洪連環(huán)， 高延峰， 劉曉波， 方 平， 肖 潔

(南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院， 江西 南昌 330063)

0 引言

“微機原理及應(yīng)用”課程是我院一門公共專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程的培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生了解微機控制系統(tǒng)的基本組成和工作原理，掌握微機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件編程方法，培養(yǎng)其綜合利用所學(xué)知識以發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力。然而，在實際教學(xué)中，這門課卻是典型的“教師難教、學(xué)生難學(xué)”的課程[1]。

大機械專業(yè)學(xué)生的電類課程基礎(chǔ)比較薄弱且習(xí)慣了機械類課程的形象思維方式，面對知識點抽象且繁雜的該課程時，容易產(chǎn)生厭煩心理。之前的以教師為中心、教材為中心和課堂為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式難以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和自主性，更談不上培養(yǎng)創(chuàng)新能力了[2]。

本文針對該課程和學(xué)生特點，圍繞“以學(xué)生為中心”，以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，以翻轉(zhuǎn)課堂為主要教學(xué)手段，有機結(jié)合支架式教學(xué)、拋錨式教學(xué)和隨即通達教學(xué)模式，開展了課程教學(xué)改革，啟發(fā)學(xué)生從不同角度循序漸進地掌握微機原理的基本知識，逐漸掌握設(shè)計簡單微機控制系統(tǒng)的所需的思維能力和設(shè)計能力。一年多的教改激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決問題的能力及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

1 建構(gòu)主義和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論對學(xué)習(xí)和教學(xué)做出了新的解釋[3～4]。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式則延伸了教學(xué)的時空，學(xué)生可在課下自主安排時間觀看MOOC、SPOC或教師提供的視頻等資料，在課堂上與教師討論，獲得對知識更深的理解[5～6]。

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和翻轉(zhuǎn)課堂在學(xué)習(xí)觀和教學(xué)觀上有一定的共性[7]?；诂F(xiàn)實的教學(xué)設(shè)計需要綜合應(yīng)用多課程(甚至是多學(xué)科)的內(nèi)容，從多角度來分析問題，具有綜合性和開放性的特點。為了在限定的課時內(nèi)完成某個“意義建構(gòu)”，學(xué)生在課前或課下需要在認(rèn)真學(xué)習(xí)教師提供資料的前提下查閱大量的資料，積極開展或參與各種形式的討論活動，節(jié)省某些知識點課堂討論及教師講解的時間。

2 建構(gòu)主義和翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)設(shè)計

常見的建構(gòu)主義教學(xué)方法有支架式教學(xué)、拋錨式教學(xué)和隨機進入教學(xué)三種[4]。“微機原理及應(yīng)用”課程改革整體的思路是在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，以翻轉(zhuǎn)課堂為主要手段，有機選擇以上三種教學(xué)方式。

2.1 支架式整合課程學(xué)習(xí)內(nèi)容

基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的支架式教學(xué)法的教學(xué)思想來源于維果斯基“最鄰近發(fā)展區(qū)”理論。支架式教學(xué)應(yīng)為學(xué)生跨越“最鄰近發(fā)展區(qū)”提供概念框架，利用一些合適的問題情境，給學(xué)生提供適當(dāng)?shù)?、小步調(diào)的提示(支架)，讓學(xué)生通過這些支架逐步攀升，逐漸發(fā)現(xiàn)和解決學(xué)習(xí)中的問題，最后實現(xiàn)在無教師的協(xié)助下自主完成學(xué)習(xí)，以此來培養(yǎng)學(xué)生的解決問題能力和自主學(xué)習(xí)能力[4]。

為了培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計簡單微機控制系統(tǒng)的能力，針對“微機原理及應(yīng)用”課程知識點分散且抽象、實踐性強的特點，按照支架式循序漸進的教學(xué)過程，以應(yīng)用為導(dǎo)向來整合課程學(xué)習(xí)內(nèi)容。在有限的課時中，按照“簡化基礎(chǔ)理論、注重簡單應(yīng)用、強化綜合設(shè)計”的教學(xué)思路將課程學(xué)習(xí)任務(wù)分解為以下模塊：①課程基礎(chǔ)知識(微型計算機基礎(chǔ)、單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)、單片機引腳、匯編語言程序設(shè)計);②特殊功能模塊(中斷系統(tǒng)、定時器T/計數(shù)器C、串行口);③系統(tǒng)擴展模塊(存儲器擴展技術(shù)、I/O接口擴展技術(shù));④課程大項目設(shè)計。

課程大項目設(shè)計布置在開課之初,讓學(xué)生一開始便有一個明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，在課程學(xué)習(xí)期間通過不定期地檢查進度以督促學(xué)生能及時利用所學(xué)進行模塊設(shè)計，在課程結(jié)束之后再答辯驗收以給學(xué)生充裕的時間來優(yōu)化設(shè)計和書寫報告。

在理論和實踐教學(xué)的處理上，摒棄傳統(tǒng)的理論和實驗分離的模式，采用理論和實驗教學(xué)一體化模式。在實施過程中，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂方法，將教學(xué)的時空延伸到課前和教學(xué)結(jié)束之后。課前教師根據(jù)階段性的學(xué)習(xí)目標(biāo)來設(shè)計教學(xué)項目，并給學(xué)生提供以視頻為主的學(xué)習(xí)資料，即為搭腳手架。班級學(xué)生分組組建3-4人的學(xué)習(xí)小組，以小組為單位開展課前自主學(xué)習(xí)、交流和討論。在課堂上，教師組織小組學(xué)生評述和討論，再根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況總結(jié)主要的理論知識點，然后進一步提出教學(xué)項目的設(shè)計要求，最后在實驗教學(xué)中實現(xiàn)該模塊教學(xué)項目的最終目標(biāo)。課程結(jié)束后，要求學(xué)生利用模塊化設(shè)計思想優(yōu)化課程大項目設(shè)計，這是對課程的總體學(xué)習(xí)效果的主要檢測和評價手段之一。課程各個模塊學(xué)習(xí)中，作為學(xué)生學(xué)習(xí)活動的指導(dǎo)者，教師在支架式教學(xué)中作用應(yīng)逐漸減弱，以減少學(xué)生對教師的依賴。教學(xué)項目設(shè)計越來越綜合和開放，以提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力。

2.2 隨機進入式開展基礎(chǔ)部分教學(xué)

課程的基礎(chǔ)部分主要有微機基礎(chǔ)知識、單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)、單片機引腳、匯編語言指令及程序設(shè)計。對大機械專業(yè)學(xué)生而言，如果按照教材的順序，教師按部就班地講授以上基礎(chǔ)知識，學(xué)生會面對大量計算類專業(yè)術(shù)語和概念，往往不易記住和無法理解、跟不上教師講課思路，容易產(chǎn)生厭學(xué)情緒?！昂喕A(chǔ)理論”的實質(zhì)是在學(xué)習(xí)之初將重點放在基本應(yīng)用上，基礎(chǔ)理論夠用就可以了，然后通過中后期的應(yīng)用訓(xùn)練，使學(xué)生不斷加深對基礎(chǔ)理論的理解，直至達到融會貫通。為此，我們以應(yīng)用為導(dǎo)向引入了隨機通達教學(xué)(Random Access Instruction)法。隨機通達教學(xué)法是斯皮羅等人針對高級學(xué)習(xí)，在認(rèn)識靈活性理論的指導(dǎo)下提出的。它的核心思想是對同一內(nèi)容的學(xué)習(xí)，要在不同時間、有意安排的情景下、帶著不同目的以及從不同的角度多次進行，以此達到高級知識獲得的目標(biāo)。

例如，匯編語言指令是“微機原理及應(yīng)用”課程主要內(nèi)容和教學(xué)難點之一，對后續(xù)的匯編語言程序設(shè)計有著重要的影響。但按照傳統(tǒng)的教學(xué)計劃，教師逐條講解指令的格式、功能和純算法的應(yīng)用舉例后，學(xué)生仍然不會編寫簡單的程序。其中主要的原因有：①機械類的學(xué)生設(shè)計思路不清晰，對程序設(shè)計存在畏懼心理，不敢寫程序；②學(xué)生對所學(xué)的指令一知半解，不知道在程序中怎么靈活應(yīng)用；③和實際應(yīng)用脫節(jié)的理論知識太枯燥和抽象，學(xué)生容易喪失學(xué)習(xí)興趣。

為了解決“指令難學(xué)，程序難寫”的問題， 根據(jù)隨機進入教學(xué)思想，我們把匯編語言指令及程序設(shè)計化整為零，避免抽象地教指令的格式、功能和一般運用，而是把指令具體到一個實例中，并與具體情境聯(lián)系起來。按照課程模塊教學(xué)安排，指令分為四個階段來學(xué)習(xí)。第一階段，以延時子程序的設(shè)計為學(xué)習(xí)目標(biāo)，掌握匯編語言源程序結(jié)構(gòu)、偽指令等基本概念及部分簡單指令的應(yīng)用。在此階段，學(xué)生通過設(shè)計不同時間段的延時子程序，理解分支程序、循環(huán)程序和子程序結(jié)構(gòu)，掌握常用的指令控制轉(zhuǎn)移類指令(如CJNE、DJNZ、CALL、RET等)、指令周期等抽象的理論和內(nèi)容。第二階段，在外部中斷、定時器/計數(shù)器和串行通信等特殊功能模塊學(xué)習(xí)中，重點掌握位操作類(如SETB、CLR、CPL、JB/JNB等)指令和中斷服務(wù)子程序的設(shè)計方法。第三階段，在存儲器和I/O接口擴展模塊，重點學(xué)習(xí)MOVX和MOVC等指令。最后，綜合利用所學(xué)指令完成課程大項目的程序優(yōu)化設(shè)計，使得學(xué)生在綜合設(shè)計中熟練掌握指令及應(yīng)用。這樣，通過從簡單應(yīng)用到綜合實例對不同類型指令的應(yīng)用訓(xùn)練，學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上掌握指令的基本功能，逐漸提高程序設(shè)計所需的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S方式，逐步提升微機控制系統(tǒng)的設(shè)計能力。

2.3 拋錨式開展應(yīng)用部分教學(xué)

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生了解微機控制在機電一體化系統(tǒng)中的作用，課程的簡單應(yīng)用部分教學(xué)采用基于翻轉(zhuǎn)課堂的拋錨式教學(xué)方式。

拋錨式教學(xué)(Anchored Instruction)，要求學(xué)生在實際環(huán)境中感受和體驗問題，而不是聽教師的間接介紹和講解。這種教學(xué)方式非常適合強調(diào)應(yīng)用的“微機原理及應(yīng)用”課程教學(xué)。經(jīng)過“金工實習(xí)”、“機械原理”和“機械設(shè)計”等課程學(xué)習(xí)之后，機械專業(yè)大三的學(xué)生已經(jīng)掌握了進給機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)及其傳動比，但還未了解步進電機的轉(zhuǎn)速如何控制。在學(xué)習(xí)定時器/計數(shù)器時，以學(xué)生熟知的數(shù)控機床“步進電機-滾珠絲杠”進給機構(gòu)中的進給速度控制為教學(xué)項目。教師在課前給學(xué)生一定的提示，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，并提供必要的學(xué)習(xí)資料。學(xué)生接到任務(wù)后，按照教師的提示，小組成員分工合作去查閱資料、學(xué)習(xí)及討論，梳理理論知識和實際應(yīng)用之間的關(guān)系，提出初步設(shè)計方案，并制作PPT以備課堂討論。這樣學(xué)生帶著明確的學(xué)習(xí)任務(wù)和初步的學(xué)習(xí)所得進入課堂討論，可以有效地提高課堂效果。課堂上，首先由小組學(xué)生代表利用課前準(zhǔn)備好的PPT來講解本次課堂所需的理論知識，分享知識點的應(yīng)用成果。接著，聽課學(xué)生向講課的學(xué)生提出問題或者補充他們對知識點的認(rèn)識。然后，教師根據(jù)學(xué)生討論情況，再次補充知識點的理論及應(yīng)用、糾正學(xué)生對知識點認(rèn)識的偏差、總結(jié)課程知識點等。最后，根據(jù)課堂討論實際情況，可對教學(xué)項目提出進一步的要求，如增加正/反轉(zhuǎn)、升降速等控制、電機啟停等功能。由于理論課堂時間有限，更高要求的教學(xué)項目則在課后及實驗教學(xué)中展開。在實驗中，設(shè)置基礎(chǔ)部分、提高部分和擴展部分三個層次，學(xué)生根據(jù)自身的水平選擇相應(yīng)的層次內(nèi)容。

綜合應(yīng)用部分要求小組學(xué)生根據(jù)教師指定的題目或自己選擇經(jīng)教師同意的題目來設(shè)計一個微機控制系統(tǒng)，以此來驗證是否實現(xiàn)課程的總體教學(xué)目標(biāo)。學(xué)生自定具體設(shè)計內(nèi)容和要求，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的軟件硬件聯(lián)調(diào)，書寫設(shè)計報告，指出與目前市場上相關(guān)產(chǎn)品的性能差距，并制作PPT答辯。

這種探究式的學(xué)習(xí)方式經(jīng)過課前、理論課堂討論、實驗教學(xué)和課程大項目設(shè)計等環(huán)節(jié)，學(xué)生在不斷應(yīng)用中掌握了抽象、零散的知識點，提高了個人的學(xué)習(xí)能力，鍛煉了他們創(chuàng)新的思維能力。課前，學(xué)生帶著和專業(yè)相關(guān)的任務(wù)去查閱資料，可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。在課堂上來闡述自己的學(xué)習(xí)成果，鍛煉了學(xué)生的書面(PPT制作)表達能力和演講能力。在和小組成員的交流和討論中，和其它小組及教師的探討中，可培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)助能力、團隊精神和溝通能力。

3 教學(xué)成果及挑戰(zhàn)

在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論及翻轉(zhuǎn)課堂的基礎(chǔ)上，我們對“微機原理及應(yīng)用”課程做了全面改革。修訂了理論和實驗的教學(xué)大綱，改進了教學(xué)方式，改革了考核方式。

學(xué)生對在平時成績(占總成績的10%)的基礎(chǔ)上，降低期末考試成績比例(占總成績的40%)、提高實驗成績分值(占總成績的20%)、增加課程大項目成績(占總成績的30%)的新的考核方式非常認(rèn)可。學(xué)生能積極參與到教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，在教學(xué)中逐漸形成了“比學(xué)趕幫超”的學(xué)習(xí)氛圍。在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育背景下，學(xué)生不斷優(yōu)化課程大項目設(shè)計，去參加“挑戰(zhàn)杯”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目。

在教學(xué)改革實踐中，對全體師生都提出了全新的教學(xué)要求。

(1)在教師方面，教師由傳統(tǒng)教學(xué)中的“主導(dǎo)者”變成了學(xué)生學(xué)習(xí)過程的“指導(dǎo)者”和“監(jiān)督人”，他們在課前的教學(xué)項目設(shè)計、教學(xué)資料的準(zhǔn)備、課程教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺的建設(shè)、通過網(wǎng)絡(luò)給學(xué)生答疑等工作上都需要投入大量的時間和精力。其次，對他們的學(xué)科知識架構(gòu)水平和先進信息技術(shù)運用能力提出了更高的要求。教學(xué)項目設(shè)計要和專業(yè)緊密結(jié)合，有一定的實用性和可行性才能激發(fā)學(xué)生探究的興趣。視頻資料的制作要充分考慮在一定時間內(nèi)保證知識的完整性。最后，課程學(xué)習(xí)內(nèi)容很多通過課外自學(xué)來完成，教師如何監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)情況、課堂討論如何組織、如何發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性等都考驗著教師與學(xué)生的溝通能力和心理素養(yǎng)。

(2)在學(xué)生方面，學(xué)生由教學(xué)的“被動者”變成了知識建構(gòu)的主動者，學(xué)習(xí)不再是混學(xué)分，而是主動地接受新的學(xué)習(xí)方式，積極地投入到教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中。首先，學(xué)生需要在課前投入大量的時間查找資料、整理、討論和總結(jié)，才能在課堂討論上有所收獲。這就需要學(xué)生有自我管理和約束的能力。第二，學(xué)生需要做好教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，才能取得課程總評的好成績。這就要求學(xué)生勇于接受挑戰(zhàn)，具備良好的心理素質(zhì)，具有一定的批判性和創(chuàng)造性思維。最后，學(xué)生需要有一定的合作精神和溝通能力，才能實現(xiàn)最終的知識建構(gòu)。

4 結(jié)語

建構(gòu)主義教學(xué)方式和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式相輔相成，是實現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念、實現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育背景下對人才培養(yǎng)目標(biāo)的需要。為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，在今后的教學(xué)改革中，我們將根據(jù)不同專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)進一步優(yōu)化教學(xué)項目設(shè)計和實施方案。