微机课程主要讲授微型计算机系统的工作原理与接口技术, 是自动化类、电气信息类、机械类等众多专业的一门重要的专业基础课。该课程内容多, 接口与设备间关系复杂, 具体包括CPU工作原理及汇编语言程序设计、存储器工作原理、接口工作原理及其应用等[1,2], 是一门涉及硬件、软件技术的综合性课程。教育部在《高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划》中指出要把基础课程、核心课程的教学内容、教学手段、教学方法的创新列为改革的主要内容。因此, 如何提高微机这门核心课程的教学质量, 给微机教育者提出了新的挑战。
1 微机的教学现状
目前微机的教学方法普遍采用分散式教学方式, 即只简单介绍微机系统概念后就分章节介绍微处理器、存储器、输入输出、接口技术等知识。微机中介绍的微机系统概念与前期体系结构课程中的相关概念缺乏直接关联, 并且在微机课程的各章节讲解过程中没有讲述各章节与微机系统的关系, 使学生感到各章节内容分散, 无法形成整体概念, 阻碍了学生整体设计能力的发挥。由于在微机教学中采用分散式教学方法, 使学生在学习过程中感觉内容繁杂、概念抽象、原理难记忆、学习后不知道如何使用。习题也多属于基本理论概念的复习, 学生很难通过习题的练习得到系统整体的认识。
各高等院校针对微机教学的问题采取了不同的改革措施。中北大学从提高教师自身修养和因材施教两个方面进行了改革。强调教师要提高自身的知识水平、教学方法等方面树立自己在学生中的威信, 并在教学过程中对于不同的学生采用针对性的教学, 以多样化教学手段提高学生学习兴趣, 达到化难为易的教学目的[3]。华中师范大学在教学方法和实验教学方面进行了改革, 采用引导式、探究式、互动式教学方法[4]。河南大学从理论教学、实验教学和考核三方面进行了改革, 在授课中将抽象的概念用生活中实例进行描述, 启发学生对知识的理解, 同时加强教师与学生的双向交流[5]。南京工业大学构建了微机原理与接口技术多媒体教学平台, 利用多媒体教学环境, 改革课件的内容, 增加可视性效果, 开发学生浏览、自学、复习软件, 开辟师生讨论区等[6]。但是, 这些改革只是在分散式教学的基础上采取的一些改进措施, 没有从根本上改变微机教学中缺乏对微机系统理解的现状。虽然经过教师的自身努力、并采用引导式、互动式、启发式和改善课件等教学方法, 一定程度上提高了学生的学习兴趣, 但是这种改进只能加强学生对各单元内容的理解, 无法将知识形成一个整体, 导致学生学习微机后不会应用。
本文提出微机整体式教学方法, 使用软件工程方法, 以微机系统为基础讲解微机各部分内容, 改革目前微机的分散教学方式, 加强学生对微机整体概念的理解, 提高学生微机系统的设计水平, 培养学生的创新能力。
2 软件工程方法
软件工程是指导软件开发人员高速、高质量地开发软件系统的一套成熟的方法。软件工程强调从整体到详细的高效工作流程, 即软件开发时按照总体设计、详细设计、编程的顺序进行, 软件维修人员在修改软件代码时, 先参照总体设计书、再理解详细设计书和软件代码[7]。这种高效的工作方法可以避免由于先编写或修改代码和详细设计书, 导致费时、费力又无法把握系统整体的缺陷。实践证明这种高效的工作方法是保证软件开发和维护的非常有效的手段。本文借鉴软件工程中这种高效的工作方法, 探讨将其应用于微机教学中的方法。
软件工程中的总体设计通常使用体系结构表示软件系统的整体结构, 如图1所示。
中的小方块表示系统中一个独立的单位, 通常被称为模块。体系结构图表示系统的层次结构, 以及各模块间的关系, 其中连线表示从属关系, 有连接的地方表示该部分的下层从属与其连接的上层。总体设计书中主要包括系统体系结构图、体系结构图中每个模块的功能描述, 各模块与系统接口的关系的描述等。详细设计书主要描述每个模块内部的结构、数据处理方法等。以下结合微机教学内容, 详细解释如何借鉴软件工程中总体设计与详细设计的内容改革微机教学。
3 微机课程的改革内容
微机课程内容通常按照微机概论, 微处理器, 微处理器指令系统, 内存储器, 缓冲、锁存器及译码器等简单输入/输出接口芯片, 可编程DMA控制器, 中断及中断控制器, 串并口芯片及定时器, 总线等顺序进行讲解。微机概论中微机结构图只简单介绍了系统结构 (如图2所示[1]) , 没有明确表明上述微机课程内容与微机系统结构的关系。本文根据软件工程的设计思想, 重新修正了微机系统结构图, 修改后的结构图使微机内容连接为一个整体 (如图3所示) 。
根据软件工程的设计思想, 先进行总体划分, 再进行详细描述。在总体划分中, 首先将微机课程内容按模块进行分割, 如微处理器定义为CPU模块, 内存储器定义为内存储器模块等。再根据图1从上向下的层次关系, 按照微机信息流动的方向将微机系统分为四个层次。最高层为CPU模块, 其次为缓冲、锁存、译码器模块, 第三层为内存储器及各种接口模块, 最底层为外设 (因为外设不属于微机课程内容, 所以没有定义为外设模块) 。各层由总线连接。在总线描述上采用总线分类的描述方式, 定义为内总线和外总线。模仿软件工程中总体设计思路, 在微机概论中结合图3的系统结构图, 介绍微机的系统结构, 各模块的主要功能, 总线的作用和分类。目前微机教材将总线的分类、作用放在整体内容的最后进行讲解, 这样不利于学生对微机系统的整理理解。由于总线连接各模块, 是系统信息传输的通路, 因而在概述中介绍总线的功能非常重要。本文认为将总线的详细分类和各类总线的引脚介绍放在微机内容最后, 但是在微机内容最前面的概述中, 按总线功能分为五大类, 地址总线、数据总线、控制总线、状态总线和定时电源等总线。通过前四大类总线的功能, 结合各模块的功能, 描述信息在系统中传输的状况。这样有利于学生对整个系统的理解。根据图3还可以引出微机的分类, 以及后续课程的内容。如图3中的核心功能集中在一块芯片上构成单片机, 使学生在学习后续课程时有一个连贯的知识体系, 有利于知识的系统化, 而知识的系统化可以促进学生创造性思维的发展。
根据软件工程思想, 第二步是详细描述。即按模块详细介绍各模块内容。通常微机课程在介绍内容时往往按内部结构、引脚, 原理、使用方法和使用实例等顺序介绍。这种介绍方式对一个单独模块的理解比较适用, 但是缺乏与整体系统的连接。本文采用从系统到内部再到系统的顺序, 加深学生对系统的理解。具体方式是先从系统的角度介绍模块与系统的关联内容。即介绍总线输入到模块的信息和由模块输出到总线的信息。再根据功能介绍模块的内部结构及引脚。这样有利于对结构的理解。在介绍模块的具体使用实例时, 按照微机系统结构图, 标注相关的内容。如图4所示, 在介绍内存储器模块的使用实例时, 在详细的接线图中标出CPU模块、缓冲锁存和译码器模块及内存储器模块的位置, 使学生在学习具体内容时能够与系统相结合。
微机课程的上述改革, 紧密结合了微机系统结构, 形成以微机系统为主线的整体式教学方法。这种教学改革从根本上改变了微机内容繁杂、抽象、零散的现状。学生在学习微机知识时结合微机系统的主线, 很容易将知识连成一个整体, 便于对知识的理解和记忆。另外, 这种以整体带动局部的整体式教学方法, 可以培养学生创造式思维。在当今处于信息高速发展的信息时代, 教师教书的目的不能仅限于传授知识, 更应该传授方法, 因为学生可以通过高速发展的信息技术和手段, 从多种途径获取知识, 但是如何从获取的知识中提炼出有用的内容, 需要有一套对获取信息的分析、筛选和组织的思维方法。这种方法是创造性思维的源泉。整体式教学方法可以启发学生将繁杂、零散的内容串联成一个整体, 使学生在体验从整体的角度理解局部的优势中, 学会宏观地认识事物。
在微机的实验改革中, 仍然坚持以系统为主导。虽然微机实验按模块分为几个阶段, 但是在每个模块的实验中, 都要求学生针对模块的特点设计系统图。实验分为两部分, 验证性实验和自主设计实验。在验证性实验中, 根据理论教学的内容, 给出系统图, 硬件接线方式和软件程序及实验操作步骤, 要求学生按照给定的内容验证理论课的内容, 使学生在做的过程中理解知识的含义和作用。在自主设计实验中, 则围绕理论教学的内容, 改变条件, 要求学生重新设计系统图, 搭建相关的硬件, 并编写软件, 完成整个设计过程。通过这两种实验方式, 使学生通过模仿进行创新。由于在整个实验过程中强调了系统概念, 学生在模仿中很容易理解相关概念, 有助于自主设计实验的实施。
4 结语
微机课程是一门重要的专业基础课程。微机教育工作者不仅肩负着传授知识的责任, 更肩负着传授方法的重任。本文将软件工程的从总体到详细的高效工作方法引入到微机教学中, 提出的以微机系统为主线的整体式教学方法, 改革了传统的分散式教学方法, 使微机知识由繁杂、抽象、零散, 转化为清晰、具体、整体化。不仅引导学生深刻地理解微机知识, 更传授了一种从宏观分析问题的思维方式, 为学生的创新打下了坚实的基础。
摘要：本文结合软件工程的特点, 将软件工程方法引入到微机的教学中, 提出微机整体式教学方法, 用软件工程方法, 以微机系统为基础, 将微机中各部分内容按模块划分, 以模块为单位讲解微机各部分内容, 改革目前微机的分散教学方式, 加强学生对微机整体的理解, 提高学生微机系统的设计水平, 培养学生的创新能力。
关键词：软件工程,微机,教学改革
参考文献
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[2] 周明德.微型计算机系统原理及应用[M].北京:清华大学出版社, 2002.
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