面向新工科的微機原理實驗課程重構

摘 "要 "剖析新工科背景下微機原理實驗課程建設背景、教學方案、教學體系和教學效果，采用以問題為導向，集成理論知識到產品開發的PBL-CDIO教學模式，構建基于“互聯網+”的線上線下交互式微機系統的實踐教學平臺，為新工科背景下的工科專業實踐教學平臺建設探索新的路徑，在進一步優化和完善新工科人才培養模式，提升學生創新能力和可持續發展能力，培養具有專業素養的創新型工程實踐人才等方面具有積極作用。

關鍵詞 "PBL-CDIO教學模式；新工科；“互聯網+”線上

線下交互教學；微機原理；實驗教學

中圖分類號：G642 " "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）11-0135-03

0 "引言

新工科是在傳統工科背景下提出的全新概念，是在人工智能、5G、物聯網等新興技術的驅動下建立的全新領域，強調學科的應用性、創新性和綜合性，培養具有學業融合能力、工程創新能力、適應變革能力的工程技術人才。青島農業大學學科建設的目標是在新工科基礎上，對傳統的、現有的學科進行轉型、升級和融合，培養學生學習自主性、科研探索性、團隊協作性以及工程創新性，同時注重實踐教學的融合性、綜合性和應用性[1]。

1 "課程建設背景

微機原理作為工科院校電子信息、通信工程、電氣自動化等相關專業的核心課程，是一門實踐性和應用性很強的課程，在培養體系中發揮著承上啟下的銜接作用。該課程要求學生融會貫通掌握微機原理和接口應用兩個方面的知識，理論教學中知識點繁雜、抽象、晦澀、難理解，傳統的實驗教學薄弱，無法充分發掘學生學習的潛力和激發學生的學習興趣[2]。如果實踐環節得到充分挖掘，對加深理論知識的理解和提高學生對專業的興趣有著舉足輕重的作用。目前，實驗教學中存在下列有待改進的問題。

1）創新性限制。傳統實驗教學采用的實驗箱或實驗板主體電路已搭建完成，偏重于驗證性實驗。

2）實驗時間限制。傳統的綜合設計性實驗大而虛、固定選題、學時少，學生對很多模塊理解不透徹，照葫蘆畫瓢地完成任務。整個設計過程難以體現設計的自主性和創新性，完全達不到實驗目標和培養學生各項實踐能力的目的。

3）實驗空間限制。傳統實驗課主要通過實驗箱完成，而實驗箱必須統一存放于實驗室，但由于實驗室的安全管理規定和實驗室管理員的時間限制，目前學院的實驗室還不能做到開放使用。

4）實驗內容的限制。傳統實驗教學內容注重實驗結果的輸出，缺乏前沿性和先進性，實驗內容設計以基礎8086系列的老一代CPU為主，面向接口基本功能和接口芯片，內容乏味單一，難以適應最新計算機技術和電子行業的飛速發展。

5）考核方式限制。傳統實驗考核以閉卷考試的方式進行，學生以書面的形式描述實驗原理和分析實驗數據，輔以考勤成績和報告成績匯總成實驗總成績。這種方式完全忽略了對實踐能力的考查。

綜上所述，傳統教學模式已經不能滿足新工科的要求，阻礙了學生實踐能力的提高，導致學生的實驗與理論脫節，實驗課重構教學體系勢在必行。

2 "教學實施方案

2.1 "課程結構

實驗課程以“寬口徑、厚基礎、分模塊、分層次、多選項”為原則，以“理論知識轉化工程能力、專業知識轉化綜合能力、固定思維模式轉化開放應變能力”為實踐教學指導思想。依托8086系列基礎微處理器實驗系統，結合前沿STM32嵌入式系統開發技術，融合先進的虛擬仿真理念設計教學內容。借助“互聯網+”組織實踐教學，使學生通過實踐更好地將所學知識實際應用于工程系統中。課程重構從學生系統應用的角度，使其掌握微機系統的基本組成、工作原理、接口技術及應用方法，提高開發微機系統的能力。教學內容由經典基礎模塊80X86系列和提高模塊STM32組成，不同專業的學生和教師可根據專業特點和學時要求，根據實驗項目的驗證性、綜合性、設計性和創新性四個環節和必做、選做和提高三個項目層次進行優化選擇。

2.2 "構建PBL-CDIO教學模式

PBL（Problem/Project-Based Learning）是基于問題的學習或者基于項目的學習，是以學生為中心的一種探究式的學習模式。該教學法貫徹“以學生為根本，以創新為中心”的教學理念，在教師的引導下，以小組協作的方式，通過設置問題激發學生圍繞問題獨立收集資料、解決問題的動力，培養學生自主學習能力和研究能力[3]。

CDIO表示構思、設計、實現和運作，是將知識、能力、素質等多維培養集于一體的工程教育模式，培養學生從理論知識到產品開發整個轉化過程的學習能力。引導學生在設計項目的模式中，以解決問題為驅動，將理論知識自主融合在具體項目的實踐操作中，通過團隊協作，將“學、研、創”融為一體[4-5]。

PBL-CDIO教學模式把PBL教學法與CDIO工程教育理念有機整合，以培養創新能力為目標，建立“以實驗目的為主線、小組協作為主體、任課教師為引導”的團隊協作和教學研究相結合的學習方式，重點突出工程應用環節學生實踐能力的培養。

2.3 "“互聯網+”線上線下交互教學

通過學生移動終端的學習通等相關APP，實現互聯網技術與傳統教學的深度融合。在微機原理的實驗課程教學中采用“互聯網+”實現線上線下交互教學，突出學生的主體性[6]。教師將理論知識分割重組，帶著問題完成微視頻的錄制。學生通過線上自主學習、自由合作等方式，帶著問題完成線上學習，增強自主解決問題能力和知識應用能力。該模式通過資源投放、問題設置、監督反饋等環節實現線上線下有機結合，主要包括“（教師）課前準備—（學生）課前準備—資源支持—教學組織—教師總評”五個階段，如圖1所示。

教師通過學習通APP發布本次實驗的線上部分，時間控制在十分鐘以內，包括相關理論知識提要和問題發布。同時，針對實驗原理和實驗設計思想進行課下實驗準備與教學設計，完成學生獨立思考、小組協同、組間互助。教師總結，將線上線下有效銜接，理論與實驗互助互輔。利用“互聯網+”線上線下交互教學，構建PBL-CDIO教學模式，讓學生帶著問題學習，通過解決問題理解理論知識，同時在實驗過程中得以驗證，有效增強教與學的效果。

2.4 "全新考核方式

制定基于能力考查的公正而全面的考核評價標

準。課程第一階段的線上教學與考核，通過線上APP

學生端的記錄，根據學生實驗項目選題與系統設計過程，設置課前理論知識鞏固（15%）、相關芯片功能查詢（20%）、項目涉及知識小測驗（20%）、系統流程圖設計（30%）與小組合作問答（15%）五個部分。這些部分循序漸進，共同構成第一階段的學生成績。

課程第二階段的線下教學與考核，通過學生仿真結果調試，分實驗原理設計性（30%）、創新性（30%）、操作能力（20%）、故障排查（10%）、任務完成度（10%）五個部分。允許學生對實驗項目進行二次迭代與答辯，同時在迭代過程中進行相應修改，鍛煉學生的表達能力和完善實驗文檔的科研寫作能力。

兩個階段相結合，貫穿整個微機原理實驗的流程，將學生的線上（40%）、線下（60%）成績融為一體，共同形成該實驗課程的學生總評成績。

3 "課程成效

3.1 nbsp;學生學習的主動性提高

實驗課程重構后，從學生學習的參與度和課堂效果看，學生能夠積極利用課余時間主動探索，將理論知識與實踐融會貫通，提高理論和實踐結合的程度。同時擺脫實驗室芯片種類有限的局限性，可以接觸到更多的外圍芯片，嘗試不同的硬件設計和軟件編程。

3.2 "學生的多種能力得到培養

課程注重培養學生務實創新的精神，在實驗項目的設計、開發、調試以及文檔撰寫等專業能力的培養上，都有明顯效果。同時，創新、科研寫作與表達、工程實踐和團隊協助等綜合能力也有明顯提升。課程兼具繼承和創新、交叉和融合、協調和共享的培養途徑，促使學生在實踐中靈活應對遇到的問題。

3.3 "學生參與國家級、省級競賽的積極性大幅提高

微機原理實踐課程重構已經在機電學院進行三屆學生的教學試點改革，學生上課的積極性和專注性有了很大提高，硬件芯片的應用、硬件電路的搭建、程序流程的設計等能力得到鍛煉。

4 "結束語

新工科背景下，微機原理實驗課程以PBL-CDIO

教學模式為主線，輔以“互聯網+”線上線下交互教學，實施人才培養改革探索，在教學中促進各學科之間的緊密連接，構建學科的完整體系，讓學生建立宏觀的知識體系。通過三年試點，實驗課程重構教學改革顯著提升了教學質量和學生的創新實踐以及工程應用能力，已經在機電學院相關專業深入開展，并從電自化、測控等專業延伸至理信學院的計算機、電子信息、通信工程等相關專業，同時在學科方面也從微機原理課程延伸至電路原理、傳感器技術等相關學科。

參考文獻

[1] 左國玉，雷飛，喬俊飛.新工科背景下面向創新能力

培養的微機原理與應用課程改革[J].計算機教育，

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[2] 李永梅，錢茹，張衛芬.智慧校園環境下“微機原理

與應用”課程教學研究[J].無線互聯科技，2020，

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[3] 劉丹丹，張春富，陸廣平，等.新工科背景下微機原

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[6] 李海霞，劉辰鵬，韓貴來，等.互聯網+實驗混合教

學模式探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2019，

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