“微机原理”课程的教学改革探索与实践

［摘 要］ “微机原理”作为计算机科学与技术专业中的重要基础课程，对于培养学生的计算机基本功和逻辑思维能力具有重要意义。为此，通过分析当前福建理工大学“微机原理”课程教学存在的问题，提出一系列的教学改革措施，并结合实际案例进行探索与实践，以期提高学生的计算机基本功和逻辑思维能力。研究发现，当前“微机原理”课程教学存在课程知识理解困难、缺乏进阶式的项目实践、课程内容更新滞后、学生动手能力差等问题。未来须开展多难度等级项目实践、强化实践、提供多样化的教学资源、进行交互式教学、优化实验环境、提供个性化辅导与反馈、建立教学评价与反馈机制等。

［关键词］ 微机原理；教学改革；实践；交互式教学

［基金项目］ 2023年度福建省促进海洋与渔业产业高质量发展专项资金项目“南日鲍湾外海域坐底式养鲍技术及装备开发与应用”（FJHYF-L-2023-12）；2022年度福建省中青年教师教育科研项目“梯度多孔铜的激光选区熔化增材制造及制氢机理研究”（JAT220219）；2024年度教育部产学合作协同育人项目“新工科背景下微机原理课程的教师教学能力提升”（XY202401004）

［作者简介］ 郑天清（1989—），男，福建莆田人，博士，福建理工大学机械与汽车工程学院讲师，主要从事智能传感器、智能装备及机器人研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）03-0101-04 ［收稿日期］ 2024-04-19

引言

“微机原理”课程是计算机科学与技术领域中至关重要的一门基础课程［1-2］。通过学习“微机原理”课程，学生可以深入理解计算机硬件的基本结构和工作原理，掌握数字逻辑、计算机组成原理等核心知识，培养逻辑思维能力和动手能力，提高计算机科学素养和技术水平，为未来在计算机领域的深造和职业发展奠定坚实基础［3-4］。同时，“微机原理”课程教学促进了学生的创新意识和解决问题的能力，为学生未来的就业和创业提供了更广阔的发展空间［5-6］。为此，本文通过总结目前“微机原理”课程教学过程中存在的问题，提出未来“微机原理”课程教学改革的方向与途径，以期提高学生的计算机基本功和逻辑思维能力。

一、“微机原理”课程教学现状

基于对福建理工大学的“微机原理”课程教学大纲，以及对机械电子专业学生、教师、管理者的问卷与访谈调查，整理出“微机原理”课程在课程知识、项目实践等方面的教学不足之处。

（一）“微机原理”课程知识理解困难

“微机原理”课程涵盖了计算机硬件方面的深度知识，包括处理器、存储器、总线、输入输出系统等。理解这些内容需要对数字电路、逻辑门、二进制数学等基础概念有清晰的认识，并且需要将这些理论知识与实际硬件操作相结合。此外，“微机原理”课程通常还涉及复杂的指令集架构、时序控制等内容，这些对初学者来说可能会显得晦涩难懂。因此，学生可能会遇到各种困惑和挫折，需要花费更多的时间和精力来理解并掌握这些概念。

（二）缺乏进阶式的项目实践

目前的“微机原理”课程项目实践主要是完成较为简单的实践案例，在难以避免学生之间相互借鉴学习的背景下，传统的“微机原理”课程项目实践难以培养学生的实践能力，并区分学生之间的项目实践能力差异。

（三）课程内容更新滞后

现代计算机系统涉及多核处理器、虚拟化技术、云计算等复杂概念，而传统的“微机原理”课程还未充分覆盖这些内容，教材和教学资源更新滞后，导致学生学习到的内容与最新技术脱节。

（四）学生动手能力弱

学生缺乏良好的动手能力，无法熟练操作计算机硬件或进行电路连接，需要更多的实践训练和指导。

（五）学生学习兴趣不高

“微机原理”属于较为抽象和理论性较强的课程，缺乏直观性和实用性，学生对其学习兴趣不高，因此需要教师设计生动活泼的教学内容和案例来吸引学生的注意力。

二、“微机原理”课程的教学改革措施

针对福建理工大学“微机原理”课程教学过程存在的不足，提出多难度等级项目实践、强化实践、教学资源多样化等教学改革措施，具体如下。

（一）多难度等级项目实践

在引入项目驱动教学的基础上，设计不同难度等级的基础实践项目类型，对同一基础实践项目设置进阶项目任务，以满足不同基础知识能力学生进行项目实践的体验需求；同时给予学生进一步扩展自身知识应用的平台，激发学生学习兴趣，全方面地培养各个层次的学生。

（二）强化实践

强化“微机原理”课程的实践，设置实验室课程，提供先进的设备与软件工具；编写详细的实验指导书，要求学生完成实验报告；设计实验项目，如流水灯控制，安排实验课程辅导，以指导学生进行操作；组织实验成果展示，鼓励学生展示项目成果。通过这些步骤，学生将有机会应用理论知识于实际操作中，提高动手能力和实践经验，增强对微机原理的理解和应用能力。

（三）教学资源多样化

提供多样化的教材和参考书籍，涵盖不同层次和风格的内容，以满足不同学生的学习需求和兴趣；提供在线课程和视频教程，让学生通过网络学习微机原理的基本概念和实践技能，灵活安排学习时间；搭建虚拟实验平台，提供模拟实验环境和仿真软件，让学生在虚拟环境中进行实验操作，降低实验成本和安全风险；建立实验项目库，收集和整理各种与微机原理相关的实验项目，供学生选择和参考，培养学生的实践能力和创新意识；建立在线论坛和社区平台，供学生交流讨论和互动学习，分享学习资源和经验，扩展学生的学习视野和交际圈；提供编程资源和工具，如汇编语言编程软件、仿真工具等，帮助学生掌握编程技能，并将理论知识应用于实践中。

（四）交互式教学方法

使用交互式教学方法，组织学生进行小组讨论，让他们就特定话题或问题展开讨论，分享观点和想法，促进彼此之间的学习交流和合作；设置问题解答环节，让学生通过抢答或集体讨论的方式回答问题，激发学生的思考和探索欲望，培养他们解决问题的能力；选取与微机原理相关的实际案例，让学生分析和讨论案例中涉及的问题及解决方案，帮助他们将理论知识与实际应用联系起来；设计各种互动式课堂活动，如投票、游戏、角色扮演等，让学生积极参与课堂，增强学习的趣味性和吸引力；使用互动式教学工具，如在线投票系统、电子白板等，让学生参与课堂互动和活动，促进师生之间和同学之间的交流与合作。

（五）实验环境优化

确保实验室内的计算机设备和实验仪器处于良好状态，定期更新硬件设备，包括计算机主机、显示器、键盘、鼠标等，以确保设备性能和稳定性；提供最新的软件工具和应用程序，包括虚拟仿真软件、编程工具、集成开发环境（IDE）等，以满足学生的实验需求，保持实验环境的先进性和适用性；定期更新实验指导书和实验手册，确保实验指导材料与最新的技术发展和教学要求相适应，提供清晰的实验步骤和操作指导，帮助学生顺利完成实验；优化实验室的布局和空间设计，合理安排实验设备和工作区域，确保学生在实验过程中有足够的操作空间和舒适的学习环境。

（六）个性化辅导与反馈

通过学习风格测试或问卷调查，了解学生的学习风格和偏好，为学生提供符合其学习风格的辅导方式和教学资源；根据学生的学习需求和水平，提供定制化的教学材料和资源，包括个性化的实验指导书、补充教材、在线课程等，以帮助学生更好地理解课程内容；与学生一起制定个性化的学习目标，根据其学习水平和需求，制定相应的学习目标和计划，以确保学生能够在课程中取得进步；根据学生的学习进度和需求，安排个性化的辅导时间和方式，如一对一辅导、小组辅导、远程辅导等，为学生提供定制化的学习支持；提供实时的学习反馈和指导，通过课堂互动、在线答疑等方式，及时解答学生的疑问，帮助他们及时纠正学习中的问题和错误；跟踪学生的学习成绩和表现，定期进行学习成绩评估和反馈，向学生提供个性化的学习建议和改进方案，帮助他们提高学习效果和成绩。

（七）教学评价与反馈机制

通过课堂小测、作业、实验报告等形式的形成性评价，及时了解学生对课程内容的掌握程度和理解情况，帮助学生及时纠正错误并巩固学习成果；安排期中考试和期末考试等终结性评价，对学生在整个学期内的学习成果进行综合评价，检验学生是否达到了教学目标和要求；对学生的实验操作和报告进行评定，包括实验操作的准确性、实验报告的完整性和规范性等方面，为学生提供及时的实验成绩反馈；评价学生在课堂上的表现，包括参与度、提问和回答问题的积极性、团队合作能力等方面，为学生提供课堂参与度的反馈和改进建议；建立健全的教学反馈机制，包括学生意见反馈系统、课程评价问卷、教师反馈会议等，定期收集学生和教师的反馈意见，及时调整并改进教学方法和内容。

三、多难度等级项目实践案例

（一）项目名称

基于单片机的简易抢答器、密码锁与智能台灯开发。

（二）项目简介

该项目设计多个不同难度等级的实践任务，每个项目同时设计进阶任务，学生根据自己的课程知识掌握情况与兴趣，选择不同难度等级的实践项目内容，并选择是否挑战进阶任务。

（三）项目要求

1.设计一个基于微处理器的简易抢答器、密码锁与智能台灯。

2.程序设计要求实现简易抢答器、密码锁与智能台灯的功能。（1）简易抢答器的要求为：设置两个抢答按键，可供2名选手进行抢答，抢答开始前给参赛选手5秒钟的准备时间，时间数码管上显示5秒倒计时，在倒计时结束后，数码管仅显示中间的横杠则表示开始抢答。此时参赛选手按下各自抢答按键，谁先抢答成功则对应的LED灯亮起。（2）密码锁的要求为：制作一个密码锁，通过串口助手从电脑端一位一位地发送学号，逐步判断，当输入正确时串口发送给电脑“正确请输入下一位”，当输入错误时反馈“错误请重新输入”。（3）智能台灯的要求为：通过板载的光敏电阻来检测环境亮度，再通过PWM来控制LED灯的亮度，最终实现当外部环境光变暗时LED灯亮度减弱，当外部环境光变亮时LED灯亮度增强。

3.进行实验验证，调试程序和电路，确保简易抢答器、密码锁与智能台灯能够正常工作，完成相关功能。

4.进阶要求。（1）简易抢答器：设置四个抢答按键，可供4名选手进行抢答。（2）密码锁：密码连续输错5次后，提示“密码锁已锁定，请30秒后再重试”，同时时间数码管上显示30秒倒计时，30秒倒计时结束后密码锁自动解锁。（3）智能台灯：可通过按键实现智能台灯感应状态的切换，按下按键1时，当外部环境光变暗时LED灯亮度减弱，当外部环境光变亮时LED灯亮度增强；按下按键2时，当外部环境光变亮时LED灯亮度减弱，当外部环境光变暗时LED灯亮度增强。

（四）实施步骤

具体的实施步骤为：（1）硬件设计。选择合适的微处理器（如基于STM32系列的单片机）、相关外设硬件、电源，设计电路连接方案，并进行硬件搭建。（2）软件设计。利用C语言编写程序，实现简易抢答器、密码锁与智能台灯的相关功能。（3）调试测试。进行实验验证，调试程序和电路，确保简易抢答器、密码锁与智能台灯能够正常工作，达到预期效果。（4）优化改进。根据实验结果和反馈意见，对系统进行优化改进，提高稳定性和性能。（5）成果展示。向同学和教师展示项目成果，介绍项目设计思路和实现过程，分享实验中的经验和教训。

（五）效果评估

1.项目完成情况。考核学生是否按时完成了项目任务，包括硬件设计、软件编程、实验验证等方面。

2.功能实现程度。考核项目是否实现了预期的功能，如简易抢答器项目是否实现了不同按键的抢答。