基于CDIO模式的《微機原理與接口技術》課程教學改革研究

魏建宇,盧愛臣,馬文彬

(陸軍軍事交通學院計算機與信息技術教研室，天津300161)

0 引言

《微機原理與接口技術》課程是培養(yǎng)學生信息化素質的核心課程之一，主要使學生獲得計算機硬件技術方面基本技能，培養(yǎng)利用硬件與軟件相結合的方法和工具，分析解決本專業(yè)及相關專業(yè)領域問題的思維方法和初步能力，為后續(xù)課程的學習和實踐、創(chuàng)新能力打好基礎，從而提高學生的核心競爭力。參考探究式教學模式和CDIO工程教育模式，對《微機原理與接口技術》課程的教學環(huán)節(jié)進行改革探索，旨在培養(yǎng)學生具備工程實踐能力，滿足社會對應用型人才的需求。

1 微機原理與接口技術課程現(xiàn)狀

1.1 理論講授多，課程內容難懂

傳統(tǒng)的《微機原理與接口技術》課程主要以8086微型計算機為例介紹CPU的內部結構、工作原理、邏輯組成以及接口芯片等方面的知識[1]，使學生從理論和原理上理解微型計算機的組成原理，并初步掌握接口芯片技術。由于教學內容復雜、概念抽象，學生理解起來困難，在實踐課程中又難以將抽象的概念與相應的匯編語言程序結合起來，造成學生覺得枯燥無味，學習興趣不足，教學效率低下[2]。

1.2 創(chuàng)新性受限制

傳統(tǒng)教學中的實驗環(huán)節(jié)通常是使用實驗箱為平臺進行，實驗內容也多側重于驗證性實驗，學生只要按照實驗指導書的要求進行電路連接、輸入實驗例程，編譯下載后即可得到實驗結果。學生很少動腦思考整個實驗過程，實驗現(xiàn)象容易達成而學生沒有動力再去進行深入探索。雖然實驗過程也完成了對所學知識的驗證，但在一定程度上限制了學生的創(chuàng)新性和主觀能動性。

1.3 實驗時間受限制

實驗課程安排在實驗室的實驗箱上完成，學生只能在有限的課內時間進行學習，課余時間如果想進行學習和鞏固則缺乏實驗條件，而且在實驗課程內沒有完成實驗內容的學生課后無法繼續(xù)進行，時間在一定程度上限制了學習質量和效果。

1.4 考核方式的受限制

傳統(tǒng)的教學模式往往忽視對學生實踐能力的考核，僅以實驗報告作為實驗部分的評定標準，而部分課內未完成實驗內容的學生為了得到這部分實驗成績，便會出現(xiàn)抄襲實驗報告的現(xiàn)象，教師很難通過實驗報告來判斷學生對實驗內容的掌握情況。而實驗考核方式的缺陷又會使學生把學習精力放在期末考試上，形成為了通過考試而學習的局面。

因此，深入分析該門課程發(fā)展的特點規(guī)律，剖析教學過程中面臨的主要問題，《微機原理與接口技術》課程的教學改革勢在必行。

2 探究式教學

探究式教學(Hands-on Inquiry Based Learning)是指讓學生在學習原理及相關概念的時候，教師只是給他們提出一些問題，或是提供一些案例，讓學生通過查閱資料、觀察、實驗、思考等方法進行獨立研究和學習的過程，自行發(fā)現(xiàn)需要的結果或結論。指導思想是在教師的指導下，使學生主動、自覺地進行探索，掌握發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的方法，建立自己的認知模型和學習方法。在探究式教學中是以學生為主體，學生發(fā)揮主動作用[3]。

3 CDIO教學理念

CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate)是構思—設計—實現(xiàn)—運行的英文縮寫，是從“做中學”的工程教育模式的有益探索。CDIO工程教育方法是由MIT、瑞典皇家工學院等專業(yè)首先進行嘗試的，取得了良好的效果，并且得到了各個國家、各個高校的認可。

CDIO模式以項目為載體，倡導問題驅動，可以引導學生提出問題，找到解決問題的方法，建立有效的交互、啟發(fā)式和探究式學習模式；通過選擇項目情境，充分體現(xiàn)微機原理和技術課程應用等的可行性和適用性；CDIO模式注重實踐教學，培養(yǎng)學生的實踐能力，倡導以具體實踐為基礎的課程實驗教學，然后上升到理論，再回到實踐，為教學目標創(chuàng)造最終產(chǎn)品，符合社會對人才培養(yǎng)的需要。

CDIO模式在實際工程項目中作為一種邏輯組織教學，讓學生以項目學習為中心，在項目中進行學習，能充分挖掘學生潛能、提高能力，解決實際問題。同時，教師在設計項目構思過程中，對教學過程也會有更深層次的認識，從而促進教學效果的提高。

4 基于CDIO模式的實驗教學方法

根據(jù)CDIO模式的基本理念和要求，實驗內容可以采取階段式、層次式的結構，劃分為驗證型實驗、設計型實驗、綜合型實驗和創(chuàng)新型實驗4個層次。在不同的實驗進度環(huán)節(jié)，采用不同的教學方法和手段，并且根據(jù)學員的實際情況進行適當?shù)恼{整。

4.1 驗證型實驗

驗證型實驗主要是采用演示法進行講解，并要求學生課內在實驗箱上完成，目的是使學生快速入門，熟悉實驗環(huán)境，對實驗的基本原理、概念、實驗方法有初步的認識。教師要對實驗中的問題、重難點進行細致地講解，并協(xié)助學生解決可能遇到的問題，逐步培養(yǎng)學生的軟件設計和硬件故障分析能力，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生務實嚴謹?shù)膶嶒炞黠L，為后續(xù)實驗的進行打下良好的基礎。

4.2 設計型實驗

設計型實驗是在單個模塊驗證的基礎上，更改設計要求，并且進行多個單元模塊的組合，擴展實驗內容。例如，學生在完成基本輸入輸出實驗的驗證基礎上，實驗內容要求利用單支開關控制8個數(shù)據(jù)燈的亮滅。在此要求下，需要學生在前一個實驗的基礎上，充分理解芯片的工作原理，并且完成實驗設計、編程與實現(xiàn)。在實驗中，教師僅進行基本設計思路的引導，充分給予學生獨立思考的空間，獨立設計實驗方案，包括實驗電路、實驗程序，并對實驗中遇到的問題進行思考并解決，以達到培養(yǎng)學生獨立思考能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的目的。

4.3 綜合型實驗

綜合型實驗是在前兩個階段的基礎之上，主要結合課程中的多個接口芯片、應用程序編程和其他課程中的知識進行綜合運用，學生在學習入門并有一定程度的提高之后，具有一定的軟硬件開發(fā)設計能力，掌握了一定的編程技巧，希望能夠自己完成一項設計方案，激發(fā)他們自我創(chuàng)新的欲望。這時可以做一些例如“模擬交通燈控制”“電子音樂播放”“車輛轉向預警”“倉庫存儲管理”等有一定難度的實用系統(tǒng)。設計過程中，軟硬件都需要獨立完成，教師主要采用引導的方式，不主動干預學生的實驗過程，鼓勵學生通過討論交流、查閱資料解決遇到的問題，只解答一些技術性的關鍵難點，充分發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)造性，進一步提高學生的學習興趣和成就感。

4.4 創(chuàng)新型實驗

創(chuàng)新型實驗適用于部分學習興趣高、學習基礎較好的學生，每3人結合為一個小組，學生運用自己已掌握的知識，按照自己的興趣和知識獨立設計題目和自行討論制訂方案，參加教師的科研項目、大學生科技創(chuàng)新項目或參加計算機系統(tǒng)設計競賽。

在項目進行中同組的成員可以相互探討，共同解決項目中遇到的問題。運用討論法，鍛煉學生的思維能力，同時在學習過程中鼓勵學生質疑，引導學生課后自主查閱相關文獻、自主進行實驗，概括出符合科學的結論，并以此拓展學術視野，鍛煉學生初步的學術能力，同時也培養(yǎng)了學生的團隊協(xié)作能力。學生還實現(xiàn)了“發(fā)現(xiàn)問題—提出問題—分析問題—解決問題—創(chuàng)新問題”的認識規(guī)律和創(chuàng)新思維，該過程實現(xiàn)了CDIO模式的各個步驟。

應用CDIO教學模式需要良好的實驗環(huán)境，在保證實驗平臺能夠進行驗證型及設計型實驗的基礎上，設計能夠進行創(chuàng)新實驗的平臺，以彌補現(xiàn)有實驗設備的不足。

5 Proteus仿真設計軟件的使用

傳統(tǒng)的《微機原理與接口技術》實驗課程大部分都在實驗箱上進行，實驗箱上的元器件位置、大部分連線都已經(jīng)固定，學生可以進行連接的線路較少，難以對已連接的實驗電路有直觀、全面的認識。實驗箱頻繁插拔、老化等原因，損壞的實驗箱無法繼續(xù)完成實驗課程[4]。

在實驗環(huán)節(jié)通過引入Proteus仿真設計軟件，教師在上課時可隨時進行電路動態(tài)仿真，邊講解理論知識，邊進行案例演示?？梢杂嗅槍π缘卣故靖髂K具體硬件電路和軟件控制方法，這種方式直觀靈活且交互性強，容易吸引學生的注意力，提高學習熱情[5]。

使用Proteus進行接口電路實驗，學生需要繪制完成的電路，相對于實驗箱而言，學生對實驗原理會理解得更為透徹，并且可以根據(jù)需要自行設計系統(tǒng)的譯碼電路、輸入輸出器件等[6]。

Proteus提供了豐富的元器件庫，提供了性能、質量更高的虛擬儀器儀表，使得修改設計電路更加靈活，并且Proteus提供了豐富的調試手段，學生設計時間大大縮短，而且可以充分利用實踐課程以外的時間進行學習，大大提高了學生的學習興趣，提供了培養(yǎng)學生實踐精神、創(chuàng)造精神的平臺。

6 考核模式

課程的考核應當緊密圍繞課程培養(yǎng)目標，結合課程特點，既要考查學生對課程基本知識的掌握程度，又要考查學生平時的學習態(tài)度、實踐操作能力和創(chuàng)新設計能力。最終成績由期末考試(40%)、實驗考核(40%)、課堂表現(xiàn)(10%)和平時作業(yè)(10%)4個部分組成。

其中，實驗考核環(huán)節(jié)是在學期末給學生1-2周的時間，可以分組也可獨自進行，學生自行選題進行綜合設計，題目需經(jīng)過教師的審定通過方可開始進行。要求學生自主設計實驗電路，在Proteus平臺上完成相應的電路設計和程序編寫，并得到正確的仿真結果，完成項目要求。學生還需提交設計文檔、準備匯報PPT并現(xiàn)場演示，教師根據(jù)匯報、演示效果和現(xiàn)場提問情況進行綜合打分。

改革后的課程考核方式，消除了學生平時學習應付，臨近期末才緊張復習的不良風氣，因為僅僅在期末考試取得較高分數(shù)并不能保證期末成績合格。學生最終的考試成績，與學生平時的付出成正比，勤奮刻苦、善于思考、創(chuàng)新能力強的學生成績高[7]。

7 結語

在《微機原理與接口技術》課程中引入探究式教學理念，結合CDIO模式教學課程設計，比傳統(tǒng)教學方法具有較多的優(yōu)勢。更新教學內容，密切聯(lián)系實際需要，提高學生的學習興趣；重視實踐教學，充分培養(yǎng)學生的動手操作能力和創(chuàng)新能力；改進考核方式，提高學生主動學習的熱情，學生不再是傳統(tǒng)的“為考試而學”，而是在學習中獲得解決問題的成就感，達到“為興趣而學”。

CDIO模式不僅培養(yǎng)了學生實際操作能力、解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力，而且能培養(yǎng)學生計算機專業(yè)素養(yǎng)，通過分組協(xié)作培養(yǎng)了學生的團隊合作精神，符合素質教育的教學理念。