“微機原理與接口技術”教學改革探索

廖文江　于麗杰　方建軍

關鍵詞：微機原理；SPOC混合式教學；翻轉課堂

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）03-0131-03

“微機原理與接口技術”是電子信息類專業的一門重要學科必修課，其教學目標是培養學生微機方面的基礎知識、了解CPU內部組成與工作原理、掌握匯編語言設計以及相關接口技術等，提升學生對軟硬件綜合認知與解決實際問題的動手能力。該課程涉及的基礎概念眾多，知識覆蓋范圍廣，教材內容更新較慢、教學方式單一、課內實驗學時有限使得該課程的教學實踐難取得滿意的教學效果。如何能讓學生理解這些抽象又晦澀難懂的概念、復雜的理論知識、匯編語言編程技術及硬件接口，是今后課程教學實踐亟待解決的問題。筆者在總結以往課程的教學經驗基礎上結合本校應用型人才的培養目標[1]，從課程內容、教學方法、實驗手段以及課程考核等方面對課程進行教學改革探討，提出相應的改革措施與嘗試。

1 微機原理課程教學現狀與問題

1.1 教學內容陳舊

課程教材內容陳舊，選型CPU落后于微處理器的發展，課程所學與技術革新后的計算機系統存在著設計和運用鴻溝，學生無法將新技術與課內知識建立起有效的關聯，很難理解該課程的學習意義，易失去課程的學習興趣導致學習動力不足，難以調動學生的學習積極性和主觀能動性。

1.2 教學方法單一

課程的課堂教學多以授課教師課堂上口述和板書為主，課程內容涉及的基礎概念比較多、專業詞匯晦澀難懂、接口芯片多、內容抽象，學生覺得枯燥乏味提不起興趣，學習積極性不高。這樣的傳統的教學手段單一，且教師還不能及時了解學生對課程知識點的掌握情況，無有效途徑獲得造成學生聽不懂的原因和困難，總體教學效果很不好。

1.3 實驗環節薄弱

課程實踐性較強，需具備一定的電路設計與編程能力，但多數的微機原理課程使用實驗箱電路接線形式，大部分器件已經固化，可用于開設的創新實驗的教學器件有限且不能隨意改動，只能按實驗指導書編寫流程進行操作，實際操作少且較簡單[2]，實驗未能完成學生對理論課程內容深層次認知，缺少自主探索知識的興趣，亦無法滿足學生進行創新性與綜合性設計，未能有效果實現對學生在電路和編程等方面綜合能力、創新能力的培養。

1.4 考核方式局限性大

目前課程的考核方式有兩個部分：期末筆試考試成績，這對學生掌握教材上的微機原理理論知識點具有促進作用；平時考核含課堂表現、出勤與實驗操作等成績，課程考核方式局限性很大。

2 教學改革措施

2.1 借力慕課的教學內容的改革

受限于課程學有限時與內容陳舊，課改嘗試基于具有豐富在線資源的MOOC平臺進行混合式SPOC教學。優選出以可利用碎片化時間、可重復、可自主選擇性學習為特色的慕課MOOC視頻教學資源，可滿足本課程學生學前知識系統差異性，提升學生學習能力和興趣。以學校人才培養計劃為基礎優化課程教學內容，理順知識點間的關聯性，兼顧課程內容的先進性、時代性，科學合理地吸取與課程相關的新技術，兼顧學生知識儲備與課程的教學目標，對課程內容進行優化和重塑，編寫適合線下線上相結合的混合式教學大綱，規劃設計線上、線下以及混合式協同的教學內容設計。

線上教學組織主要是將課程中的基本原理和概念借助慕課平臺上優秀教學資源有規劃有目的地引導學生課外自主完成這些教學內容的學習，實現拉平學生間已有知識系統的不均衡。利用中國大學慕課平臺工具設置作業與單元測、互評、線上討論區等互動，得到課外學生的學習狀態、學習難點等信息，挖掘出學習者的特征規律、訴求等，并以此為學生定制個性化的學習策略和學習方法，助力課程學習效果。

線下課堂教學主要是加大師生間多樣性的互動交流教學設計、有效組織開展研討性學習，對線上教學部分的知識提煉與答疑，為學生提供個性化、深度的學習指導，實現本課程的線上線下有機融合構建完整的教學內容體系，注意將人才能力培養同個體差異化學習需求相結合，進而實現調動并激發起學生的學習積極性、主動性和課堂參與度。

線上線下混合式教學課程資源庫的協同建設則以可作為本課題課改主要參考的MOOC資源的西安交通大學吳寧老師的國家級在線精品課《微機原理與接口技術》為基礎資源進行SPOC課程建設[3]，在原有線上資源共有12個教學單元、10個單元測試、55講視頻資源基礎上，結合本校學情在教改過程中依據教學需求①線上增補慕課教學資源：為每個教學單元增補1～4個作業、依據情況增補1～2個自制的視頻資源；為每講視頻配以1～2個隨堂測試、1～2個視頻提問、1～2個討論和富文本；②線下雨課堂[6]嘗試部分教學活動使用，同時為每個視頻增設1～2個專項練習（1個測試專業詞匯、1個測試專業知識）、1～2個討論、1個公告和0～1個調查問卷等。

2.2 教學方法的改革

僅在課程教學過程中引入MOOC資源依然無法取得良好的學習效果，需在引入混合式教學的實踐過程中教師要依據教學內容、階段的不同采用合適的教學方法，如問題啟發教學、案例遷移教學、提問式研究性教學等方法，多年的課程教學經驗表明示例教學法對較抽象的微機原理課程學習很有幫助。翻轉課堂教學改變了傳統以教師為中心的教學模式，轉以學生和知識為中心，有效促進學生的自主學習，同時也提升了課堂教學與組織的效率。積極探索翻轉課堂在本課程的教學改革嘗試，幫助學生擺脫對教師傳統的依賴性，調動學生主觀能動性，培養其自主探究式的學習能力，提升綜合能力的目的，養成主動學習、主動思考的習慣，引導學生完成理論知識體系的內化，提升學生對理論知識應用能力。

（1）教師做好翻轉課堂研討式教學的組織者。依據MOOC平臺上提供的學生學習相關數據與反饋兼顧學生的知識背景差異性，積極優化調整教學內容的測驗與習題、話題、討論等開展線下線上相結合的SPOC混合式的教學實踐[3]，通過翻轉課堂教學促學生在自主過程中的《微機原理與接口技術》課程理論知識內化。線下課堂教師精講、提煉課程各單元核心知識點，同時拋出相關問題，與同學們一起探討互動交流，鼓勵提出自己獨立的見解，授課教師可對問題進行最終的點評，鼓勵學生帶著未知的問題課下進行探究式學習以調動其學習積極性。例如：在介紹8086微處理器的相關章節中尋址操作時，可設計拋出討論問題——依據尋址操作的特點，可歸成幾大分類？也可利用雨課堂彈幕、投票或幕課堂等工具課上積極引導學生參與課堂討論發表見解，教師可最后凝練總結本節次課程核心知識點，有計劃、有步驟地推進課程。

（2）助力探究式學習，踐行教師的教育樹人育人的作用。針對線上自主學習時遇到的問題進行答疑解惑，引導學生進行探究討論式學習解決問題，對學生的優秀或典型作業開展宣講、項目答辯等多元化的課堂教學形式[4]。為學生設計些有現實意義的課內實踐微項目，指導作用輔助學生在實踐中完成學習任務，實現將微機原理課程的理論知識與生產實際完美地結合在一起，既可以培養學生的自學能力和團結協作能力，變以往驗證性實驗為綜合性、創新性實驗。同時在教師的指導下，可自主選擇感興趣的題目或自擬題目，獨立設計部件和編寫程序，以培養學生提出問題、分析問題、解決問題的興趣和能力。

（3）多樣化的教學手段做學生全方位知識體系的塑造師。課內生僻的概念、理論較多使用類比教學法， 變原本抽象的原理或概念為形象具體生動，且易被學生理解和接受。采用案例教學法，融合生活中常見的實例來進行課程教學，例如家庭生活中較普遍的居家智能機器人、智能密碼鎖等設備作為實例案例講解其設計過程[1]。啟發式教學通過這種方式提高學生的動手能力，調動學生學習的積極性，促使盡可能多的學生主動參與到教學中，教學就不再是單向的教師講學生聽記的形式，而是更加注重課上師生間的互動交流，有助于提高課堂教學效果。通過全方位多種方法的課程教學幫助學生構建計算機基礎知識架構，深化學習內容，實現全面提升學生思維能力與整體綜合素質。

2.3 實驗實踐教學改革

在實驗教學方面的改革探索主要是提高匯編語言的應用能力以及加強對8086 CPU 硬件的認知，通過增設綜合性和設計性的實驗項目，培養學生解決問題的能力強調實驗的綜合性、實用性及分階難度。通常國內高校的微機原理課程的課內實驗學時較少，易導致學生對實驗環節的不重視，可通過引入軟件進行虛擬仿真實現的教學改革嘗試，可將一些硬件無依賴且非必須在實驗室內進行的實驗延伸到實驗室外進行提高教學質量，彌補傳統微機原理課程實驗教學學時有限、內容不連續關聯度差、實操少的不足。

（1）匯編語言程序設計部分的實驗。8086處理器的匯編語言是學習本門課程的基礎，可在課外設計分階多樣的以諳熟匯編語言程序設計的實驗使學生能鞏固匯編指令、掌握語法規則。匯編語言程序的實驗無須在指定實驗室和真實硬件上操作，可在EMU8086 仿真軟件里編寫匯編程序，實現模擬微處理器在匯編指令控制下的內部操作，同步查看CPU內部寄存器和外部存儲單元內容和變化等深入理解并掌握匯編指令執行機理，學生可設置調試窗口以觀察變量與堆棧變化等，形象具體，理解深刻[2]。

（2）硬件及接口部分的實驗。Proteus虛擬仿真軟件可以實現硬件電路實物仿真、PCB電路板設計并提供代碼仿真調試等功能。課改引入該軟件可完成8086微處理器以及相關外圍接口芯片、內存擴展、串并行接口、AD/DA 轉換、中斷等硬件方面的仿真實驗[2]。鼓勵學生課外利用Proteus 仿真軟件在進行開放性實驗的設計，構建最小微控系統以及在此基礎上進行復雜的工程應用問題的探究與創新嘗試。

實驗教學引入EMU8086和Proteus兩款虛擬仿真軟件主要方便授課教師進行課外的實驗組織與設置，鼓勵學生結合自身的專業及興趣課下完成若干有意思、創新性的實驗小項目訓練，激發對其本課程的學習興趣和自學能力?；谔摂M仿真軟件的課外實驗項目已成為該課程的重要組成部分，其針對性的知識點實踐訓練較好地實現了對微機原理的相應知識點的理解，學生有效掌握了8086處理器的匯編程序設計、微控系統接口電路的搭設，提升了學生的軟、硬件綜合應用創新能力，是對提升學生實踐能力、創新思維能力的有力支持，同時極大的鍛煉了學生實際動手操作能力。

在實驗課堂上主要完成基于任務驅動的綜合性實驗的設計，重視創新能力培養的實驗教學引入過程考核并要求學生分組完成以培養學生的團隊協作能力和實踐操作能力。自主選擇題目，獨立程序設計和代碼編寫，培養學生提出問題、分析問題、解決問題的興趣和工程開發能力。組織組內討論使得每位同學都能夠逐漸明白相應知識點內容，增強對微機系統的整體理解，提高創新能力和探索能力的培養。實驗完成后進行實驗成果演示及模擬項目答辯，老師根據該組同學展示的完成情況、分工、難易程度及實驗過程中遇到的問題向小組內的每個同學提問并進行相應的考核[6]。

2.4 課程考核模式改革

基于混合式教學的微機原理課程考核分為平時和期末考卷兩大考核部分，適度提高平時考核點和占比，實現考核的多樣化和合理性。①平時考核部分包含線上和線下兩個部分組成，其中線上考核內容依據平臺數據進行，主要對學生的自主學習線上學習的過程性的考核，如：線上視頻與資源觀看率和觀看時長、在線練習和單元評測完成情況及互動話題、討論的參與度等情況；線下課堂成績則由上機實踐情況與實驗報告、課堂出勤率、線下課堂研討參與度、針對線上視頻自學與預習情況檢查的課前測驗和課堂內容的課中知識測驗等模塊共同組成。②而期末試卷考核則采用筆試試卷和線上期末試卷的相結合的考試方式，并設置合理線上、線下試卷在期末試卷總成績的占比[4]。

借力慕課平臺的雨課堂小程序發布課前課中課后教學課件、評測以及作業和實驗，能使得課程考核方式更加多元，引導學生積極參與，起到較好的督促提醒的作用，使得過程考核更加細致全面科學，平時成績考核改革評測：（1）利用雨課堂的掃碼簽到計入課程的考勤成績（10%）、發布課中作業、討論、練習等內容以學生預習完成情況、課堂問題完成情況計入課程表現成績（20%）[3]；（2）課后SPOC平臺及時發布課后作業，并通過平臺集中批閱主觀題作業（30%）；（3）以實驗報告、課內提交編碼占比課程的實驗成績（20%）；（4）引入課程內項目訓練案例的過程量化考核（20%）?？朔藗鹘y考核過程中客觀性和公正性的不足，切實提升了平時成績、實驗成績評定的量化準確性與時效性，可操作性強，強化全過程考核和多維考核，避免期末課程考核僅依賴于試卷的不足[5]。

3 總結

本次教學改革分析微機原理課程教學存在的問題，充分注重實踐與理論相結合、因材施教，利用MOOC資源結合本專業學生的認知程度以及課程知識特點，對傳統教學進行創新與改進開展了SPOC教學達到改善教學效果，受益學生達300多人，學生的自主學習能力、解決實際問題的綜合能力、動手能力和創新創業能力有了較大提高。在今后持續教學改革中，將根據不同專業的學生學習進一步優化教學項目設計和實施方案，嘗試多樣化教學方式，不斷適應學習模式及個體需求變化，使得教學工作可持續良性發展。