“微機原理與接口技術(shù)”混合教學新探索

馬義德 張紅娟 湯書森 陸福相 張在峰

(蘭州大學 信息科學與工程學院,蘭州 730000)

為了更好地建設網(wǎng)絡教學平臺,及時更新和充實線上資源,鼓勵學生線上聽課與基于網(wǎng)絡平臺課程信息資源進行主動學習,我們探索了師生互動交流的多種實踐模式,通過線上線下的結(jié)合,從以教師為主的教學活動,逐步轉(zhuǎn)向以學生為中心的主動式教學實踐,以便學生能及時掌握教學內(nèi)容,提高教學效果。

以下結(jié)合我們多年來對“微機原理與接口技術(shù)”課程的教學實踐,介紹線上線下混合教學模式的新探索。

1 課程簡介

“微機原理與接口技術(shù)”是教育部規(guī)定的綜合性大學電子信息方向的專業(yè)基礎課與專業(yè)主干課,也是信息與通信工程、電氣工程、控制科學與工程、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等專業(yè)的必修課程,是信息學科相關(guān)專業(yè)后續(xù)課程學習的重要紐帶和橋梁,也是嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程學習的重要支撐課程。

“微機原理與接口技術(shù)”是一門面向應用的、具有很強的實踐性與綜合性的技術(shù)類課程,主要講述微型計算機硬件電路體系結(jié)構(gòu)和工作原理、微型計算機匯編語言編程原理和常用接口芯片的使用方法、中斷控制、DMA訪問和程序控制的輸入輸出技術(shù)等的基本原理、對應芯片及其應用技巧。同時該課程的教學還與全國大學生電子設計競賽、全國大學生挑戰(zhàn)杯大賽、全國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)以及相關(guān)的嵌入式系統(tǒng)競賽等學科競賽相結(jié)合,對提高學生的創(chuàng)新實踐技能,鍛煉學生解決生產(chǎn)生活實踐中的各種微機應用設計和分析等問題的能力發(fā)揮著重要作用。

課程具有以下特點:工作原理與編程方法、接口技術(shù)并重;軟件與硬件結(jié)合;理論與實踐結(jié)合。課程的這些特點要求學生具備一定的軟硬件專業(yè)基礎,并能夠在課程學習的基礎上,融會貫通,舉一反三,為后續(xù)專業(yè)課程的深入學習奠定基礎[1]。

“微機原理與接口技術(shù)”中對CPU硬件工作原理的分析方法又為“嵌入式系統(tǒng)ARM”、“嵌入式系統(tǒng)MCU”及“數(shù)字信號處理器DSP” 等后續(xù)課程的學習和應用提供基礎。該課程涉及的內(nèi)容多、更新快、實踐性強。正因如此,幾乎每一個涉及信息學科的工科專業(yè)都開設此課程,相關(guān)教學科研人員非常關(guān)心該課程內(nèi)容更新、教材建設、實驗系統(tǒng)開發(fā)。該課程相關(guān)內(nèi)容也一直是國內(nèi)外高等教育出版單位、教學儀器公司關(guān)注的焦點。

隨著互聯(lián)網(wǎng)平臺的飛速發(fā)展和移動網(wǎng)絡終端的便利訪問,各種教學資源的網(wǎng)上建設和線上教學逐步應用深入,特別在疫情防控期間,很多課程除了傳統(tǒng)的線下教學模式建設外,迫切需要進行線上教學模式、線下線上混合教學模式的建設和探索。結(jié)合蘭州大學通信工程專業(yè)的工程教育認證評估,教學團隊就“微機原理與接口技術(shù)”課程進行了線下線上混合教學模式的探索。在近幾年的教學研究和改革中,進行“微機原理與接口技術(shù)”課程的課程思政建設的同時,通過超星、微信等線上課程建設平臺,對該課程進行大量的課程資源建設和線上教學模式探索,積累了一些經(jīng)驗,形成了自己的特色教學模式和工作體會。

教學團隊結(jié)合通信工程專業(yè)工程教育認證,基于OBE理念,開展專題討論會,經(jīng)過深入分析和討論,最終形成《微機原理與接口技術(shù)2019版教學大綱》。根據(jù)通信工程專業(yè)培養(yǎng)目標中“微機原理與接口技術(shù)”課程支撐的畢業(yè)要求內(nèi)涵指標點,設定新版大綱的課程目標,建立課程目標與畢業(yè)要求指標點的對應關(guān)系,使課程目標能夠支撐畢業(yè)要求指標點的達成,具體如表1所示。

表1 課程目標與畢業(yè)要求指標點的對應關(guān)系

根據(jù)課程目標與畢業(yè)要求指標點的對應關(guān)系,重新安排課程內(nèi)容及各內(nèi)容的教學要求,并注重實踐內(nèi)容和知識面的擴展,重新確立了課程教學目標與課程教學內(nèi)容、要求及教學方法的對應關(guān)系,具體如表2所示。

表2 課程目標與教學內(nèi)容和方法的對應關(guān)系

2 挖掘思政元素,融入課堂教學

“微機原理與接口技術(shù)”教學團隊積極按照《蘭州大學關(guān)于課程思政建設的指導意見》要求,深入發(fā)掘和提煉課程思政內(nèi)容,并進行總結(jié)融入和教學設計。

通過調(diào)研學習當前國家對“卡脖子”技術(shù)發(fā)展的政策和移動通信技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)及相關(guān)操作系統(tǒng)發(fā)展需求,結(jié)合課程具體單元,課程團隊成員積極討論,深入分析,進行教學設計,將愛國情懷、法制意識、社會責任、人文精神、仁愛之心等思政要素內(nèi)容深入融合到課堂教學各個環(huán)節(jié)中,激發(fā)學生認知、情感和行為的認同,實現(xiàn)知識傳授與價值引領相統(tǒng)一、教書與育人相統(tǒng)一[2],培養(yǎng)學生的愛國情懷以及積極探索、自力更生、刻苦鉆研、奮進求是的科學精神。課程思政教育內(nèi)容與教學設計內(nèi)容如表3所示。

表3 課程思政教育內(nèi)容與教學設計

3 建設線上資源,開展教學模式新探索

隨著互聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展,相關(guān)網(wǎng)絡教學資源逐步豐富,給學生們增加了獲取知識的多種通道。線上教學采用多種網(wǎng)絡在線平臺提供的線上資源,把傳統(tǒng)的課堂講授通過視頻或課件上線前移,學生通過碎片化時間的個性化學習,然后帶著知識基礎走進課堂,線上和線下教學模式相結(jié)合,利于課程教學質(zhì)量的進一步提高。

教學團隊利用學校網(wǎng)絡課程建設信息平臺,基于超星平臺完成課程教學資源信息化建設,上傳了“微機原理與接口技術(shù)”課程教學課件,進行了相關(guān)知識單元的視頻錄像,完成網(wǎng)上習題庫、試題庫的建設,同時增加了輔助課程學習的相關(guān)輔導學習資料和各種有趣知識,包括:晶體管的發(fā)明與MCU、ARM、DSP、FPGA的誕生、微處理器CPU誕生50年、微型計算機最新技術(shù)與我國集成電路發(fā)展、穿戴式設備與柔性CPU芯片、無人駕駛與嵌入式系統(tǒng)、常用可編程I/O接口芯片的英文資料等,能實現(xiàn)線上教學以及線上線下混合式教學?！拔C原理與接口技術(shù)”課程與微型計算機技術(shù)發(fā)展結(jié)合緊密,我們持續(xù)跟蹤新變化,不斷充實課程內(nèi)容,鼓勵學生進行探索式知識的學習。教學團隊積極開展相關(guān)科研和教學改革研究,不斷擴充本課程相關(guān)的新知識內(nèi)容和技術(shù)發(fā)展,持續(xù)進行網(wǎng)上新技術(shù)、新實踐、新應用的探索式學習和積累;學生充分應用這些資源,借助各種終端自由學習,不斷實踐,經(jīng)過網(wǎng)絡文獻查閱和本課程相關(guān)單元應用模塊的設計實踐,進行課程實踐和知識面擴充,潛移默化地養(yǎng)成了基本科研素質(zhì)。

在線上教學資源不斷補充完善的同時我們積極進行師生互動、完善過程考核機制,在課程考核方面,通過網(wǎng)絡平臺發(fā)布簽到任務,方便考勤,節(jié)省課堂時間;通過網(wǎng)絡教學資源閱讀或下載情況監(jiān)測,方便掌握學生的課前與課后學習情況;通過網(wǎng)絡平臺進行作業(yè)發(fā)布與上傳批改,易于發(fā)現(xiàn)學生學習中的存在的問題,及時給予指導;通過網(wǎng)絡平臺發(fā)布考試任務,可以方便地進行監(jiān)考、評分等工作。

目前,基于超星平臺的學習通軟件,教學團隊基本完成了課程教學資源的信息化建設,實現(xiàn)了線下教學和線上線下混合式教學模式,學生與老師之間主要通過學習通、微信、郵件進行互動交流。老師通過學習通與超星一平三端平臺發(fā)布各種教學資源、作業(yè)任務、討論題目等,學生可以隨時查看,完成學習任務、作業(yè)、解答習題后,又可輕松上傳學習結(jié)果。同時,結(jié)合微信、QQ、騰訊會議等軟件,強化了師生之間的互動交流、實時討論,教師可針對性地對學生進行個性化指導,引導學生學什么、如何學,方便開展啟發(fā)式教學和科學思維方法與自學能力的培養(yǎng),強化了學生的自主學習,實現(xiàn)了師生隨時、隨地溝通與交流。

線下課堂教學主要進行重點、難點知識單元的詳細講解,而線上教學模式的探索,主要進行以學生為主的自主式學習,學生們結(jié)合教學和微視頻課件的SOPC學習,進行習題例題疑難討論,熱點問題搶答,分析總結(jié)教學單元,便于后續(xù)課程單元的針對性講解。還會實時更新和完善。

4 精選實驗內(nèi)容,增補虛擬實驗

結(jié)合通信工程專業(yè)認證,基于OBE理念,積極探索,以大學生創(chuàng)新實踐技能培養(yǎng)為目標,進行實踐教學研究改革,精心設計實踐教學環(huán)節(jié)。理論聯(lián)系實際,將線下課堂教學與實踐教學密切結(jié)合。相比以往實驗教學,此次探索注重提升實踐教學比重。為此,團隊通過專題研討,進行實踐實驗教學環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀分析,改進不足,重新修訂了“微機原理與接口技術(shù)實驗”課程教學大綱,明確了課程教學目標,使其緊密支撐工程認證的畢業(yè)要求指標點,確定每個實驗項目內(nèi)容、學時、教學方法,補充虛擬實驗平臺,完成網(wǎng)上資源建設,增加創(chuàng)新性、綜合性、自主設計實驗內(nèi)容,并設置合理的考核方式。如表4所示為實踐教學單元設計主要模塊。

表4 實踐教學單元主要模塊

進行線下實踐教學的同時,課后還可以通過線上碎片化自主學習特點,借助“微機原理與接口技術(shù)”的虛擬實驗平臺,讓學生們可以自己完成相關(guān)單元的實驗模塊,開展虛擬教學實驗。例如,我們采用的某公司生產(chǎn)的“微機接口虛擬實驗系統(tǒng)” 中的“虛擬實驗平臺”就包含了虛擬接口電路和虛擬實驗操作臺。虛擬接口電路是實驗程序和虛擬實驗操作臺的連接通道[3],包含了實驗中常用的I/O接口芯片,有8253、8255、8251、8259、A/D、D/A等,具有與實際芯片相同的功能,并能與實際微機實現(xiàn)“連接”,能夠被實際的實驗程序所訪問,也即對調(diào)試程序而言與真實的存在幾乎沒有差別?！疤摂M實驗操作臺”主要包括常用的外圍單元電路,如指示燈、數(shù)碼管、鍵盤、開關(guān)傳感器、步進電機等,是一個交互性較強的可視化界面,不僅可以指示或反映出實驗的結(jié)果,同時學生可以通過鼠標來進行模擬的連線和使用虛擬測試儀器進行檢測等操作[3],方便學生通過網(wǎng)絡進行線上虛擬實驗。

另外,教學團隊在開展實踐教學的同時,積極鼓勵學生參與實踐性的比賽和指導學生進行畢業(yè)設計。教師們認真指導學生參與大學生電子設計大賽、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃,其中,一名教師獲得了蘭州大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)優(yōu)秀指導教師獎,一名教師指導的學生參加第二屆全國大學生計算機能力挑戰(zhàn)賽(甘肅賽區(qū)AI+),獲得了甘肅省大學生人工智能大賽一等獎。暑期學校期間,教師們積極講授嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實踐、基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)應用與開發(fā)、電子工藝實習實踐等教學內(nèi)容,如表5所示。這些舉措既能夠普遍提升學生的實踐能力,又能夠有針對性地提升部分優(yōu)秀學生的綜合工程實踐的應用能力,同時對課程團隊教師自身的教學水平、實踐能力、工程應用能力的提升以及指導學生畢業(yè)設計能力的提升都起到了很好的促進作用。

表5 微型計算機原理與接口技術(shù)團隊暑期學校進行結(jié)合大賽的特色教學實踐活動

5 教學科研結(jié)合,積極促進教學團隊建設

實踐證明,教學科研相輔相成,“微機原理與接口技術(shù)”這門課程具有實踐性強,且結(jié)合前沿科技發(fā)展,并與科研緊密結(jié)合的特點。移動通信技術(shù)的發(fā)展,5G標準的誕生和5G終端的研制,離不開集成度更高的5 nm以下多核快速低功耗新型CPU芯片的支持,50年來微處理器技術(shù)的發(fā)展更進一步表明更低功耗、更快速度、更強大的處理性能是CPU發(fā)展追求的永恒的主題,無人駕駛技術(shù)更離不開多種高性能的嵌入式處理器芯片的支持,同時更加依賴于基于實時嵌入式操作系統(tǒng)和多種外部信息采集的高靈敏度傳感器技術(shù)的發(fā)展。人工智能技術(shù)的發(fā)展,特別是深度學習的應用更需要高速的圖形圖像處理的GPU技術(shù)、仿人腦神經(jīng)網(wǎng)絡信息并行計算技術(shù)的支撐,而美國對高技術(shù)的封鎖,迫使我們培養(yǎng)能夠自主創(chuàng)新、獨立自主地實現(xiàn)國產(chǎn)化研發(fā)的高素質(zhì)人才,華為自主研發(fā)海思ARM芯片、鴻蒙操作系統(tǒng)、深度學習云平臺等更需要我們國家培養(yǎng)出大批創(chuàng)新意識強、綜合科研素質(zhì)好的研究型人才。顯然,這對我們課程團隊提出更高的要求,我們要不斷學習、研究、跟蹤新技術(shù),并將其有機融入教學活動中,用科研支持教學,不斷探索改進教學方法。

課程團隊積極向同行專家學習、互相交流,如表6所示為部分學習的講座報告。

表6 教學團隊參加學習與培訓活動總結(jié)

經(jīng)過教學實驗團隊的多年努力,蘭州大學信息與工程學院已經(jīng)形成了一個中青年教師為主、老中青相結(jié)合的教授、副教授、講師、助教構(gòu)成的“微機原理與接口技術(shù)”課程業(yè)務水平扎實的教學團隊,團隊中經(jīng)驗豐富的老教授傳幫帶,加快了團隊的穩(wěn)步成長,團隊成員都獲得博士學位,具備較扎實的科研積累和較好的教學水平。大家積極投入教學改革,持續(xù)探索科研與教學的融合更新、教學方法的不斷改進、課件講義的不斷提煉、實驗與學生創(chuàng)新實踐技能探索等各項活動,制定了一套完整的課程建設計劃和團隊建設制度,不斷加強團隊合作、教學研討和經(jīng)驗交流,促進教師教學發(fā)展,加快課堂教學改革,提高團隊實力和整體教學質(zhì)量。

6 結(jié)語

蘭州大學“微機原理與接口技術(shù)”課程教學團隊經(jīng)過20多年來積累的線下課程建設經(jīng)驗和扎實的教學研究成果,結(jié)合最近三年多來的線上資源建設、線下線上混合式教學模式的探索,已經(jīng)取得明顯的效果:

(1) 結(jié)合通信工程專業(yè)認證,基于OBE理念調(diào)整了課程內(nèi)容,改革了考核方式,修訂了2019版課程大綱,更新了全部教案,同時精選實驗模塊,增補虛擬實驗,進行實驗教學線下線上混合模式新探索。

(2) 基本完成線上教學資源建設,熟悉了線上線下教學和反轉(zhuǎn)教學,形成了課程線上化建設報告。

(3) 課程思政建設初見成效。思政內(nèi)容融入課堂教學,激發(fā)大學生愛國情懷、理想信念、勇于探索的科研攻關(guān)精神。

(4) 團隊成功通過2020年度甘肅省一流本科課程建設申報,形成了分工明確、團結(jié)上進、積極探索的教學團隊。

總之,“微機原理與接口技術(shù)”這門課程內(nèi)容繁多、概念瑣碎、需要記憶的知識點多,微型計算機技術(shù)發(fā)展快,新技術(shù)與新知識大量涌現(xiàn),更加需要我們關(guān)注實踐和應用,當前形勢下,需要進行線上、線下、線下線上混合教學多種模式的探索建設。實踐表明:團隊基于混合式教學模式的“微機原理與接口技術(shù)”課程教學具有良好的教學效果,對于培養(yǎng)自主創(chuàng)新的科學探索精神的高素質(zhì)專業(yè)人才具有重要的現(xiàn)實意義。