基于“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)踐平臺(tái)構(gòu)建面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

陳 真，戴永壽

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東） 海洋與空間信息學(xué)院，山東 青島 266580；2. 中國(guó)石油大學(xué)（華東） 控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266580）

1 背景

“微機(jī)原理”課程在我校已開(kāi)設(shè)近30 年，是我校信息類(lèi)、電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)必修課程，理論性、實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)，在專(zhuān)業(yè)的課程體系中具有承上啟下的引領(lǐng)作用。課程組一直秉承理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)理念，注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)涵式建設(shè)，獨(dú)立開(kāi)設(shè)“微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)”（24 學(xué)時(shí)）作為“微機(jī)原理”理論課程配套實(shí)驗(yàn)課程，在教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行了積極探索[1-7]。教育部提出的新工科建設(shè)思想[8]，注重知識(shí)的前沿性和綜合性，因而將新知識(shí)和新技術(shù)融入學(xué)生的培養(yǎng)環(huán)節(jié)中顯得尤為重要。

當(dāng)期課程的實(shí)踐教學(xué)主要面臨如下問(wèn)題：

（1）實(shí)踐教學(xué)模式單一，側(cè)重基礎(chǔ)教學(xué)。傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式下接口設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的硬件設(shè)計(jì)部分只需按照接線(xiàn)引腳圖即可完成，學(xué)生往往被動(dòng)實(shí)驗(yàn)，缺乏對(duì)接口電路設(shè)計(jì)的深入理解，制約了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)新能力，不能充分培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

（2）綜合設(shè)計(jì)性和研究性實(shí)驗(yàn)普遍存在實(shí)踐內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少、難以充分體現(xiàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新性效果的突出問(wèn)題，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，難以滿(mǎn)足學(xué)生的創(chuàng)新性需求。

（3）實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容缺乏先進(jìn)性和前沿性，難以適應(yīng)最新計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展。

（4）實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)難以體現(xiàn)教師的引導(dǎo)和啟發(fā)作用，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的積極性和個(gè)性化發(fā)展。

（5）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)重基礎(chǔ)，面向接口基本功能以及接口芯片，內(nèi)容相對(duì)單一，難以實(shí)現(xiàn)綜合性和創(chuàng)新性。

針對(duì)上述問(wèn)題，以提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力為目標(biāo)，對(duì)基礎(chǔ)課程的傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行改革，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、更新并設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建融合先進(jìn)理念、注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力、便于推廣的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，對(duì)解決目前傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ矫媾R的諸多問(wèn)題具有重要意義。

2 “虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建

2.1 基于OBE 理念的教學(xué)模式

基于 OBE 理念的“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[9-12]遵循“以學(xué)生為中心”，學(xué)生由被動(dòng)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者，激發(fā)了實(shí)驗(yàn)興趣，提高了自主實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性；該模式“以產(chǎn)出為導(dǎo)向”，積極推行“持續(xù)改進(jìn)”，依托新型8086 微處理器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合前沿MSP430 系列應(yīng)用技術(shù)，并融合了先進(jìn)的虛擬仿真設(shè)計(jì)理念[13]。該模式自2016 年應(yīng)用于“微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)以來(lái)，不僅拓寬了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)視野，提升了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，而且進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了學(xué)生從基礎(chǔ)知識(shí)理解到綜合能力提高的轉(zhuǎn)變，從驗(yàn)證性思維到設(shè)計(jì)、創(chuàng)新性思維的轉(zhuǎn)變。

2.2 “寬口徑、厚基礎(chǔ)、分層次、模塊化、個(gè)性化”地設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容

將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生從理論和實(shí)踐兩方面掌握微型計(jì)算機(jī)的基本組成、工作原理、軟件編程及硬件接口方法，建立起微機(jī)系統(tǒng)的整體概念，具備運(yùn)用現(xiàn)代微機(jī)技術(shù)進(jìn)行軟、硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的能力。教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)強(qiáng)化對(duì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)、自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，由必修、選修模塊組成，每個(gè)模塊分為必做、選做和擴(kuò)展提高實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目三個(gè)層次，方便教師或?qū)W生針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和學(xué)時(shí)要求以及后續(xù)課程的需要進(jìn)行靈活選擇，“寬口徑”“個(gè)性化”組合，保證訓(xùn)練目的更具專(zhuān)業(yè)性和針對(duì)性，并能更好地適應(yīng)綜合設(shè)計(jì)性和開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，同時(shí)滿(mǎn)足個(gè)性化和復(fù)合型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。模塊化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系及分層實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[14-15]如圖1 所示。

2.3 構(gòu)建“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)踐平臺(tái)，滿(mǎn)足學(xué)生創(chuàng)新需求

平臺(tái)將軟件仿真設(shè)計(jì)、演示及研究性特點(diǎn)與硬件驗(yàn)證、測(cè)試及實(shí)踐性特點(diǎn)緊密結(jié)合，學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境下可以不受硬件資源和時(shí)空限制隨時(shí)隨地進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試、改進(jìn)初步設(shè)計(jì)方案，完善功能，最終實(shí)現(xiàn)軟硬件的綜合性設(shè)計(jì)及拓展實(shí)驗(yàn)。

平臺(tái)的構(gòu)建既有利于融合前沿的應(yīng)用技術(shù)，又兼顧基礎(chǔ)理論的鞏固提高，引導(dǎo)和促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步創(chuàng)新實(shí)踐；平臺(tái)拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間，為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式向開(kāi)放創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式過(guò)渡提供了契機(jī)。

2.4 設(shè)立探究環(huán)節(jié)和經(jīng)典案例，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中涉及的軟硬件接口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)制定多個(gè)探究環(huán)節(jié)，并結(jié)合具有實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的經(jīng)典案例引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握實(shí)驗(yàn)原理，熟悉實(shí)驗(yàn)方法，層層遞進(jìn)、由淺入深地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

指導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)并結(jié)合大創(chuàng)、科技競(jìng)賽、科研項(xiàng)目等資源，自主制定設(shè)計(jì)方案、實(shí)現(xiàn)步驟和調(diào)試方法，引導(dǎo)學(xué)生基于常用接口芯片功能，制定接口設(shè)計(jì)方案，探究接口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

設(shè)立探究環(huán)節(jié)以及層次化設(shè)計(jì)的經(jīng)典案例的目的是：①引導(dǎo)學(xué)生熟悉流程，啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維和自主設(shè)計(jì)；②引導(dǎo)學(xué)生掌握設(shè)計(jì)要點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)；③引導(dǎo)學(xué)生利用經(jīng)典案例掌握平臺(tái)的使用和實(shí)踐流程。

2.5 加強(qiáng)過(guò)程考核，采用多維評(píng)價(jià)方法，助力學(xué)生專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)能力的提升

根據(jù)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)建立科學(xué)、合理、全面的考核方式和多維評(píng)價(jià)方法，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程、考核成績(jī)與問(wèn)題反饋進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，并讓學(xué)生積極地參與到成果評(píng)價(jià)中，采用教師評(píng)價(jià)、學(xué)生自評(píng)和互評(píng)等多維評(píng)價(jià)方法。

為了鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)、自主創(chuàng)新，考核內(nèi)容和評(píng)價(jià)方法改進(jìn)如下：

（1）從理論知識(shí)、實(shí)踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新素養(yǎng)三個(gè)層面進(jìn)行考查；

（2）增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真和探究的考核環(huán)節(jié)和多維評(píng)價(jià)方法，細(xì)化了考核內(nèi)容，加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的考核；

（3）對(duì)學(xué)生答辯展示創(chuàng)新作品的考核環(huán)節(jié)采用多維評(píng)價(jià)方法，更具公正性和公開(kāi)性，也促進(jìn)了交流學(xué)習(xí)和提高完善。

考核內(nèi)容及成績(jī)?cè)u(píng)定方式為：預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)成績(jī)（10分）+綜合設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)成績(jī)（60 分）+實(shí)驗(yàn)報(bào)告環(huán)節(jié)成績(jī)（30 分）。

圖1 模塊化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系及分層實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)主要考查學(xué)生自主制定設(shè)計(jì)方案的可行性和創(chuàng)新性，從實(shí)驗(yàn)安排進(jìn)度到“接口設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”內(nèi)容開(kāi)始之前這段時(shí)間要求學(xué)生填寫(xiě)初步設(shè)計(jì)和探究方案（10 分）；綜合設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)主要考查學(xué)生靈活應(yīng)用理論知識(shí)和接口綜合設(shè)計(jì)能力，發(fā)現(xiàn)、分析、解決問(wèn)題的實(shí)踐創(chuàng)新能力，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)（10 分）、系統(tǒng)仿真（30 分）和系統(tǒng)調(diào)試（20 分）；實(shí)驗(yàn)報(bào)告環(huán)節(jié)成績(jī)包括電路設(shè)計(jì)原理圖、源程序流程圖和代碼等設(shè)計(jì)資料的完整性（10分）、結(jié)果與分析（10 分）、問(wèn)題討論和探究（10 分）。

3 應(yīng)用效果

2012 年，我們對(duì)“微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行了升級(jí)改造，經(jīng)過(guò)7 屆本科生使用，一直不斷加以完善；2015年在現(xiàn)有教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置上融合基于 8086 微處理器的系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，通過(guò)融合先進(jìn)的EDA 技術(shù)，我校微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果顯著提升，拓寬了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)視野，提升了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)；2016 年對(duì)“微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)”進(jìn)一步升級(jí)改造，并融合MSP430 仿真模塊，特色明顯，效果優(yōu)良，目前教學(xué)內(nèi)容和課程體系已趨完善。其應(yīng)用效果主要體現(xiàn)在：

（1）在微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用過(guò)程中，運(yùn)用“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)促進(jìn)了學(xué)生深入理解和靈活掌握理論知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地參與到教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，師生之間、生生之間交流互動(dòng)明顯增強(qiáng)，學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新的積極性高，興趣濃厚。

（2）分析、研究學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在自主設(shè)計(jì)、自主實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，其編程能力、邏輯思考能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力都得到提高，并且增強(qiáng)了探索、挑戰(zhàn)的信心和勇氣，拓寬了專(zhuān)業(yè)視野，提升了學(xué)生綜合專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)和開(kāi)發(fā)創(chuàng)新能力。

（3）融合了先進(jìn)的仿真和前沿技術(shù)，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，教學(xué)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)鍛煉了學(xué)生的軟硬件編程能力，使他們盡快建立起微機(jī)系統(tǒng)的整體概念和設(shè)計(jì)要素，掌握了科學(xué)的設(shè)計(jì)流程和方法，為學(xué)生進(jìn)一步申請(qǐng)大創(chuàng)、參與科技競(jìng)賽和科研項(xiàng)目等個(gè)性化發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在強(qiáng)化學(xué)生基礎(chǔ)理論理解的基礎(chǔ)上，突出設(shè)計(jì)性、綜合性、創(chuàng)新性和前沿性，注重培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問(wèn)題的綜合應(yīng)用能力和自主創(chuàng)新意識(shí)，可以顯著提升教學(xué)效果和學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐以及工程應(yīng)用能力，對(duì)于信息類(lèi)、電氣類(lèi)和其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)具有積極的推廣和應(yīng)用價(jià)值。