基于IB—CDIO理念的《微機(jī)原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

何金枝+趙天翔+李云強(qiáng)

摘要：簡要介紹了《微機(jī)原理》傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀及問題，利用proteus仿真軟件，在探究式教學(xué)模式的基礎(chǔ)上結(jié)合CDIO 工程教育教學(xué)理念構(gòu)建了IB-CDIO教學(xué)模式，實(shí)踐表明，在此教學(xué)過程中學(xué)生不僅提升理念知識(shí)掌握程度，而且實(shí)踐能力也得到提升，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也充分鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)造能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力，使學(xué)生終身受益。

關(guān)鍵詞：CDIO工程教育理念；IB-CDIO；探究式教學(xué)；proteus

中圖分類號(hào)： G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）34-0138-03

Based on the Concept of IB-CDIO "MicroComputer Principle " Experimental Teaching Exploration

HE Jin-zhi1， ZHAO Tian-xiang1， LI Yun-qiang1，2

（1.College of Computer and Information Engineering， Nanyang Institute of Technology， Nanyang 473004， China；2.College of Transportation Engineering， Tongji University， Shanhai 200092， China）

Abstract：Briefly introduces the present situation and problems of traditional experimental teaching of "computer principle"，using the proteus simulation software， the IB-CDIO teaching model is constructed on the basis of the inquiry-based teaching model and the CDIO engineering education teaching idea. The practice shows that in this teaching process， not only to enhance the level of knowledge of the concept of knowledge， but also to improve the practical ability， while stimulating the students' interest in learning， but also fully exercise the creative ability of students and teamwork， so that students benefit for life.

Key words： CDIO engineering education philosophy； IB-CDIO； inquiry-based teaching； proteus

1 概述

當(dāng)今中國的教育目標(biāo)是培養(yǎng)有創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力的綜合素質(zhì)性人才，為了適應(yīng)社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才的要求及高等教育改革的發(fā)展[1]，我院在應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式上不斷地探索和嘗試。 《微機(jī)原理》是高校計(jì)算機(jī)各專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，同時(shí)也是學(xué)好如ARM、單片機(jī)、DSP等后續(xù)課程的先修課程[2-3]。在《微機(jī)原理》課程建設(shè)過程中，我們積極研究探索嘗試新的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式，把探究式教學(xué)和CDIO工程教育模式的教育理念融入到傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，制定科學(xué)合理的實(shí)踐教學(xué)方案，在教學(xué)實(shí)踐中取得了良好效果。

2 微機(jī)原理課程實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀

《微機(jī)原理》是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，要求學(xué)生融會(huì)貫通掌握計(jì)算機(jī)硬件和軟件兩個(gè)方面知識(shí)的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)教學(xué)比理論教學(xué)更有利于學(xué)生動(dòng)手與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，因此實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)在《微機(jī)原理》課程的教學(xué)中非常重要[4-6]。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與應(yīng)用的結(jié)合，但目前高校中的《微機(jī)原理》教學(xué)大多都存在著一些問題。

1）理論講授學(xué)時(shí)多，而實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少。目前大多數(shù)高?！段C(jī)原理》課程在實(shí)施過程中，以大量課堂理論教學(xué)附帶少量實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式進(jìn)行，學(xué)生常反映學(xué)習(xí)《微機(jī)原理》上課時(shí)能聽懂，而在實(shí)驗(yàn)完成后對(duì)芯片的工作原理還是不懂，學(xué)習(xí)效果不佳。

2）創(chuàng)新性限制。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常是使用試驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)板，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大部分側(cè)重于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只需要按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的操作步驟進(jìn)行連線、編程，自己動(dòng)手編寫的程序不多，線路連接好后直接運(yùn)行程序觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，很快就可以完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很少動(dòng)腦思考實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理以及分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，操作簡單但不利于培養(yǎng)學(xué)生的硬件開發(fā)能力。雖然在一定程度上掌握了課本知識(shí)原理，但這種實(shí)驗(yàn)限制了學(xué)生的創(chuàng)新性和設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，未能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

3）實(shí)驗(yàn)時(shí)間限制。由于實(shí)驗(yàn)課在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行，這樣不利于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生的開放僅限于實(shí)驗(yàn)課，如果在實(shí)驗(yàn)課上沒有完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生沒辦法接著完成實(shí)驗(yàn)。

4）實(shí)驗(yàn)成績考核方式單一，忽略實(shí)踐能力。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成績根據(jù)學(xué)生具體操作步驟及撰寫的實(shí)驗(yàn)報(bào)告來進(jìn)行評(píng)定。學(xué)生在寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告過程中對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，由于部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告存在抄襲現(xiàn)象，很難通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告來評(píng)判學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平的高低。由于實(shí)驗(yàn)成績判定的片面性和不嚴(yán)格，致使學(xué)生注重實(shí)驗(yàn)操作而不注重實(shí)驗(yàn)原理，重視實(shí)驗(yàn)結(jié)論而不重視實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。

綜上所述，《微機(jī)原理》的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)改革勢(shì)在必行。參考探究式教學(xué)模式和CDIO 工程教育模式，在教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、考核方法等多個(gè)方面，對(duì)《微機(jī)原理》的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行改革探索，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。

3 IB-CDIO教學(xué)理念

3.1 探究式教學(xué)模式

探究式教學(xué)（Inquiry-based Teaching）是指學(xué)生在學(xué)習(xí)概念和原理時(shí)，教師只提供給他們一些案例和問題，讓學(xué)生自己通過閱讀、觀察、實(shí)驗(yàn)、思考、討論、聽講等途徑去獨(dú)立探究，自行發(fā)現(xiàn)并掌握相應(yīng)的原理和結(jié)論的一種方法。它的指導(dǎo)思想是在教師指導(dǎo)下，以學(xué)生為主體，讓學(xué)生自覺地、主動(dòng)地探索，掌握認(rèn)識(shí)和解決問題的方法和步驟，研究客觀事物的屬性，發(fā)現(xiàn)事物的起因和事物內(nèi)部的聯(lián)系，從中找出規(guī)律形成自己的概念。

3.2 CDIO工程教育理念

CDIO表示構(gòu)思（ Conceive） 、設(shè)計(jì)（ Design）、實(shí)現(xiàn)（ Implement） 、運(yùn)作（ Operate） [7-8] 。該理念以產(chǎn)品研發(fā)至產(chǎn)品運(yùn)行的整個(gè)生命周期為載體，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)地參與從理論知識(shí)到產(chǎn)品開發(fā)的轉(zhuǎn)化過程的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO工程教育模式主要培養(yǎng)學(xué)生的工程基礎(chǔ)知識(shí)、人際團(tuán)隊(duì)能力、個(gè)人素質(zhì)和發(fā)展能力以及工程系統(tǒng)能力四個(gè)方面的能力。它提倡問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)方式，注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的實(shí)踐性教學(xué)，課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)從具體實(shí)踐出發(fā)，再上升至理論，然后再回到實(shí)際操作中來，以創(chuàng)作最終產(chǎn)品為教學(xué)目標(biāo)[9-10]。針對(duì)《微機(jī)原理》存在的問題和面臨的困境，基于CDIO 的工程教育理念對(duì)我們有較好的啟迪作用。

3.3 IB-CDIO教育理念

IB-CDIO教育理論是把探究式教學(xué)模式與CDIO工程教育理念有機(jī)整合，利用Proteus仿真軟件形成“以項(xiàng)目為主線、學(xué)生為主體、教師為引導(dǎo)、CDIO能力培養(yǎng)”，以討論式和研究型為主要學(xué)習(xí)方法，重點(diǎn)突出工程應(yīng)用實(shí)踐，學(xué)生通過實(shí)際案例教學(xué)，自主構(gòu)建完整的知識(shí)體系，同時(shí)在項(xiàng)目完成的過程中有效提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

3.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革

3.4.1 充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源

互聯(lián)網(wǎng)的普及和校園網(wǎng)的完善為《微機(jī)原理》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了便利的環(huán)境，教師可以利用校園網(wǎng)在網(wǎng)站上及時(shí)更新實(shí)驗(yàn)的相關(guān)信息，同時(shí)錄制相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作視頻供學(xué)生學(xué)習(xí)和參考。上課時(shí)教師進(jìn)行引導(dǎo)，讓學(xué)生自覺主動(dòng)地去實(shí)驗(yàn)探索或查閱，去發(fā)現(xiàn)解決問題的方法。這樣教師只起到一個(gè)組織者的角色，指導(dǎo)并規(guī)范學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程。實(shí)驗(yàn)過程可以由一個(gè)學(xué)生來完成，也可以由幾個(gè)學(xué)生分組完成，這樣同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生合作的團(tuán)隊(duì)精神。在這個(gè)過程中，學(xué)生要把自己的實(shí)驗(yàn)過程或者查閱的資料進(jìn)行歸納總結(jié)，得出自己的結(jié)論。不同的學(xué)生或者團(tuán)隊(duì)針對(duì)同一問題提出不同的看法，大家共同探討。

3.4.2 與proteus仿真技術(shù)相結(jié)合

傳統(tǒng)的《微機(jī)原理》實(shí)驗(yàn)是幾個(gè)學(xué)生一組在實(shí)驗(yàn)箱上完成，擴(kuò)展性不強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)效果不好。為了提高實(shí)驗(yàn)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，讓學(xué)生參與整個(gè)電路的設(shè)計(jì)，深入了解芯片的結(jié)構(gòu)及其工作原理，我們打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的限制，利用Proteus軟件對(duì)微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真。這樣在實(shí)驗(yàn)過程中，教師通過對(duì)各芯片的硬件連線和軟件控制方法的講解，學(xué)生對(duì)整個(gè)電路的設(shè)計(jì)有了直觀的認(rèn)識(shí)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。

3.4.3 產(chǎn)學(xué)研合作，加強(qiáng)師生的工程實(shí)踐能力

學(xué)院可以邀請(qǐng)富有工程經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)技術(shù)骨干到學(xué)校開設(shè)相關(guān)的知識(shí)應(yīng)用講座； 同時(shí)組織任課教師到企業(yè)去參觀學(xué)習(xí)，增加教師的工程實(shí)踐能力。通過這種方式，教師再傳授給學(xué)生，學(xué)生也開闊了視野，為培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力奠定基礎(chǔ)。

3.4.4 多樣化的實(shí)驗(yàn)成績?cè)u(píng)定方法

為了更好地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自覺性和能動(dòng)性，我們將學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為實(shí)驗(yàn)成績的一部分。學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)之前需要由任課教師檢查實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)情況，給出預(yù)習(xí)成績，不合格的不允許進(jìn)行本次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果由任課教師當(dāng)場記錄，根據(jù)完成情況當(dāng)場驗(yàn)收并給定成績，這種的考核方法具有公正性和科學(xué)性。

3.5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革

3.5.1 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，注重對(duì)學(xué)生基本能力的培養(yǎng)，合理地掌握每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的深度和廣度，投其所好，根據(jù)所學(xué)專業(yè)不同而有針對(duì)性地選定實(shí)驗(yàn)題目進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，逐漸培養(yǎng)學(xué)生對(duì)這門課的興趣。具體方法如下，所有的實(shí)驗(yàn)電路的搭建和程序設(shè)計(jì)都是設(shè)計(jì)性的，但對(duì)于一些基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，我們采用半啟發(fā)性地進(jìn)行引導(dǎo)，不直接告知學(xué)生，不為其提供詳細(xì)的電路和程序，而是提供基本的設(shè)計(jì)思路和方法，他們可以通過查閱資料和小組討論的方式，自行設(shè)計(jì)安排及設(shè)計(jì)方案，這種半啟發(fā)式的教學(xué)很大程度上提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3.5.2 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

在熟練掌握了基本指令和程序基礎(chǔ)上，啟發(fā)學(xué)生在真實(shí)的任務(wù)中解決問題，實(shí)現(xiàn)多種常用功能。其次在實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)每個(gè)小組實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，不定時(shí)地對(duì)各小組提出與實(shí)驗(yàn)進(jìn)程有關(guān)的問題，出現(xiàn)一些現(xiàn)象的原因，這樣使實(shí)驗(yàn)過程演變成老師和學(xué)生間的多向交流的過程，引導(dǎo)學(xué)生自己根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象使學(xué)生在學(xué)習(xí)中不僅可以對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)有了更深入的理解，還增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到這門課程的有用之處，從而更主動(dòng)積極地去學(xué)習(xí)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。

3.5.3 開放提高性實(shí)驗(yàn)

對(duì)于學(xué)習(xí)興趣高、基礎(chǔ)較好的同學(xué)，我們讓學(xué)生通過參加各類設(shè)計(jì)大賽或參與到教師的一些課題或科研項(xiàng)目中，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，自行組織實(shí)施。這種開放實(shí)驗(yàn)題目的方法能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并且實(shí)驗(yàn)題目不重復(fù)，學(xué)生尤其對(duì)于自主設(shè)定的實(shí)驗(yàn)題目，完成熱情極高，使學(xué)習(xí)效率顯著提升。在整個(gè)項(xiàng)目完成過程中，需要小組成員分工合作，并且鍛煉了學(xué)生的交流、溝通、合作及創(chuàng)新能力，在實(shí)踐中強(qiáng)化了團(tuán)隊(duì)精神。同時(shí)學(xué)生還掌握了“發(fā)現(xiàn)問題-提出問題-分析問題-解決問題-創(chuàng)新問題”的認(rèn)識(shí)規(guī)律和創(chuàng)新思維[1]，該方法也是踐行CDIO 模式4個(gè)步驟的最好方法。

4 結(jié)束語

我們?cè)凇段C(jī)原理》實(shí)踐中引入IB-CDIO 理念，經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，教學(xué)效果較為理想。學(xué)生學(xué)習(xí)興趣有所提高，形成了良好的學(xué)習(xí)氛圍，對(duì)項(xiàng)目的運(yùn)作過程有了親身實(shí)踐機(jī)會(huì)，學(xué)生間的合作意識(shí)、交流溝通能力都得到了培養(yǎng)，同時(shí)也使學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力得到鍛煉。今后我們還將不斷探索、完善相關(guān)課程的教學(xué)改革方案，推動(dòng)教學(xué)改革的深入，進(jìn)一步提高工程教育質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于延，周國輝， 李紅宇， 等. CDIO 模式下C 語言程序設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)改革[J].計(jì)算機(jī)教育，2016（2）：122-126.

[2] 張研，王詠梅.任務(wù)驅(qū)動(dòng)法在微機(jī)原理及應(yīng)用課程中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)與技術(shù)，2015，13（1）：172-175.

[3] 李秋潔.“微機(jī)原理及接口技術(shù)”課程教學(xué)探討[J].教育教學(xué)論壇，2015（4）：127-128.

[4] 董獻(xiàn)芬.基于protues仿真的《微機(jī)原理與接口技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革必要性研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)， 2016，12（7）：104-106.

[5] 朱敏玲，張偉，侯凌燕.基于protues的微機(jī)原理與接口技術(shù)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（1）：155-160

[6] 黃景濤，徐迎曦，邱聯(lián)奎，等.基于虛擬仿真環(huán)境的微機(jī)原理與接口技術(shù)課堂教學(xué)改革與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2016，2（6）：108-109.

[7] 梁永恩，萬世明. 基于 CDIO 理念的《嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用》課程 教學(xué)模式研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)， 2013（11）：29-31，60.

[8] 李曉秀，林國漢.CDIO模式下單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式探討與實(shí)踐[J].湖南工程學(xué)院黨報(bào)，2016，26（3）：97-100.

[9] 張曉東，盧艷軍.基于CDIO理念的“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)模式改革[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2016，19（2）：176-179.

[10] 王瑞榮.SC-CDIO理念下國貿(mào)專業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)體系的構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2016，35（7）：198-201，234.