实验要求利用Proteus软件绘制8086最小系统电路原理图，使用的器件包括74LS245和74LS373，极大地促进了学生对8086 CPU引脚信号含义、总线产生方法以及硬件连接逻辑的理解。

为了防止学生照抄实验箱程序，根据硬件原理图提出了新的要求，新要求尽最大可能保证学生必须自己编写控制程序，而不是运行系统自带的程序并在实验报告中照抄实验箱源程序简单敷衍了事。

例如，在D/A转换实验中，需要产生方波和三角波信号，并用示波器观察波形。但实验室没有配备示波器，也没有虚拟示波器可用。因此，将实验项目做出修改，利用实验箱上的发光二极管显示信号。

周期性地给转换器输入立即数00H和0FFH，给转换器输入00H时发光二极管熄灭，给转换器输入0FFH时发光二极管发亮，可以演示方波信号的效果。

依次给转换器输入00H、01H、02H、...、0FFH，每送一个立即数做短暂延时，然后从0FFH开始，依次减1，一直减到00H，如此循环。可以观察到发光二极管逐步变亮，到达最亮时再逐步熄灭，如此反复，把三角波信号的效果演示出来。

在A/D转换实验中，把A/D转换器、8255、发光二极管结合起来，设计综合性的实验，还可以把8253、8259集成到实验中，设计一个规模更大的综合性实验项目，这些做法都能有效地促进学生主动思考，避免简单地按照实验手册连线然后运行自带程序敷衍了事。

4 构建了新的课程测试手段，初步建成了课程网站

课程测试是了解学生学习状态的重要手段。在以前的教学中，课堂作业参与的学生人数不多，参与程度不高，教师批改课后作业工作量巨大，缺乏作业讲解，且当前学生均有手机，手机入袋工作的推进难度大，效果不好。

针对传统作业方式存在的问题，加大了课程网站建设的力度。包括：第一，设计了十余套课堂测试题，设置了参考答案，每次测试的时间为10分钟，学生用手机或平板电脑登录学习通完成课堂练习，把手机和平板电脑变成了学习的工具，学生完成答题并提交后即可知道自己的分数和对错，对错误较多的习题由教师当堂讲解；第二，针对各章内容设计了多套课后测试题，设置了参考答案和完成时间，便于学生完成后查找问题所在，对于普遍存在的问题则加以讲解，有效解决了传统作业批改存在的缺陷，如图3、图4所示。

每次课堂测试因为题量和难度的不同，再考虑到学生填写答案并提交均需要时间，设定完成的总时间大致为10多分钟，完成后做批量批改，可以查看到每一位同学的分数和出错的题目，系统还记录了缺交的名单，为期末计算平时成绩提供了依据，学生普遍反映课堂测试对于掌握所学知识具有显著的作用。

为了提高学生的到课率，每次上课前学生用手机签到。用手机扫二维码或者使用位置签到，后来发现有漏洞，学生把二维码发给未到的同学，位置签到也有缺陷，没有进教室而在设定的距离范围内的同学也能签到。后来采用二维码签到，但是把扫码时间设定为1分钟左右，迟到的学生由教师予以标注迟到原因，以便教师准确了解学生出勤情况，没有进教室的学生来不及反应签到就结束了，极大地降低了签到作弊的发生，在期末计算出勤分的时候就有了更客观公正的依据，师生之间简直就是“斗智斗勇”。

5 结束语

“新工科”“一流本科课程”等新理念对课程教学及课程建设提出了全新的要求，微机原理与接口技术按照“课程体系”的教学观点，在理论教学、实验教学、教学效果检测等多方面进行了研究与实践，对传统工科课程按新的要求进行全方位的深化改革，以适应新时代对于创新人才培养的新要求，取得了较好的教学效果，学生所学知识及创新思维方式在学科竞赛中也发挥了重要的作用。

在以后的教学中将进一步加大教学改革与建设的力度，具体包括：针对教学的重点难点问题录制短视频、进一步丰富软硬件实验项目、增加Proteus软件仿真实验、继续丰富课堂测试及课后测试题库等。教学改革永远在路上，只要紧跟时代，勤于思考和实践，就会发现很多值得研究的问题，把教学改革最终落实到课程建设上，促进教学质量的提高，促进“新工科”等新要求的落地。

参考文献：

[1] 李忠，高波，康灿.新工科背景下卓越工程人才实践教学改革探索[J].高等工程教育研究，2019（S1）：36-38.

[2] 林健.新工科专业课程体系改革和课程建设[J].高等工程教育研究，2020（1）：1-13，24.

[3] 吴岩.深化“四新” 建设走好人才自主培养之路[J].重庆高教研究，2022，10（3）：3-13.

[4] 左国玉，雷飞，乔俊飞.新工科背景下面向创新能力培养的微机原理与应用课程改革[J].计算机教育，2021（2）：108-112.

[5] 向继文.基于课程体系的原码、反码和补码教学研究[J].电脑知识与技术，2022，18（36）：154-156，159.

【通联编辑：王 力】

基金项目：吉首大学2023 年校级精品在线课程（JSUMK202324） ；2021 年湖南省普通高等学校教学改革研究项目——“新工科”背景下《数字电子技术》实验教学改革与研究（HNJG-2021-0678）