基于CDIO的微機原理與接口技術課程改革

申東 李強 楊桂芹

摘? 要 “微機原理與接口技術”是通信工程專業(yè)的一門必修課，課程內容龐雜，知識點理論性過強、實踐性不夠，當前的教學模式存在較多缺陷。結合CDIO教育模式，明確教學體系改革的方向，對教學方式和考核方式進行改革，使學生不僅更好地掌握基礎理論知識，也有更好的實踐機會，充分提升學生的創(chuàng)新能力、項目實踐能力和團隊協(xié)作能力。

關鍵詞 微機原理;接口技術;CDIO;課程改革

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）22-0096-03

Microcomputer Principle and Interface Technology Course Re-form based on CDIO//SHEN Dong， LI Qiang， YANG Guiqin

Abstract Microcomputer Principle and Interface Technology is a compulsory course of communication engineering specialty. This course is complex in content， strong in theory and inadequate in prac-

tice. There are many defects in the current teaching mode. Combi-ning with CDIO educating mode， the teaching mode and assessment mode are formed through the direction of teaching system reform. Students not only better grasp the basic theoretical knowledge， but

also gain more practice opportunity. The mode fully enhances stu-

dents innovation ability， project practice ability and team coopera-tion ability.

Key words microcomputer principle; interface technology; CDIO; course reform

1 引言

21世紀是一個科學技術飛速發(fā)展的嶄新時代，同時，國際環(huán)境也在不斷惡化，使得很多處于制造行業(yè)鏈末端的制造企業(yè)遭到沖擊，需要將“中國制造”轉換為“中國創(chuàng)新”[1]。這就要求高校教育以培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維、創(chuàng)新水平、創(chuàng)新精神且厚基礎、強能力和寬口徑的綜合型技術人才為目標，使得培養(yǎng)優(yōu)秀的工程師成為必不可少的要求之一。

為了適應21世紀對于人才培養(yǎng)的需求，原國家教委組織實施“面向21世紀高等工程教育教學內容和課程體系改革計劃”，并由此提出我國高等工程教育的課程改革要根據(jù)社會主義現(xiàn)代化建設和科學技術發(fā)展的需求做出相應的調整。

CDIO工程教育模式包括構思（Conceive）、設計（De-sign）、實現(xiàn)（Implement）、運作（Operate），是2000年由美國麻省理工學院等高校聯(lián)合提出的一種工程教育改革體系，是國際工程教育模式改革的重要成果，繼承且更好地發(fā)展了歐美近年來提出的各種工程教育改革理念，具有較強的操作性[2]。該理念將產品研發(fā)至產品運行看作整個產品生命周期的載體，與傳統(tǒng)教育模式區(qū)別在于，要求學生不僅掌握基礎學科知識，而且要求學生自主參與從理論知識學習到產品開發(fā)完成的學習過程，旨在培養(yǎng)學生個人素質和發(fā)展能力、工程基礎知識學習能力、團隊協(xié)作能力以及工程系統(tǒng)能力這四個方面的能力，能夠適應現(xiàn)代團隊合作的工程環(huán)境。CDIO工程教育模式要求突出實踐性、經濟學、綜合性、創(chuàng)新性，盡可能將實踐與理論相結合，課程實驗教學先從具體的實際出發(fā)，上升至理論知識，隨后再回到實際的操作中，教學目標是創(chuàng)作出最終產品。

2 “微機原理與接口技術”課程現(xiàn)狀

“微機原理與接口技術”是大學本科電氣類、信息類、機電類等非計算機專業(yè)所學習的一門基礎課程，通過CPU結構、接口技術和匯編語言的學習，不僅可以使學生掌握軟硬件的組成和工作原理，而且可以學習到存儲器的性能和原理、中斷系統(tǒng)及中斷技術、輸入輸出技術，對于畢業(yè)設計有很大程度的幫助[3]。

“微機原理與接口技術”的特色是內容抽象，軟、硬件緊密結合且相互滲透，尤其是實踐部分，可以培養(yǎng)學生的實際工程意識及能力、創(chuàng)新水平及意識。而當前的教學存在一些缺陷。

1）課程內容繁雜且乏味，具有很強的理論性和技術性，內容涉及面廣，前后知識點緊密聯(lián)系、邏輯性強。由于學時有限、教學內容陳舊，教師講課通常是大滿灌形式，無法表達正確的工程實際需求，缺少趣味和創(chuàng)新，留給學生獨立思考的時間極少，使學生對課程缺乏感性認識，很難調動學生學習的積極性，使學生感覺學習壓力大，得不到理想的教學效果。

2）實踐時間少，在傳統(tǒng)的實驗過程中都是使用試驗箱，提供源程序，學生只是照抄程序，根據(jù)實驗指導書中的步驟進行連線，運行程序后看結果，只有極少數(shù)學生可以獨立思考實驗的設計原理，分析實驗數(shù)據(jù)，自己嘗試修改程序。由于配套性實驗內容操作簡單，試驗箱硬件結構固定，里面的器件品種難以擴展，實驗內容的突破被試驗箱所限制，雖然在一定程度上起到復習鞏固基礎知識的作用，但不利于培養(yǎng)學生自主學習創(chuàng)新的能力，未能調動學生的自主能動性，阻礙了發(fā)散性思維的形成，與社會實際結合度不高。

3）考核的方式單一，忽視了學生的實踐水平。通常，“微機原理和接口技術”課程的考核是由平時成績和期末考試成績組成的，平時成績包括課堂表現(xiàn)、作業(yè)、課后答疑、出勤、實驗成績組成，期末考試采取閉卷筆試的方式。根據(jù)期末成績占比重的情況，教師和學生將絕大部分的精力放在期末考試上，學生在考試前通過背知識點的方式應付考試，不能很好地將知識點融會貫通。

3 “微機原理與接口技術”教學體系構建思路

基于CDIO教育模式，構建一個有效的“微機原理和接口技術”教學體系。將傳統(tǒng)的課堂教學轉換為系統(tǒng)的、整體的課程體系，整合資源，從而為課程教學提供完整的解決方案，通過集體智慧，多方面、多角度進行細致的規(guī)劃和設計，形成一個盡可能滿足社會實際需求的工程型人才培養(yǎng)方案，使學生在系統(tǒng)地學習基礎理論知識的同時，可以有目的地開展且參與各項實踐教學的活動。

1）將課程內容模塊化，制定新的教學大綱，剔除陳舊知識點，編寫適合本專業(yè)學生的教材，建立院級課程體系，使教學內容具有科學性和先進性，可以充分顯示微機領域最新的科技成果和學術內容，強調將應用作為教學目的，在第一堂課中就讓學生了解這門課程聯(lián)系的具體工程中的技術問題，可以通過視頻案例形象、生動地凸顯微機的重要性。

2）課程改革以“卓越工程師”為培養(yǎng)標準，以社會實際行業(yè)要求和發(fā)展為導向[4]。工科院校的學習時長為四年，包括三年校內理論基礎學習和一年校外實習以及畢業(yè)設計。傳統(tǒng)教學模式的課程學習順序并不能滿足“卓越計劃”的培養(yǎng)要求，機械地課堂講解電類基礎課程會對后續(xù)專業(yè)的發(fā)展形成一定程度的影響，并不能為學習該門課程奠定良好基礎。因此，需要參照“卓越工程師”的標準和要求，制定相應的教學路線和實踐脈絡，形成多個子方向的目標，同時設立與之適合的教學大綱，逐步完善形成符合行業(yè)要求的“微機原理與接口技術”課程的教改方案。

3）形成理論與工程、學習與創(chuàng)新、綜合與分析相交互的工程教育模式。在課堂學習結束之后，相應地開設鍵盤和顯示器接口實驗、溫度調試實驗、主從式控制實驗以及工程訓練的內容，有助于更好地理解基礎知識。引入實際訓練課程，如設計一個基于微機的信號測控裝置[5]，該設備可以接入典型傳感器、變送器的信號，同時可以輸出標準電壓/電流信號，滿足抗干擾性、安全性、通用性、性價比等原則的要求，讓學生自主完成一個控制系統(tǒng)的分析、設計、安裝和調試過程。

4）以學生為主導，教師在實際教學過程中偏向于學生的學習過程和結果，激發(fā)學生對于微機的興致，將學生作為一個獨立的個體，尊重每個人的差異，通過分組學習的方式使學生之間相互督促，淡化課內課外的界限，全天候開放實驗室，鼓勵學生去實驗室進行探索，形成良好的學習氛圍[6]。

4 課程改革重點

教學方式改革? “微機原理與接口技術”課程由兩部分內容組成，即單片機原理及其編程語言和接口技術，根據(jù)CDIO教育模式，開展分段、分層次的教學方式。

第一層次為基礎知識的學習。專業(yè)課的學習總是枯燥無味的，在教學過程中應緊密聯(lián)系實際，以現(xiàn)實案例來引導學生，將傳統(tǒng)的知識講解轉換為解決問題，實現(xiàn)問題的具體化，使學生進入自動化學習的狀態(tài)。在學習基礎知識的同時，進行一些入門級的軟、硬件驗證性實驗，使學生可以具體地掌握理論知識，熟悉實驗裝置和實驗流程，通過提供的程序編碼和試驗箱，學生按照要求連接接口芯片的引腳，對微機有一個初步認識。

第二層次為綜合性實驗，主要為了培養(yǎng)學生獨立思考、設計、解決問題的能力，在掌握基本指令和程序與芯片接線的基礎上，引導學生參與整個電路設計，深入了解芯片內部結構和工作原理，通過Proteus軟件進行實驗仿真，讓學生對芯片有更直觀的認識。

第三階段為應用性實驗，在培養(yǎng)學生硬件開發(fā)能力過程中，采用開放式平臺、開放式課題研究形式，將硬件開發(fā)能力貫穿教學過程，在講課之余給予學生更多獨立思考的時間，精講多練，加強創(chuàng)新能力的實踐環(huán)節(jié)。在熟練掌握基礎知識、基本指令和程序的基礎上，啟發(fā)學生解決實際問題，采用分組的方式實施項目研發(fā)，遵循組長負責制度。學生自由選擇課題，自由組成課題小組，小組成員不超過六人，小組長由組內學生競選，具體操作步驟如下：

①項目開發(fā)之前將小組成員所收集的關于項目的知識點進行匯總，制訂學習計劃并分工學習，學習完成后將各自的知識點向其他成員講解，可以有效縮短學習項目基礎知識的時間;

②開展設計研究，由小組長負責召集成員進行項目研討、技術交流，及時處理研究過程中出現(xiàn)的問題，教師在此過程中組織小組長進行階段性考察，控制項目進度;

③完成硬件開發(fā)后需要準備技術報告，為項目答辯做準備，小組成員需要在答辯的時候演示自己的成果。

考核方式改革? 傳統(tǒng)的考核方式是對多個孤立的知識點進行衡量，知識點之間的聯(lián)系程度不大，并不能很好地評估課程質量。根據(jù)CDIO教育模式的要求，最終考核成績不再以閉卷成績?yōu)橹?，選擇開放性的考核模式，著重在技術要求和目標方向這兩個方面對“微機原理與接口技術”的內容進行整理分類，優(yōu)化考核模式。

最終考核成績由平時成績（30%）、期末考試成績（40%）和項目成績（30%）組成。其中，平時成績由課堂表現(xiàn)、課后答疑、實驗成績、作業(yè)完成情況等組成，實驗成績強調實驗預習、實際操作過程、實驗結果及實驗報告;期末考試是采用閉卷形式，考核學生對基礎內容的掌握情況;項目成績通過小組答辯的形式，主要考核項目的完成度以及組內成員掌握知識點的程度，通過實物展示和PPT講解的形式，展現(xiàn)個人口頭表達水平、邏輯思維能力和團隊合作精神。這種考核形式可以綜合、真實、公平地映射學生的水平，益于提高學生的創(chuàng)造性、自身素質和積極性。

5 結語

CDIO教育模式下的“微機原理和接口技術”課程改革，主張實踐與理論知識綜合發(fā)展，極大地激發(fā)了學生的學習主動性，通過項目的引入，實現(xiàn)理論與實際的聯(lián)系，在教學過程中以學生為中心，提高學生團隊協(xié)作能力和實際解決問題能力，使學生在未來社會環(huán)境中可以更好適應。在今后將進一步探索關于“微機原理和接口技術”課程改革的方案，提高工程教育的質量，使得這門課程更加具有科學成效性。

參考文獻

[1]柳飛.創(chuàng)新機制下“微機原理與接口技術”教學改革研究[J].中國電力教育，2012（26）：81-82.

[2]何金枝，趙天翔，李云強.基于IB-CDIO理念的《微機原理》實驗教學探索[J].電腦知識與技術，2016（34）：138-140.

[3]王東霞，溫秀蘭，黃家才，盛黨紅.工程教育專業(yè)認證指導下的微機、單片機原理與應用課程教學改革[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016（21）：32-34.

[4]馬霽旻，王粟.面向“卓越計劃”的“微機原理及應用”課程改革探索[J].中國電力教育，2013（32）：93-94.

[5]盧曉紅，王福吉，陳星.興趣導向的《微機原理與控制技術》課程教學改革探討[J].教育教學論壇，2014（53）：128-129.

[6]蔡李花，方海峰，高進可.應用型本科《微機原理與接口技術》課程探索[J].電腦知識與技術，2017（11）：93-94.