工科计算机硬件课程的融合

摘 要：针对目前高校工科计算机硬件课程教学的实际情况,分析“微机原理与接口技术”和“单片机原理与应用”两门课程的教学要求和特点,阐述两门课程的共性和异性,提出将两门课程进行融合教学,为工科计算机硬件课程的设置和教学改革提供思路和方法.

关 键 词：微机原理与接口技术；单片机原理与应用；课程融合；教学改革；硬件课程

文章编号：1672-5913（2013）03-0054-03

中图分类号：G642

0引言

“微机原理与接口技术”“单片机原理与应用”等涉及计算机硬件的课程是高校自动化、测控、电气、电子、通信等专业的重要专业基础课程.这些课程有较强的理论性和实践性,课程信息量大、知识点多、概念抽象,学生普遍反映学习困难,不容易掌握.随着电子技术、计算机技术的发展,高校教育要求教授给学生的知识更加宽泛.这样就难免要添加许多新的课程,例如,“嵌入式系统”原本是研究生的课程,但是现在各大高校都在本科阶段开设.在相同学制下,要加入紧跟技术发展的新课程,就必然要压缩传统课程的教学学时.笔者从事高校教学工作十余年,连续讲授“微机原理与接口技术”和“单片机原理与应用”这两门课程超过八年,提出将两门课程的教学融合为一门课程的教学研究思路,以达到降低学时但不减弱讲授内容的教学目的.

1课程对比分析

在两个学期分别安排上述两门课程是传统教学设置方式,这种思路源于强调各门课程的完整性和独立性,但是导致的最终结果就是在两门课程中部分内容出现了交叉重复.我们希望能将两门课程融合为一门课程来讲解,达到不同内容要讲清、相同内容要讲透的目的,这需要对两门课程进行全方位的对比.

1.1课程结构和教学意义对比

“微机原理与接口技术”课程主要介绍微型计算机的基本组成,以Intel8086/8088为重点讲解微型计算机的CPU、存储器、中断系统和常用输入输出接口的工作原理及接口的设计方法；此外,还适当介绍32位CPU的相关技术.学习该课程后,学生基本掌握计算机的组成及工作原理、常用接口芯片的使用方法,建立微型计算机的整机概念,并对现代高档微型计算机及其先进技术有所了解和认识.

“单片机原理与应用”课程主要以某一系列的单片机（国内通常讲授MCS-51）为主介绍其基本原理、发展过程、汇编语言及程序设计,详细讲授单片机的扩展技术、输入输出通道接口、交互通道的配置与接口、单片机应用系统设计的基本方法及设计原理.为后续课程的学习及今后单片机的应用、分析、设计和开发提供必要的技术基础.

对上述两门课程的结构和意义进行分析得出：两门课程的讲授结构都是以处理器为中心,介绍整个系统的组成和基本原理,讲授接口的使用方法和设计方法.那么,我们能否将两门课程进行详细对比,用对比的方法来同时讲授两门课程呢?

1.2重点讲授内容的对比

上述两门课程讲授的结构是相同的,但是在具体内容上,两者又有着明显的区别.我们完全可以在讲授中,以这些区别作为重点让学生用对比的形式进行同一知识点、不同实例特性的学习,这更能提高学生的学习兴趣和学习效率.课程的重点讲授内容比较如表1所示.

通过表1可以看出两门课程在讲授中完全可以针对一个知识节点,通过对比来同时讲授两种主控器的特点.从内容上看,这两门计算机硬件课程具有融合成一门课程进行教学的条件,但是需要我们认真研究出一个教学上的突破口,来实现课程融合.

2课程的融合研究

2.1课程融合主线

想要将两门课程进行融合,我们需要找到融合的主线,由主线贯穿教学的始终,支撑起课程的思想和内容.这个主线就应该是两者的最大共性和最大的异性,用它们来进行对比讲解,就能达到事半功倍的效果.

针对两门课程,最大的共性就是对寄存器的操作.不管是CPU执行程序还是对外设编程进行数据的输入输出,其实都是对若干寄存器的设置与操作.8086通过片内14个16位寄存器,51单片机通过片内的特殊功能寄存器完成对程序、数据、堆栈的访问；8086访问外部设备,需要进行接口的扩展,需要对外部接口的寄存器进行设置和操作；而51单片机使用片内接口时,只需要对片内的特殊功能寄存器进行操作,只有在扩展本身不具有的功能接口时,才需要对外部接口的寄存器进行设置和操作.

我们也要找到两者的最大差异,就是各自的结构体系.8086是冯·诺依曼结构的代表,使用分段定义的形式来管理数据和程序存储空间,而且8086没有片内片外存储空间的区别,只有存储空间和端口地址的区分；51单片机则是哈佛结构的代表,严格界定数据空间和程序空间,区分片内片外存储空间,需要使用不同的指令来访问数据或程序空间,使用不同指令来访问片内片外数据存储区域.

通过对比两门课程最大的共性和异性,学生能很快抓住两者的主要特点,在充分掌握两个处理器的系统知识后,对于接口部分的学习就会简单很多.接口扩展的片选方法两者是相同的,包括线选、部分译码和全译码方式,所以教师在介绍接口的寄存器定义时,只需强调当主控制器是不同处理器时,按各自的地址管理方式通过端口地址访问来进行设置和操作即可.这样的对比教学,可以让学生对两门课程的主控器特点都加以认识和学习,实现强化共同点,突出不同点的融合目的.

2.2教学方法及实验安排

在教学手段和方法上,我们需要摆脱传统的灌输式教学方式,考虑如何激发学生的学习兴趣,启发学生的思维,发挥学生的创造性,这是改进教学方法的重点和难点.实行启发式和讨论式教学,利用多媒体课件提升课堂效果,这些都是目前高校教学的常用改革方式.但是,随着通信技术的发展,教师要充分发挥新媒体在知识传播上的巨大作用,利用计算机、手机和学生随时交流并给予指导,帮助学生在网络中寻找感兴趣的学习资料,引导学生自主学习.针对这两门课程的融合教学,可以推荐讲授Protues仿真软件,该软件对8088/8086处理器和51单片机都可以进行系统设计和仿真,培养学生的电子电路设计能力,这也是学习计算机硬件课程应该具备的一种技能.如学生使用该软件遇到问题时,可以上网查询正确的解决办法,这能培养学生网络筛选查阅相关资料的自学能力.

要将两门课程融合,还需要对实验项目和内容进行合理的安排.以讲授内容为基础,我们可以安排两两成对的5组实验：编程语言和编程环境实验、综合程序编程实验、中断管理编程实验、定时/计数配合并行接口的综合实验、接口扩展综合实验.每组实验都分别用两个处理器为主控单元来完成,在综合实验部分可以安排学生设计8086和51单片机之间的串行通信实验,让学生体会：虽然针对不同处理器实现控制的手段不同,但用不同的手段来实现共同的控制要求才是学习计算机硬件课程的目标.如果教学计划允许,可以在课程学习结束后,安排两周的课程设计.在此环节,老师可以讲授系统设计的方法,随后给出若干设计要求,让学生自主选择一个主控器来完成设计任务,达到让学生初步融会贯通所学知识的目的.

2.3课时安排与分配

大部分学校对“微机原理与接口技术”课程通常设置72学时,其中有5～8个实验占10～16学时；“单片机原理与应用”课程通常设置56学时,实验也有5～8个,占10～16学时.课程融合的目的之一就是为了减少课时数,如果我们安排16周,每周6学时,那么就有96学时,其中实验为20学时.最后再安排两周的课程设计.这样的课程设置,可以使我们用一个学期完成原来需要两个学期才能讲授完的内容,达到精简学时而不减少教学内容的目的.

3结语

随着计算机技术的发展,几乎所有的工科专业都要求进行计算机硬件课程的学习,如何利用有限课时讲授更丰富的内容是面对当前知识扩容的基本教学要求.本文提出了将最常讲授的两门计算机硬件课程融合教学的思路,为工科相关课程的设置与授课提供参考.

（见习编辑：刘丽丽；编辑：彭远红）