突出分層分類培養教學模式的微機原理課程改革

戴永壽 孫偉峰 楊華 李立剛 陳真

摘要：為有效實施分層分類培養目標，對電氣信息類專業基礎課“微機原理”開展全方位立體化教學改革，文章提出構建分層分類培養的課程教學模式，建設“學習型”教師隊伍，建立課程教學內容動態調整機制，優化課程體系，保證教學內容的先進性和專業適應性，整合優化教學資源，強化教學平臺建設，以期形成符合課程特點的教學方法和考試方法，較好發揮“助學”和“引領”作用。

關鍵詞：微機原理；分層分類培養；學習型教學，教師主導

背景

面對創辦高水平研究型大學的發展目標，2012年中國石油大學提出并確立了“三三三”本科人才培養新體系，構成了本科教育的頂層設計。“三三三”即“三型”“三化”和“三性”，“三型”是指辦學定位要立足實施精英型教育、打造特色型教育、推進研究型教育，“三化”指培養目標要實現學生的全面化、個性化、最大化成長，“三性”是指教學方式上要貫徹學習性教學、研究性學習、開放性交流。

“微機原理”課程是國家教育部規定的綜合性大學電子信息類專業的專業基礎課，是信息與控制工程學院自動化、測控技術與儀器、電氣工程及其自動化、電子信息工程4個信息類專業和理學院的應用物理、光信息專業的專業基礎課，也是電子信息工程專業的專業核心課程。該課程的目標是使學生從理論和實踐上掌握微型計算機的基本組成、工作原理、軟件編程及硬件接口方法，建立起微機系統的整體概念，具備運用現代微機技術進行軟、硬件系統開發的能力。授課內容包括微機系統工作原理、匯編語言程序設計和微機接口技術3部分，涉及的知識點多，涵蓋面廣，內容抽象，理論性、實踐性及應用性強，學生較難理解和掌握。在新的培養體系及新版培養方案下，該課程教學面臨以下新變化：

（1）學時縮減。理論授課學時由64學時縮減為56學時，實驗學時由32學時縮減為24學時。

（2）開課學期提前。開課時間由三年級上學期提前到了二年級下學期，課程結束后的夏季小學期開設單片機原理與接口以及單片機系統實訓兩門課程。

新形勢和新變化使得本課程的教學面臨以下亟待解決問題：

（1）授課采用統一的教學模式，不能很好地滿足分層分類培養的需要。

（2）授課內容與先修及后續課程存在一定重復，教學內容缺乏先進性，與實際應用脫節。

（3）存在內容多、難度大與學時短之間的矛盾。

（4）實驗內容以驗證性實驗為主，不能很好地培養學生的創新及應用能力。

（5）自主開放性學習條件不足，自主學習空間有待拓展。

新的“三三三”本科人才培養體系與理念對課程教學提出了更高要求，高等學校人才進行分層分類培養已經成為各方利益相關者共同的訴求，分層分類培養有助于學生形成比較明確的發展規劃，提高學生對所在專業和院校的滿意度，尤其是當分層分類培養模式與其自身發展目標相一致時，效果更為明顯。微機原理課程在電氣信息類專業課程體系中占有重要地位，針對其進行分層分類教學模式研究和探索實踐，對提高大學生的創新能力和微機技術應用能力具有重要的意義。為了穩步推進分層分類培養，課程組在分層分類培養模式構建、更新教學內容、優化課程體系、教學方法改革、課程資源整合優化和教學環境平臺建設等多方面開展了全方位立體化研究和探索實踐。

2分層分類教學模式構建

微機原理課程的授課對象主要包括4個電氣信息類專業基礎班、自動化拔尖班以及電氣卓越工程師班3大類，不同專業、不同類別班級的培養目標存在差異。對于普通班的學生，應注重其對微機系統整體性、全面性的理解與掌握，培養軟件編程與硬件設計的基本能力；對于拔尖班的學生，應著重培養其設計及創新能力，實現最大化成長；對于卓越工程師班的學生，應側重培養其創造能力、開發能力、獨立分析和解決問題的能力以及團隊協作能力。改革前本課程的教學基本上采用統一的模式，沒有體現出培養上的差異性。

為了實現“三化”培養目標，針對不同類別層次的授課群體，可結合不同專業的培養方案開展分層分類教學模式的研究，在教學內容、課程體系、教學方法、考試方式、教師自我學習等方面探索多元化的教學模式。分層分類培養模式和課程改革設計方案如圖1所示。

首先，優化課程體系，與相關專業課程負責人討論溝通，理順微機原理課程與其先修及后續課程的關系，做到有所側重。比如，對于存儲器部分，數字電子技術課程著重介紹存儲器的概況及容量擴展方法，而微機原理課程中的存儲器部分重點講解其與CPU之間的連接；對于接口部分，單片機原理與接口課程重點介紹接口芯片及其應用方法，而微機原理課程著重介紹接口設計的基本原則、方法以及與CPU的連接方式。通過課程體系的優化，構建更加科學合理的能力素質培養結構。

其次，在新的課程體系下，將微機原理課程的改革分為理論教學改革與實驗教學改革兩部分。理論教學部分仍然以8086為主線開始介紹，學生易于理解，保證課程內容的基礎性。探索采用模塊化教學的方法，將課程內容劃分為3個一級模塊，注重模塊之間的相互聯系，增強課程內容的系統性。為保證課程知識體系與現代微機技術的高速發展相適應，將微機原理的前沿技術合理地融入到各個模塊之中，不斷汲取新知識，提升教學內容的先進性，實現學習性教學。針對不同類別的授課對象，探索實施分層分類教學的有效方法，在教學內容上有所側重，教學方法上體現差異。比如，對普通班學生重基礎，注重從系統性角度講解微機的構成及基本工作原理、軟件編程及硬件接口設計的基本方法；對拔尖班的學生重創新，采用問題式、探究式等教學方法，使其開展研究性學習，激發學生的學習積極性，培養他們發現問題、分析問題、解決問題的意識和能力，實現其最大化發展；對卓越工程師班的學生重應用，采用項目驅動，團隊協作等方式，強化接口設計和綜合應用能力的培養和訓練。實驗教學重點從實驗內容與實驗方式兩個方面開展改革研究。在實驗內容上，結合分層分類教學的要求，合理增加設計性與創新性實驗的比例；在實驗方式上，搭建虛擬實驗環境，增強實驗的靈活性與開放性。

再次，完善優化課程網站質量，利用理論與實驗教學改革的成果及時更新網站內容，探索增強學生自主學習積極性的方法，為學生搭建起自主、開放的學習與交流平臺，拓展學生的學習空間。通過開展一系列的改革舉措，積極推進本課程的質量建設，探索學習性教學、研究性學習、開放性交流的有效方法，為實現學生的全面化、個性化、最大化發展提供有效途徑。

3教學內容動態更新和課程體系優化

3.1依據專業培養方案，建立課程內容動態調整機制

課程組通過調研國內高水平大學信息類專業“微機原理”課程設置及改革進展，邀請院領導、專業負責人及相關課程教師，圍繞各專業教學大綱開展多輪教學研討，強化任課教師對授課專業的了解和相關專業知識的學習，在理論教學、實驗教學開展全方位分層分類教學改革探索。微初原理課程是4個專業的專業基礎課，各專業應用技術計算機化，計算機學習4年不斷線；同時，各專業計算機基礎理論相同但應用側重點又有差異。第4學期開設的微機原理不僅是各專業計算機類課程群的核心課程，同時起著承上啟下的橋梁和紐帶作用。微機原理作為各專業面向應用的計算機軟硬件技術基礎課程，為后續相關專業課程提供基礎和方法，要求不僅能夠在修訂完善培養目標和培養計劃過程中根據各專業實時調整課程本身教學內容，同時根據調整反饋信息對其他計算機基礎課程和電類基礎課程做出相應的教學內容更新，逐步建立課程教學內容動態調整機制，以專業培養目標為線、課程層次平臺為面，線面結合，高效合理發揮師資優勢，實時動態、堅持不懈地調整課程教學內容，保障教學內容先進性。課程內容動態調整機制如圖2所示。

3.2根據各專業特點及后續課程需要，建立課程教學模塊化結構

微機原理課程體系及知識模塊設置分為基礎和接口技術兩部分。基礎部分包括4個模塊：基本工作原理、匯編編程、基本接口技術和微機原理實驗，是各專業的必修內容。選修組合（接口）有6個模塊，各專業可根據本專業的特點和學時以及后續課的需要，選擇不同的模塊進行組合。課程教學模塊化結構如圖3所示。

3.3做學習型教師，保證教學內容先進性和專業適應性

為了有效實施對各個專業的分層分類培養，結合各專業培養方案改革教學內容，新版教學大綱在廣泛調研、征求意見和多次討論反饋最終形成。課程組明確了相對穩定的對應專業授課教師，要求任課教師加強對所授課程專業的深入了解和相關專業的知識學習，更新擴充教學內容。不同專業、不同類別班級都分別制定了相對應的教學日歷，增強專業適應性，保證教學內容的先進性、科學性。各專業新增和擴充內容見表1。

4整合優化教學資源，強化建設課程學習平臺

4.1完善優化網絡教學資源和課程中心

（1）按省級精品課程要求建成教學網站，完全開放，資源共享，創造良好的網絡教學使用環境。

（2）教學網站新增的內容包括：教學課件、習題解答、視頻講解、教學仿真動畫、虛擬平臺、知識園地、實踐應用案例、在線自測系統、網上考試系統、3種途徑的互動交流平臺（微信、QQ群、論壇）等。

（3）整合優化。網絡教學資源，為研究性教學和學生自主學習的開展提供有力保障，也為新教師定位課程和把握教學提供參考，達到助學助教的目的。

（4）部分資源遷移至“清華在線”教學平臺。該平臺功能強大，互動性更好，能夠幫助教師開展布置作業、組織討論、輔導答疑、在線測試等教學活動。

4.2加強全方位立體化實驗條件建設

1）構建多模式實踐環境。

通過自主開發建設，建成多模式多層次實驗條件和實踐環境，包括2種方式（實際操作實驗、網絡虛擬實驗）和3個層次（實驗室指導性實驗、自主開放性實驗和自由便攜式實驗）。

實驗室指導性實驗：必修部分實驗，要求一人一組一套實驗裝置，獨立完成。學生在實驗前要做好預習，實驗過程中須認真操作、做好記錄。實驗教師檢查實驗結果并作相應指導。每次實驗完成后，教師要求學生認真編寫實驗報告，對實驗結果做出科學分析和相應的數據處理。這部分實驗主要完成微機系統基本實驗和微機系統接口實驗，要求6個專業所有學生必須在實驗室集中按時完成。

自主開放性實驗：以學生自主設計、自主創新為主。該部分實驗沒有具體內容限制，各專業學生可根據各自專業計算機應用技術要求自選相應實驗內容進行，是指導性實驗的擴展和延伸，實驗教師視需要給予及時指導。

自由便攜式實驗：為學生提供課外科技活動、進行自我設計、自我創新的空間和條件。為學有余力的學生提供便攜式接口實驗裝置，學生臨時組合成課外學習小組，從實驗室領取便攜式接口實驗裝置，可以在宿舍或學校開放機房微機上，結合各自專業的相關內容進行自主設計和科技創新的實踐嘗試。該部分實驗沒有學時限制，學生自行掌握，課程組安排相關教師個別指導。

2）增設和推進虛擬仿真實驗。

在自動化拔尖班與電氣卓越班，開設Proteus虛擬仿真實驗內容，通過融合先進的虛擬仿真技術，對考察學生實踐應用能力的經典實驗項目內容進行優化完善，設計并實現在現有教學實驗裝置上基于8086微處理器的“接口綜合設計”實驗平臺。該平臺注重培養學生開發創新，訓練其電子設計與制作的綜合能力，既能更好地配合學生深入理解和靈活掌握理論知識，又能運用實驗教學體系的優勢實現學生從基礎知識理解到綜合能力提高的轉變，以及從驗證性思維到設計、創新性思維的轉變。

5深化教學方式改革，發揮“助學”和“引領”作用

5.1教師主動進行“助學”角色轉變、自我學習、提升教學素養

課程組成員積極主動參加有關國內教學會議和培訓班，努力提升教學素養，適應新時期教學改革要求，加強對授課專業相關知識的學習，主動進行“助學”角色轉變。

5.2積極開展個性化學習指導、學業引導和支持

結合課程內容、學習方法和知識擴展應用，開展課內課外和校內校外實踐活動，貫穿本科4年學習的各個環節，如新生研討課、認識實習、課程設計和綜合實驗、微機技術和系統在現場的具體應用。根據學生自主發展計劃，積極主動指導大學生創新創業訓練計劃、大學生各類大賽和課外科技活動。

5.3恰當充分地使用現代教育技術手段

（1）多媒體技術。根據課程內容特點，充分利用多媒體技術組織教學過程。將大量實物圖、設計圖、仿真動畫、微視頻、實驗演示等與傳統板書一起融入課堂教學中，增大課堂信息容量，提高課堂趣味性和知識的可吸收性。

（2）仿真動畫。采用Flash軟件自行設計制作仿真動畫。很多課程內容（如計算機內部結構、指令執行過程、堆棧操作、時序等）比較抽象，很難用語言描述，更無法用實物直觀展示，通過動畫仿真，學生對知識能夠獲得較感性的認識，便于理解和記憶，激發主動學習的興趣。

（3）網絡技術。應用網絡技術開發教學網站，提供豐富的教學資源，包括：教學大綱、教學指導等課程導學文件；課件、習題、模擬試題等基礎資源；用于復習自學的教學視頻；知識園地、應用案例等拓展資源；在線自測、網上考試、微信群、QQ群及網絡論壇等互動平臺。

（4）虛擬仿真實驗技術。實驗室的微機接口實驗設備包括兩部分——計算機和實驗箱，采用虛擬實驗技術開發“虛擬實驗臺”代替“實驗箱”，從而將硬件實驗搬到顯示器上完成。例如，編程控制LED燈按照一定規律閃亮，通過虛擬實驗臺可查看電路連接圖和使用說明，或清除連線進行手動布線等操作，編程、運行后即可觀察到實驗現象和結果。虛擬平臺打破了時空限制，為開展開放式實驗教學提供了強有力的支持。

5.4積極開展和探索教學考一體化改革

綜合采用課堂考勤和討論、翻轉課堂、微課、慕課、平時課下作業、自主大作業（前沿知識文獻綜述、作品設計）、章節小測試、答辯、實驗考核、期末開閉卷筆試等多樣化的考試方式，注重對學生學習過程與能力的考查，開展“基本必考+獎勵性加分考核”的嘗試，鼓勵和引導學生研究性學習、最大化發展。

理論課成績組成：平時（考勤+討論）10%，平時（大作業+小測驗）20%，實驗總成績10%，期末筆試（閉卷70%+開卷30%）60%，獎勵性加5分。

實驗成績組成：平時成績（預習+實驗過程+實驗結果+報告）40%，期末抽題考試60%。卓越班、拔尖班和部分學生開展虛擬仿真實驗、自由開放實驗加5分。

6結語

高等學校進行人才分層分類培養有助于學生形成明確的發展規劃，研究探索實施與學生自身發展目標相一致的分層分類培養模式尤為重要。課程組針對電氣信息類專業基礎課微機原理開展的全方位教學改革和探索，實踐效果表明所構建的分層分類教學模式能夠充分發揮教師的主導地位和學生的主體地位，對于其他電類專業基礎課的教學也具有較大借鑒意義。