面向创新能力培养的“微机原理”课程教学改革

［摘 要］ 课程建设是教育教学改革的重要内容，为有效实现创新人才培养目标，对信息通信类专业学科基础课“微机原理”开展教学改革。针对“微机原理”课程内容繁杂、概念抽象、实践性强的特点，在教学内容设计与教学实施过程中探索理论与实践教学融合的有效模式。教学内容设计使课堂授课、课内实验以及课外挑战性项目的内容相互衔接，教学实施中采用以问题为导向的课堂教学模式，以及以挑战性项目为载体的课外培养模式。通过课内外联动，有效激发学生的学习兴趣和实践热情，促进学生的自主学习与创新能力提高。

［关键词］ 挑战性项目；问题导向；课内外联动

［基金项目］ 2019年度上海市重点课程建设项目“微机原理”（沪教委高〔2019〕39号）；2023年度上海市重点课程建设项目“计算机网络”（沪教委高〔2023〕32号）

［作者简介］ 方 针（1973—），女，湖北武汉人，博士，上海大学通信与信息工程学院副教授，主要从事多媒体内容取证研究；滕国伟（1975—），男，内蒙古赤峰人，博士，上海大学通信与信息工程学院高级工程师，主要从事智能视频处理与传输研究；张俊杰（1978—），男，河南鹤壁人，博士，上海大学通信与信息工程学院教授，主要从事光通信研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）03-0069-04 ［收稿日期］ 2023-11-24

在“创新驱动”“中国制造2025”“互联网+”

“一带一路”倡议等国家重大发展方向引领下，以“新技术、新产业、新模式、新业态”为特点的“四新”经济形态蓬勃发展，对高等院校工科类专业人才的创新能力培养提出了新的要求。为了实现卓越拔尖人才培养标准，必须对人才培养方案、培养模式、课程体系和教学方式等诸多方面进行全方位系统深入的改革，其中最基础、最本质、最关键的部分是课程内容和教学方式的改革［1］。

“微机原理”是上海大学信息通信类专业本科课程体系中重要的学科基础课。传统“微机原理”课程的教学过程面临知识点多而繁杂、概念抽象等困难。例如，微机系统的运行需要软硬件协同工作，与系统工作原理相关的软硬件、不同功能部件等多个知识点之间存在相互关联，仅通过课堂教学对知识点逐个讲授，学生难以建立整体性、系统性的概念。为了解决上述问题，研究人员在研究性教学模式［2］，任务驱动法［3］，启发式、互动式教学［4］等方面进行了探索。

本文面向创新能力培养，参照“两性一度”的一流本科课程建设基本原则，从教学内容与教学方法两个方面，探索课内外联动的“微机原理”课程教学模式。

一、教学内容设计

经过数次专业培养方案调整，目前上海大学信息通信类专业的“微机原理”课程涵盖8086PC机与51单片机两部分内容。课程组围绕“微机原理”课程所支撑的毕业要求指标点确立课程目标，做到“知识、能力、素质”有机融合（见表1）。

围绕课程目标设计课程教学内容，注重理论与实践教学融合，课堂授课、实验以及课外挑战性项目相互衔接，层层递进。理论教学通过讲授微机系统的组成及工作原理，帮助学生熟悉微机系统主要部件的功能特点和相互关系，从而为学生实验实践提供指导；通过课程实验与课外挑战性项目深化学生对所学原理方法的理解，有助于促进学生掌握微机系统的分析和应用方法，提高计算机应用水平与工程实践能力。

课堂教学内容力求把握住不同微机系统的共性，包括组成系统的各个主要部分，同时强调各部分之间的联系，帮助学生建立起系统的整体概念。在此基础上，比较分析8086和51系列单片机在存储器组织、I/O组织、指令系统等方面的不同点，帮助学生理解不同微机系统的个性特点与应用场景。

课程实验衔接课堂教学与课外挑战性项目。一方面，实验内容包括课外项目所需的开发工具使用，如Keil环境下汇编程序设计及调试、Proteus与Keil联合调试模拟仿真实验等；另一方面，实验内容包括定时器、串口等单片机功能模块的应用程序设计仿真。通过在实验中运用存储器、寄存器的读写等指令并观察相关单元的内容变化，学生对微机基本结构有了更加直观的体验，有助于加深学生对课堂讲授的相关原理技术的理解和掌握，从而为挑战性项目中的复杂工程问题解决打下基础。

挑战性项目命题与课堂教学及实验内容对接。结合课程重点和难点问题设计课程项目，引导学生利用所学的知识分析项目中的技术问题，达到项目基本功能与性能要求，从而促进学生对所学知识的理解运用。例如，题目为“任意波形发生器”的课程项目，要求利用单片机的交互接口，把需要生成的波形通过单片机传递到DAC，然后通过DAC显示至少三种频率可调的波形，并通过LCD显示组号等信息。就课程项目的核心内容串行通信，设置相关的实验内容为：51单片机的串口经电平转换后与PC机串口相连，使用虚拟终端实现上位机与下位机的通信。同时，项目的功能及性能设定体现开放性、综合性，引导学生通过课外自学进一步扩展相关知识，综合运用课内外知识以实现扩展功能或达到更高的性能，进一步提升学生对课程学习的兴趣。

二、教学方法研究

课程组在课程教学的具体实施过程中探索教学方法，通过课内外联动支撑知识传授、能力提升与素质培养的课程目标达成。首先，梳理课程重点和难点，以问题为导向开展课堂教学，以激发学生学习与探究的兴趣；其次，基于挑战性项目开展课外培养，通过给学生合理“增负”，促使学生将课堂学习与课外自学及实践有机结合，增进学生对所学知识的理解、掌握与运用，提高学生系统分析设计能力，培养学生的自主学习与创新能力。

（一）以问题为导向开展课堂教学

作为微机系统的有机组成，微机系统内部的各部件往往共同参与系统工作，其中涉及的控制、地址以及数据处理是相互关联的动态过程，仅基于单个部件难以描述清楚。因此，课堂教学从基础理论和实践问题出发，梳理相关知识点，按照问题、技术、结果的递进模式转化教学语言。结合问题分析深入阐释相关技术原理，揭示技术方案的设计思路，帮助学生掌握微机系统分析设计的规则和方法。

以8086系统的存储器组织为例。逻辑段是存储器组织的重要概念，与此相关的知识点包括寄存器结构、寻址方式、信息分段存储等。教学过程中，在厘清上述各个知识点之间逻辑关系的基础上，确定教学顺序为：（1）介绍8086处理器的引脚、功能结构与寄存器结构。（2）提出问题。8086如何基于16位的寄存器、算术逻辑运算单元及内部总线，生成20位的存储器物理地址。（3）给出解决方案。划分逻辑段，根据16位的段地址、偏移地址，得到20位的物理地址。（4）结合段寄存器及段定义相关伪指令，介绍信息的分段存储。（5）介绍数据的寻址方式。上述安排按照问题解决的思路，将知识点的讲解有机地串联起来，各知识点作为问题解决方案的有机组成，而非没有关联的孤立概念，有效调动了学生的学习兴趣，引导学生在学习中洞察科学问题并主动思考解决方案。

（二）以挑战性课程项目为载体开展课外培养

基于挑战性课程项目开展课外培养，帮助学生建立系统性思维和工程化思维，提高工程实践能力，培养创新能力和团队协作意识。

课程项目的命题来源于实践，要求学生根据项目功能与性能要求提炼科学问题，自主探究问题成因并设计解决方案，最终完成系统仿真及软硬件实现。项目的功能及性能设定体现开放性、综合性，以兼顾不同层次学生的差异。项目要求实现的基础功能和性能指标下限与课堂教学及实验内容相关，但需要对课内所学知识进行综合运用。例如上述“任意波形发生器”项目，实现基本功能所要求的串行通信、查表指令等，课堂教学与课内实验的教学内容都有涉及，学生通过团队合作与个人努力能够完成。同时，鼓励学生通过课外自学调研项目相关研究现状与技术，综合运用课内外知识开发扩展系统功能、提高系统性能。例如上述“任意波形发生器”项目，可以在波形数目、形状及控制参数的交互方式等方面，不断挑战功能与性能极限。

课程项目以小组为单位开展，是面向全体选课学生的课外学习任务。每个小组由3～5名学生组成，设组长1名，可以跨选课班级自由组合。要求小组成员有明确分工，同时注重交流与合作，共同完成项目任务。每个小组需要在两个月时间里，利用课外时间完成从需求分析、系统设计、程序设计到调试验收的所有工作，整个过程极具挑战性。这些学习挑战促使学生灵活运用课堂知识，帮助学生形成系统设计的概念，培养学生的团队合作、工程实践与创新能力。

课程项目的题目发布，学生组队、提交中期进展与项目完成报告等操作均在学院实验教学管理系统网上完成。上海大学实施短学期制，每学期10周，课程项目实施的具体时间安排如下：（1）学期第1周，教师网上发布题目，学生完成组队并由组长确认。（2）学期第4周，学生以小组为单位提交项目实施方案，向学院专业实验中心申请项目所需器材。实施方案要求基于文献与技术资料调研完成系统需求分析，明确单片机应用系统的功能与性能要求，确定功能模块划分，完成CPU与存储器等核心器件选型、外围接口电路设计和软件设计等，并以仿真的形式给出软硬件联调的运行结果，验证系统设计的正确性和完整性。（3）学期第9周，学生完成项目，提交完整的项目实施报告，并进行项目成果展示与验收考核。

课程项目考核以结果为导向并关注过程考查点，设置了“功能实现、性能指标、理论水平、工程规范”四项考核指标，以综合考查学生的主动学习能力、实践能力与团队合作能力。具体根据实施阶段的中期方案报告以及验收阶段的现场功能演示、提问回答、项目测试总结报告，由专家评判“分项等级赋分”进行综合考核，最终评定项目小组成绩。需要强调的是，在项目现场验收环节，功能演示可以由小组代表负责，但回答提问则需由验收教师随机指定项目成员完成。这种安排促进了小组内部的学习交流，各成员通常会在现场验收前相互介绍自己所负责的工作，以建立起对项目的全面了解。通过课程项目的自由组队和生生互动，逐渐形成了“学优生更强、中等生变强、学弱生有收获”的课程全员育人培养目标。另外，小组内部的成绩分配由各成员的贡献比决定，在强调团队合作的同时兼顾个人贡献。小组成绩的70%由各成员平均分配，30%按照项目贡献分配，成员个人的成绩计算模型为：小组成员成绩=小组成绩×70%+小组成绩×小组人数×30%×个人贡献比。其中，个人贡献比由小组成员协商确认后，在学院实验管理系统网上设置。模型赋予了项目小组成员一定比例的自我协调评价权利，通过“同伴压力、强调贡献”，考核小组成员个人的团队合作能力和沟通交流能力。

结语

课程建设是教育教学改革的重要组成部分，关系到创新人才培养目标的实现。本文在“微机原理”课程建设中，通过教学内容设计使课堂授课、实验以及课外挑战性项目的内容相互衔接，为课内外联动培养打下基础。以问题为导向开展课堂教学，将各知识点作为问题解决方案的有机组成串联起来，有效调动了学生的学习兴趣，引导学生在学习中洞察科学问题并主动思考解决方案。基于挑战性项目开展课外培养，通过对项目命题、实施与考核等环节精心设计，促使学生综合运用课内外知识不断挑战项目功能与性能极限。通过课内外联动培养，有效激发学生的学习兴趣和实践热情，促进学生的自主学习能力与创新能力提高。

参考文献

［1］林健.面向“六卓越一拔尖”人才培养的挑战性学习［J］.清华大学教育研究，2020，41（2）：45-58.

［2］万里冰，霍凯，赵嘉蔚，等.“微机原理及接口技术”课程的研究性教学探索［J］.大学教育，2019（9）：7-9.

［3］任斌，宋跃.任务驱动法在微机原理与单片机技术教学中的应用探究［J］.教育教学论坛，2020（32）：268-270.

［4］林新.“微机原理”教学方法研究实例［J］.电气电子教学学报，2021，43（5）：94-97.

Teaching Reform of Microcomputer Principles Course for Cultivating Innovation Ability