魏建宇,盧愛臣,馬文彬

(陸軍軍事交通學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)教研室，天津300161)

0 引言

《微機(jī)原理與接口技術(shù)》課程是培養(yǎng)學(xué)生信息化素質(zhì)的核心課程之一，主要使學(xué)生獲得計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)方面基本技能，培養(yǎng)利用硬件與軟件相結(jié)合的方法和工具，分析解決本專業(yè)及相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域問(wèn)題的思維方法和初步能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和實(shí)踐、創(chuàng)新能力打好基礎(chǔ)，從而提高學(xué)生的核心競(jìng)爭(zhēng)力。參考探究式教學(xué)模式和CDIO工程教育模式，對(duì)《微機(jī)原理與接口技術(shù)》課程的教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革探索，旨在培養(yǎng)學(xué)生具備工程實(shí)踐能力，滿足社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才的需求。

1 微機(jī)原理與接口技術(shù)課程現(xiàn)狀

1.1 理論講授多，課程內(nèi)容難懂

傳統(tǒng)的《微機(jī)原理與接口技術(shù)》課程主要以8086微型計(jì)算機(jī)為例介紹CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、邏輯組成以及接口芯片等方面的知識(shí)[1]，使學(xué)生從理論和原理上理解微型計(jì)算機(jī)的組成原理，并初步掌握接口芯片技術(shù)。由于教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜、概念抽象，學(xué)生理解起來(lái)困難，在實(shí)踐課程中又難以將抽象的概念與相應(yīng)的匯編語(yǔ)言程序結(jié)合起來(lái)，造成學(xué)生覺得枯燥無(wú)味，學(xué)習(xí)興趣不足，教學(xué)效率低下[2]。

1.2 創(chuàng)新性受限制

傳統(tǒng)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)通常是使用實(shí)驗(yàn)箱為平臺(tái)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也多側(cè)重于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只要按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求進(jìn)行電路連接、輸入實(shí)驗(yàn)例程，編譯下載后即可得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生很少動(dòng)腦思考整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象容易達(dá)成而學(xué)生沒有動(dòng)力再去進(jìn)行深入探索。雖然實(shí)驗(yàn)過(guò)程也完成了對(duì)所學(xué)知識(shí)的驗(yàn)證，但在一定程度上限制了學(xué)生的創(chuàng)新性和主觀能動(dòng)性。

1.3 實(shí)驗(yàn)時(shí)間受限制

實(shí)驗(yàn)課程安排在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)箱上完成，學(xué)生只能在有限的課內(nèi)時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)，課余時(shí)間如果想進(jìn)行學(xué)習(xí)和鞏固則缺乏實(shí)驗(yàn)條件，而且在實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)沒有完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的學(xué)生課后無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，時(shí)間在一定程度上限制了學(xué)習(xí)質(zhì)量和效果。

1.4 考核方式的受限制

傳統(tǒng)的教學(xué)模式往往忽視對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的考核，僅以實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為實(shí)驗(yàn)部分的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，而部分課內(nèi)未完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的學(xué)生為了得到這部分實(shí)驗(yàn)成績(jī)，便會(huì)出現(xiàn)抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告的現(xiàn)象，教師很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告來(lái)判斷學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握情況。而實(shí)驗(yàn)考核方式的缺陷又會(huì)使學(xué)生把學(xué)習(xí)精力放在期末考試上，形成為了通過(guò)考試而學(xué)習(xí)的局面。

因此，深入分析該門課程發(fā)展的特點(diǎn)規(guī)律，剖析教學(xué)過(guò)程中面臨的主要問(wèn)題，《微機(jī)原理與接口技術(shù)》課程的教學(xué)改革勢(shì)在必行。

2 探究式教學(xué)

探究式教學(xué)(Hands-on Inquiry Based Learning)是指讓學(xué)生在學(xué)習(xí)原理及相關(guān)概念的時(shí)候，教師只是給他們提出一些問(wèn)題，或是提供一些案例，讓學(xué)生通過(guò)查閱資料、觀察、實(shí)驗(yàn)、思考等方法進(jìn)行獨(dú)立研究和學(xué)習(xí)的過(guò)程，自行發(fā)現(xiàn)需要的結(jié)果或結(jié)論。指導(dǎo)思想是在教師的指導(dǎo)下，使學(xué)生主動(dòng)、自覺地進(jìn)行探索，掌握發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法，建立自己的認(rèn)知模型和學(xué)習(xí)方法。在探究式教學(xué)中是以學(xué)生為主體，學(xué)生發(fā)揮主動(dòng)作用[3]。

3 CDIO教學(xué)理念

CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate)是構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行的英文縮寫，是從“做中學(xué)”的工程教育模式的有益探索。CDIO工程教育方法是由MIT、瑞典皇家工學(xué)院等專業(yè)首先進(jìn)行嘗試的，取得了良好的效果，并且得到了各個(gè)國(guó)家、各個(gè)高校的認(rèn)可。

CDIO模式以項(xiàng)目為載體，倡導(dǎo)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，可以引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題，找到解決問(wèn)題的方法，建立有效的交互、啟發(fā)式和探究式學(xué)習(xí)模式；通過(guò)選擇項(xiàng)目情境，充分體現(xiàn)微機(jī)原理和技術(shù)課程應(yīng)用等的可行性和適用性；CDIO模式注重實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，倡導(dǎo)以具體實(shí)踐為基礎(chǔ)的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，然后上升到理論，再回到實(shí)踐，為教學(xué)目標(biāo)創(chuàng)造最終產(chǎn)品，符合社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的需要。

CDIO模式在實(shí)際工程項(xiàng)目中作為一種邏輯組織教學(xué)，讓學(xué)生以項(xiàng)目學(xué)習(xí)為中心，在項(xiàng)目中進(jìn)行學(xué)習(xí)，能充分挖掘?qū)W生潛能、提高能力，解決實(shí)際問(wèn)題。同時(shí)，教師在設(shè)計(jì)項(xiàng)目構(gòu)思過(guò)程中，對(duì)教學(xué)過(guò)程也會(huì)有更深層次的認(rèn)識(shí)，從而促進(jìn)教學(xué)效果的提高。

4 基于CDIO模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

根據(jù)CDIO模式的基本理念和要求，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以采取階段式、層次式的結(jié)構(gòu)，劃分為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)4個(gè)層次。在不同的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度環(huán)節(jié)，采用不同的教學(xué)方法和手段，并且根據(jù)學(xué)員的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

4.1 驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)主要是采用演示法進(jìn)行講解，并要求學(xué)生課內(nèi)在實(shí)驗(yàn)箱上完成，目的是使學(xué)生快速入門，熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)實(shí)驗(yàn)的基本原理、概念、實(shí)驗(yàn)方法有初步的認(rèn)識(shí)。教師要對(duì)實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題、重難點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致地講解，并協(xié)助學(xué)生解決可能遇到的問(wèn)題，逐步培養(yǎng)學(xué)生的軟件設(shè)計(jì)和硬件故障分析能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生務(wù)實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)作風(fēng)，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行打下良好的基礎(chǔ)。

4.2 設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)是在單個(gè)模塊驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，更改設(shè)計(jì)要求，并且進(jìn)行多個(gè)單元模塊的組合，擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。例如，學(xué)生在完成基本輸入輸出實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求利用單支開關(guān)控制8個(gè)數(shù)據(jù)燈的亮滅。在此要求下，需要學(xué)生在前一個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，充分理解芯片的工作原理，并且完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、編程與實(shí)現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)中，教師僅進(jìn)行基本設(shè)計(jì)思路的引導(dǎo)，充分給予學(xué)生獨(dú)立思考的空間，獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，包括實(shí)驗(yàn)電路、實(shí)驗(yàn)程序，并對(duì)實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題進(jìn)行思考并解決，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的目的。

4.3 綜合型實(shí)驗(yàn)

綜合型實(shí)驗(yàn)是在前兩個(gè)階段的基礎(chǔ)之上，主要結(jié)合課程中的多個(gè)接口芯片、應(yīng)用程序編程和其他課程中的知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用，學(xué)生在學(xué)習(xí)入門并有一定程度的提高之后，具有一定的軟硬件開發(fā)設(shè)計(jì)能力，掌握了一定的編程技巧，希望能夠自己完成一項(xiàng)設(shè)計(jì)方案，激發(fā)他們自我創(chuàng)新的欲望。這時(shí)可以做一些例如“模擬交通燈控制”“電子音樂播放”“車輛轉(zhuǎn)向預(yù)警”“倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)管理”等有一定難度的實(shí)用系統(tǒng)。設(shè)計(jì)過(guò)程中，軟硬件都需要獨(dú)立完成，教師主要采用引導(dǎo)的方式，不主動(dòng)干預(yù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)討論交流、查閱資料解決遇到的問(wèn)題，只解答一些技術(shù)性的關(guān)鍵難點(diǎn)，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和成就感。

4.4 創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)適用于部分學(xué)習(xí)興趣高、學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較好的學(xué)生，每3人結(jié)合為一個(gè)小組，學(xué)生運(yùn)用自己已掌握的知識(shí)，按照自己的興趣和知識(shí)獨(dú)立設(shè)計(jì)題目和自行討論制訂方案，參加教師的科研項(xiàng)目、大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目或參加計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)競(jìng)賽。

在項(xiàng)目進(jìn)行中同組的成員可以相互探討，共同解決項(xiàng)目中遇到的問(wèn)題。運(yùn)用討論法，鍛煉學(xué)生的思維能力，同時(shí)在學(xué)習(xí)過(guò)程中鼓勵(lì)學(xué)生質(zhì)疑，引導(dǎo)學(xué)生課后自主查閱相關(guān)文獻(xiàn)、自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，概括出符合科學(xué)的結(jié)論，并以此拓展學(xué)術(shù)視野，鍛煉學(xué)生初步的學(xué)術(shù)能力，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。學(xué)生還實(shí)現(xiàn)了“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題—提出問(wèn)題—分析問(wèn)題—解決問(wèn)題—?jiǎng)?chuàng)新問(wèn)題”的認(rèn)識(shí)規(guī)律和創(chuàng)新思維，該過(guò)程實(shí)現(xiàn)了CDIO模式的各個(gè)步驟。

應(yīng)用CDIO教學(xué)模式需要良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在保證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠進(jìn)行驗(yàn)證型及設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)能夠進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，以彌補(bǔ)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足。

5 Proteus仿真設(shè)計(jì)軟件的使用

傳統(tǒng)的《微機(jī)原理與接口技術(shù)》實(shí)驗(yàn)課程大部分都在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)箱上的元器件位置、大部分連線都已經(jīng)固定，學(xué)生可以進(jìn)行連接的線路較少，難以對(duì)已連接的實(shí)驗(yàn)電路有直觀、全面的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)箱頻繁插拔、老化等原因，損壞的實(shí)驗(yàn)箱無(wú)法繼續(xù)完成實(shí)驗(yàn)課程[4]。

在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)通過(guò)引入Proteus仿真設(shè)計(jì)軟件，教師在上課時(shí)可隨時(shí)進(jìn)行電路動(dòng)態(tài)仿真，邊講解理論知識(shí)，邊進(jìn)行案例演示。可以有針對(duì)性地展示各模塊具體硬件電路和軟件控制方法，這種方式直觀靈活且交互性強(qiáng)，容易吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)習(xí)熱情[5]。

使用Proteus進(jìn)行接口電路實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需要繪制完成的電路，相對(duì)于實(shí)驗(yàn)箱而言，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理會(huì)理解得更為透徹，并且可以根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)系統(tǒng)的譯碼電路、輸入輸出器件等[6]。

Proteus提供了豐富的元器件庫(kù)，提供了性能、質(zhì)量更高的虛擬儀器儀表，使得修改設(shè)計(jì)電路更加靈活，并且Proteus提供了豐富的調(diào)試手段，學(xué)生設(shè)計(jì)時(shí)間大大縮短，而且可以充分利用實(shí)踐課程以外的時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提供了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐精神、創(chuàng)造精神的平臺(tái)。

6 考核模式

課程的考核應(yīng)當(dāng)緊密圍繞課程培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合課程特點(diǎn)，既要考查學(xué)生對(duì)課程基本知識(shí)的掌握程度，又要考查學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)態(tài)度、實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。最終成績(jī)由期末考試(40%)、實(shí)驗(yàn)考核(40%)、課堂表現(xiàn)(10%)和平時(shí)作業(yè)(10%)4個(gè)部分組成。

其中，實(shí)驗(yàn)考核環(huán)節(jié)是在學(xué)期末給學(xué)生1-2周的時(shí)間，可以分組也可獨(dú)自進(jìn)行，學(xué)生自行選題進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，題目需經(jīng)過(guò)教師的審定通過(guò)方可開始進(jìn)行。要求學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路，在Proteus平臺(tái)上完成相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)和程序編寫，并得到正確的仿真結(jié)果，完成項(xiàng)目要求。學(xué)生還需提交設(shè)計(jì)文檔、準(zhǔn)備匯報(bào)PPT并現(xiàn)場(chǎng)演示，教師根據(jù)匯報(bào)、演示效果和現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn)情況進(jìn)行綜合打分。

改革后的課程考核方式，消除了學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)應(yīng)付，臨近期末才緊張復(fù)習(xí)的不良風(fēng)氣，因?yàn)閮H僅在期末考試取得較高分?jǐn)?shù)并不能保證期末成績(jī)合格。學(xué)生最終的考試成績(jī)，與學(xué)生平時(shí)的付出成正比，勤奮刻苦、善于思考、創(chuàng)新能力強(qiáng)的學(xué)生成績(jī)高[7]。

7 結(jié)語(yǔ)

在《微機(jī)原理與接口技術(shù)》課程中引入探究式教學(xué)理念，結(jié)合CDIO模式教學(xué)課程設(shè)計(jì)，比傳統(tǒng)教學(xué)方法具有較多的優(yōu)勢(shì)。更新教學(xué)內(nèi)容，密切聯(lián)系實(shí)際需要，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；重視實(shí)踐教學(xué)，充分培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新能力；改進(jìn)考核方式，提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情，學(xué)生不再是傳統(tǒng)的“為考試而學(xué)”，而是在學(xué)習(xí)中獲得解決問(wèn)題的成就感，達(dá)到“為興趣而學(xué)”。

CDIO模式不僅培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)際操作能力、解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力，而且能培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)專業(yè)素養(yǎng)，通過(guò)分組協(xié)作培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，符合素質(zhì)教育的教學(xué)理念。