“微机原理与接口技术”教学改革探索_廖文江.pdf

信息化与计算机教育本栏目责任编辑：王力Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第3期(2023年1月）第19卷第3期(2023年1月）“微机原理与接口技术”教学改革探索廖文江，于丽杰，方建军（北京联合大学 城市轨道交通与物流学院，北京 00101)摘要:文章分析了微机原理课程教学存在的内容陈旧、概念难懂、实验少等难题,探索课程的SPOC混合式教学的内容构建与课堂组织、尝试翻转课堂等教学方法改革,引入虚拟软件对课内课外实验进行拓展与探索。教改已连续多年在轨道交通信号与控制专业进行课改实践,充分调动起该专业学生学习课程的主动性,帮助学生建立起完整的微机软硬件知识体系架构，取得了良好的教学效果。关键词：微机原理；SPOC混合式教学；翻转课堂中图分类号：G424文献标识码：A文章编号：1009-3044(2023)03-0131-03开放科学（资源服务）标识码(OSID)：“微机原理与接口技术”是电子信息类专业的一门重要学科必修课，其教学目标是培养学生微机方面的基础知识、了解CPU内部组成与工作原理、掌握汇编语言设计以及相关接口技术等,提升学生对软硬件综合认知与解决实际问题的动手能力。该课程涉及的基础概念众多,知识覆盖范围广,教材内容更新较慢、教学方式单一、课内实验学时有限使得该课程的教学实践难取得满意的教学效果。如何能让学生理解这些抽象又晦涩难懂的概念、复杂的理论知识、汇编语言编程技术及硬件接口,是今后课程教学实践亟待解决的问题。笔者在总结以往课程的教学经验基础上结合本校应用型人才的培养目标1,从课程内容、教学方法、实验手段以及课程考核等方面对课程进行教学改革探讨，提出相应的改革措施与尝试。1 微机原理课程教学现状与问题1.1 教学内容陈旧课程教材内容陈旧，选型CPU落后于微处理器的发展,课程所学与技术革新后的计算机系统存在着设计和运用鸿沟，学生无法将新技术与课内知识建立起有效的关联,很难理解该课程的学习意义,易失去课程的学习兴趣导致学习动力不足，难以调动学生的学习积极性和主观能动性。1.2 教学方法单一课程的课堂教学多以授课教师课堂上口述和板书为主,课程内容涉及的基础概念比较多、专业词汇晦涩难懂、接口芯片多、内容抽象,学生觉得枯燥乏味提不起兴趣,学习积极性不高。这样的传统的教学手段单一，且教师还不能及时了解学生对课程知识点的掌握情况,无有效途径获得造成学生听不懂的原因和困难，总体教学效果很不好。1.3 实验环节薄弱课程实践性较强，需具备一定的电路设计与编程能力,但多数的微机原理课程使用实验箱电路接线形式，大部分器件已经固化,可用于开设的创新实验的教学器件有限且不能随意改动,只能按实验指导书编写流程进行操作,实际操作少且较简单2,实验未能完成学生对理论课程内容深层次认知,缺少自主探索知识的兴趣,亦无法满足学生进行创新性与综合性设计,未能有效果实现对学生在电路和编程等方面综合能力、创新能力的培养。1.4 考核方式局限性大目前课程的考核方式有两个部分：期末笔试考试成绩,这对学生掌握教材上的微机原理理论知识点具有促进作用；平时考核含课堂表现、出勤与实验操作等成绩，课程考核方式局限性很大。2 教学改革措施2.1 借力慕课的教学内容的改革受限于课程学有限时与内容陈旧，课改尝试基于具有丰富在线资源的MOOC平台进行混合式SPOC教学。优选出以可利用碎片化时间、可重复、可自主选择性学习为特色的慕课MOOC视频教学资源,可满足收稿日期：2022-08-15基金项目：北京联合大学2020年度教育教学研究与改革项目(JJ2020Y028)。作者简介：廖文江(1975)，男，四川宣汉人，讲师，工学硕士，主要从事大数据、嵌入式、机器学习、轨道信号与控制等方面的教学与研究；于丽杰(1970)，女，通信作者，内蒙古通辽人，副教授，工学博士，研究方向为交通运输、人工智能与自动化；方建军(1970)，男，湖北罗田人，工学博士，教授,研究方向为模式识别与智能机器人系统、机器视觉。E-mail：http：/Tel：[phone] 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.19,No.3,January2023131DOI:10.14004/ki.ckt.2023.0118本栏目责任编辑：王力信息化与计算机教育Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第3期(2023年1月）第19卷第3期(2023年1月）本课程学生学前知识系统差异性,提升学生学习能力和兴趣。以学校人才培养计划为基础优化课程教学内容,理顺知识点间的关联性,兼顾课程内容的先进性、时代性,科学合理地吸取与课程相关的新技术，兼顾学生知识储备与课程的教学目标，对课程内容进行优化和重塑,编写适合线下线上相结合的混合式教学大纲,规划设计线上、线下以及混合式协同的教学内容设计。线上教学组织主要是将课程中的基本原理和概念借助慕课平台上优秀教学资源有规划有目的地引导学生课外自主完成这些教学内容的学习，实现拉平学生间已有知识系统的不均衡。利用中国大学慕课平台工具设置作业与单元测、互评、线上讨论区等互动，得到课外学生的学习状态、学习难点等信息，挖掘出学习者的特征规律、诉求等，并以此为学生定制个性化的学习策略和学习方法,助力课程学习效果。线下课堂教学主要是加大师生间多样性的互动交流教学设计、有效组织开展研讨性学习,对线上教学部分的知识提炼与答疑，为学生提供个性化、深度的学习指导,实现本课程的线上线下有机融合构建完整的教学内容体系，注意将人才能力培养同个体差异化学习需求相结合，进而实现调动并激发起学生的学习积极性、主动性和课堂参与度。线上线下混合式教学课程资源库的协同建设则以可作为本课题课改主要参考的MOOC资源的西安交通大学吴宁老师的国家级在线精品课 微机原理与接口技术 为基础资源进行SPOC课程建设3，在原有线上资源共有12个教学单元、10个单元测试、55讲视频资源基础上，结合本校学情在教改过程中依据教学需求线上增补慕课教学资源：为每个教学单元增补14个作业、依据情况增补12个自制的视频资源；为每讲视频配以12个随堂测试、12个视频提问、12个讨论和富文本；线下雨课堂6尝试部分教学活动使用，同时为每个视频增设12个专项练习(1个测试专业词汇、1个测试专业知识）、12个讨论、1个公告和01个调查问卷等。2.2 教学方法的改革仅在课程教学过程中引入MOOC资源依然无法取得良好的学习效果，需在引入混合式教学的实践过程中教师要依据教学内容、阶段的不同采用合适的教学方法,如问题启发教学、案例迁移教学、提问式研究性教学等方法，多年的课程教学经验表明示例教学法对较抽象的微机原理课程学习很有帮助。翻转课堂教学改变了传统以教师为中心的教学模式,转以学生和知识为中心,有效促进学生的自主学习,同时也提升了课堂教学与组织的效率。积极探索翻转课堂在本课程的教学改革尝试,帮助学生摆脱对教师传统的依赖性,调动学生主观能动性,培养其自主探究式的学习能力，提升综合能力的目的，养成主动学习、主动思考的习惯，引导学生完成理论知识体系的内化,提升学生对理论知识应用能力。(1)教师做好翻转课堂研讨式教学的组织者。依据MOOC平台上提供的学生学习相关数据与反馈兼顾学生的知识背景差异性，积极优化调整教学内容的测验与习题、话题、讨论等开展线下线上相结合的SPOC混合式的教学实践3，通过翻转课堂教学促学生在自主过程中的 微机原理与接口技术 课程理论知识内化。线下课堂教师精讲、提炼课程各单元核心知识点，同时抛出相关问题,与同学们一起探讨互动交流,鼓励提出自己独立的见解,授课教师可对问题进行最终的点评,鼓励学生带着未知的问题课下进行探究式学习以调动其学习积极性。例如：在介绍8086微处理器的相关章节中寻址操作时,可设计抛出讨论问题依据寻址操作的特点，可归成几大分类？也可利用雨课堂弹幕、投票或幕课堂等工具课上积极引导学生参与课堂讨论发表见解，教师可最后凝练总结本节次课程核心知识点，有计划、有步骤地推进课程。(2)助力探究式学习，践行教师的教育树人育人的作用。针对线上自主学习时遇到的问题进行答疑解惑,引导学生进行探究讨论式学习解决问题,对学生的优秀或典型作业开展宣讲、项目答辩等多元化的课堂教学形式4。为学生设计些有现实意义的课内实践微项目,指导作用辅助学生在实践中完成学习任务，实现将微机原理课程的理论知识与生产实际完美地结合在一起，既可以培养学生的自学能力和团结协作能力，变以往验证性实验为综合性、创新性实验。同时在教师的指导下，可自主选择感兴趣的题目或自拟题目,独立设计部件和编写程序,以培养学生提出问题、分析问题、解决问题的兴趣和能力。(3)多样化的教学手段做学生全方位知识体系的塑造师。课内生僻的概念、理论较多使用类比教学法,变原本抽象的原理或概念为形象具体生动,且易被学生理解和接受。采用案例教学法,融合生活中常见的实例来进行课程教学,例如家庭生活中较普遍的居家智能机器人、智能密码锁等设备作为实例案例讲解其设计过程1。启发式教学通过这种方式提高学生的动手能力,调动学生学习的积极性,促使尽可能多的学生主动参与到教学中,教学就不再是单向的教师讲学生听记的形式,而是更加注重课上师生间的互动交流,有助于提高课堂教学效果。通过全方位多种方法的课程教学帮助学生构建计算机基础知识架构,深化学习内容,实现全面提升学生思维能力与整体综合素质。2.3 实验实践教学改革在实验教学方面的改革探索主要是提高汇编语言的应用能力以及加强对 8086 CPU 硬件的认知，通过增设综合性和设计性的实验项目,培养学生解决问题的能力强调实验的综合性、实用性及分阶难度。通常国内高校的微机原理课程的课内实验学时较少,易导致学生对实验环节的不重视,可通过引入软件进行虚拟仿真实现的教学改革尝试，可将一些硬件无依赖且非必须在实验室内进行的实验延伸到实验室外进行提高教学质量,弥补传统微机原理课程实验教学学132信息化与计算机教育本栏目责任编辑：王力Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第3期(2023年1月）第19卷第3期(2023年1月）时有限、内容不连续关联度差、实操少的不足。(1)汇编语言程序设计部分的实验。8086处理器的汇编语言是学习本门课程的基础，可在课外设计分阶多样的以谙熟汇编语言程序设计的实验使学生能巩固汇编指令、掌握语法规则。汇编语言程序的实验无须在指定实验室和真实硬件上操作,可在EMU8086仿真软件里编写汇编程序，实现模拟微处理器在汇编指令控制下的内部操作,同步查看CPU内部寄存器和外部存储单元内容和变化等深入理解并掌握汇编指令执行机理，学生可设置调试窗口以观察变量与堆栈变化等,形象具体,理解深刻2。(2)硬件及接口部分的实验。Proteus虚拟仿真软件可以实现硬件电路实物仿真、PCB电路板设计并提供代码仿真调试等功能。课改引入该软件可完成8086微处理器以及相关外围接口芯片、内存扩展、串并行接口、AD/DA 转换、中断等硬件方面的仿真实验2。鼓励学生课外利用 Proteus 仿真软件在进行开放性实验的设计,构建最小微控系统以及在此基础上进行复杂的工程应用问题的探究与创新尝试。实验教学引入EMU8086和Proteus两款虚拟仿真软件主要方便授课教师进行课外的实验组织与设置，鼓励学生结合自身的专业及兴趣课下完成若干有意思、创新性的实验小项目训练,激发对其本课程的学习兴趣和自学能力。基于虚拟仿真软件的课外实验项目已成为该课程的重要组成部分,其针对性的知识点实践训练较好地实现了对微机原理的相应知识点的理解,学生有效掌握了8086处理器的汇编程序设计、微控系统接口电路的搭设,提升了学生的软、硬件综合应用创新能力,是对提升学生实践能力、创新思维能力的有力支持，同时极大的锻炼了学生实际动手操作能力。在实验课堂上主要完成基于任务驱动的综合性实验的设计,重视创新能力培养的实验教学引入过程考核并要求学生分组完成以培养学生的团队协作能力和实践操作能力。自主选择题目,独立程序设计和代码编写,培养学生提出问题、分析问题、解决问题的兴趣和工程开发能力。组织组内讨论使得每位同学都能够逐渐明白相应知识点内容,增强对微机系统的整体理解,提高创新能力和探索能力的培养。实验完成后进行实验成果演示及模拟项目答辩,老师根据该组同学展示的完成情况、分工、难易程度及实验过程中遇到的问题向小组内的每个同学提问并进行相应的考核6。2.4 课程考核模式改革基于混合式教学的微机原理课程考核分为平时和期末考卷两大考核部分，适度提高平时考核点和占比，实现考核的多样化和合理性。平时考核部分包含线上和线下两个部分组成,其中线上考核内容依据平台数据进行，主要对学生的自主学习线上学习的过程性的考核，如：线上视频与资源观看率和观看时长、在线练习和单元评测完成情况及互动话题、讨论的参与度等情况；线下课堂成绩则由上机实践情况与实验报告、课堂出勤率、线下课堂研讨参与度、针对线上视频自学与预习情况检查的课前测验和课堂内容的课中知识测验等模块共同组成。而期末试卷考核则采用笔试试卷和线上期末试卷的相结合的考试方式，并设置合理线上、线下试卷在期末试卷总成绩的占比4。借力慕课平台的雨课堂小程序发布课前课中课后教学课件、评测以及作业和实验，能使得课程考核方式更加多元，引导学生积极参与，起到较好的督促提醒的作用,使得过程考核更加细致全面科学，平时成绩考核改革评测：(1)利用雨课堂的扫码签到计入课程的考勤成绩(10%)、发布课中作业、讨论、练习等内容以学生预习完成情况、课堂问题完成情况计入课程表现成绩(20%)3；(2)课后SPOC平台及时发布课后作业，并通过平台集中批阅主观题作业(30%)；(3)以实验报告、课内提交编码占比课程的实验成绩(20%)；(4)引入课程内项目训练案例的过程量化考核(20%)。克服了传统考核过程中客观性和公正性的不足，切实提升了平时成绩、实验成绩评定的量化准确性与时效性，可操作性强,强化全过程考核和多维考核，避免期末课程考核仅依赖于试卷的不足5。3 总结本次教学改革分析微机原理课程教学存在的问题,充分注重实践与理论相结合、因材施教,利用MOOC资源结合本专业学生的认知程度以及课程知识特点,对传统教学进行创新与改进开展了SPOC教学达到改善教学效果，受益学生达 300多人,学生的自主学习能力、解决实际问题的综合能力、动手能力和创新创业能力有了较大提高。在今后持续教学改革中,将根据不同专业的学生学习进一步优化教学项目设计和实施方案，尝试多样化教学方式,不断适应学习模式及个体需求变化,使得教学工作可持续良性发展。参考文献：1 潘继强,郑坤,陈勇,等.新工科背景下微机原理课程混合式教学实践与思考J.电脑知识与技术,2022,18(22):149-151.2 刘丽丽,刘同礼,金小香.基于CDIO理念的“微机原理与应用课程设计”的实验教学改革研究J.电子测试,2022,36(10):127-129.3 葛芬,王毅,陈未央,等.线上线下混合式教学模式研究与实践以“微机原理与应用”课程为例J.教育教学论坛,2022(19):121-124.4 张洁.基于MOOC+SPOC+翻转课堂的“微机原理与接口技术”混合教学模式研究J.电脑知识与技术,2022(11):167-168,180.5 王桂兰,秦金磊,朱有产.微机原理与接口技术课程改革研究J.教育现代化,2019,6(12):74-76,102.6 郭双冰,陈振坤,陈玉珍.MOOC+SPOC+翻转课堂混合式教学模式的实践研究以河南科技学院微分方程数值解课程为例J.河南教育（高等教育）,2021(9):52-53.【通联编辑：唐一东】133