突出分層分類培養(yǎng)教學(xué)模式的微機(jī)原理課程改革

戴永壽 孫偉峰 楊華 李立剛 陳真

摘要：為有效實施分層分類培養(yǎng)目標(biāo)，對電氣信息類專業(yè)基礎(chǔ)課“微機(jī)原理”開展全方位立體化教學(xué)改革，文章提出構(gòu)建分層分類培養(yǎng)的課程教學(xué)模式，建設(shè)“學(xué)習(xí)型”教師隊伍，建立課程教學(xué)內(nèi)容動態(tài)調(diào)整機(jī)制，優(yōu)化課程體系，保證教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性和專業(yè)適應(yīng)性，整合優(yōu)化教學(xué)資源，強(qiáng)化教學(xué)平臺建設(shè)，以期形成符合課程特點的教學(xué)方法和考試方法，較好發(fā)揮“助學(xué)”和“引領(lǐng)”作用。

關(guān)鍵詞：微機(jī)原理；分層分類培養(yǎng)；學(xué)習(xí)型教學(xué)，教師主導(dǎo)

背景

面對創(chuàng)辦高水平研究型大學(xué)的發(fā)展目標(biāo)，2012年中國石油大學(xué)提出并確立了“三三三”本科人才培養(yǎng)新體系，構(gòu)成了本科教育的頂層設(shè)計。“三三三”即“三型”“三化”和“三性”，“三型”是指辦學(xué)定位要立足實施精英型教育、打造特色型教育、推進(jìn)研究型教育，“三化”指培養(yǎng)目標(biāo)要實現(xiàn)學(xué)生的全面化、個性化、最大化成長，“三性”是指教學(xué)方式上要貫徹學(xué)習(xí)性教學(xué)、研究性學(xué)習(xí)、開放性交流。

“微機(jī)原理”課程是國家教育部規(guī)定的綜合性大學(xué)電子信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是信息與控制工程學(xué)院自動化、測控技術(shù)與儀器、電氣工程及其自動化、電子信息工程4個信息類專業(yè)和理學(xué)院的應(yīng)用物理、光信息專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是電子信息工程專業(yè)的專業(yè)核心課程。該課程的目標(biāo)是使學(xué)生從理論和實踐上掌握微型計算機(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，具備運用現(xiàn)代微機(jī)技術(shù)進(jìn)行軟、硬件系統(tǒng)開發(fā)的能力。授課內(nèi)容包括微機(jī)系統(tǒng)工作原理、匯編語言程序設(shè)計和微機(jī)接口技術(shù)3部分，涉及的知識點多，涵蓋面廣，內(nèi)容抽象，理論性、實踐性及應(yīng)用性強(qiáng)，學(xué)生較難理解和掌握。在新的培養(yǎng)體系及新版培養(yǎng)方案下，該課程教學(xué)面臨以下新變化：

（1）學(xué)時縮減。理論授課學(xué)時由64學(xué)時縮減為56學(xué)時，實驗學(xué)時由32學(xué)時縮減為24學(xué)時。

（2）開課學(xué)期提前。開課時間由三年級上學(xué)期提前到了二年級下學(xué)期，課程結(jié)束后的夏季小學(xué)期開設(shè)單片機(jī)原理與接口以及單片機(jī)系統(tǒng)實訓(xùn)兩門課程。

新形勢和新變化使得本課程的教學(xué)面臨以下亟待解決問題：

（1）授課采用統(tǒng)一的教學(xué)模式，不能很好地滿足分層分類培養(yǎng)的需要。

（2）授課內(nèi)容與先修及后續(xù)課程存在一定重復(fù)，教學(xué)內(nèi)容缺乏先進(jìn)性，與實際應(yīng)用脫節(jié)。

（3）存在內(nèi)容多、難度大與學(xué)時短之間的矛盾。

（4）實驗內(nèi)容以驗證性實驗為主，不能很好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新及應(yīng)用能力。

（5）自主開放性學(xué)習(xí)條件不足，自主學(xué)習(xí)空間有待拓展。

新的“三三三”本科人才培養(yǎng)體系與理念對課程教學(xué)提出了更高要求，高等學(xué)校人才進(jìn)行分層分類培養(yǎng)已經(jīng)成為各方利益相關(guān)者共同的訴求，分層分類培養(yǎng)有助于學(xué)生形成比較明確的發(fā)展規(guī)劃，提高學(xué)生對所在專業(yè)和院校的滿意度，尤其是當(dāng)分層分類培養(yǎng)模式與其自身發(fā)展目標(biāo)相一致時，效果更為明顯。微機(jī)原理課程在電氣信息類專業(yè)課程體系中占有重要地位，針對其進(jìn)行分層分類教學(xué)模式研究和探索實踐，對提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力和微機(jī)技術(shù)應(yīng)用能力具有重要的意義。為了穩(wěn)步推進(jìn)分層分類培養(yǎng)，課程組在分層分類培養(yǎng)模式構(gòu)建、更新教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化課程體系、教學(xué)方法改革、課程資源整合優(yōu)化和教學(xué)環(huán)境平臺建設(shè)等多方面開展了全方位立體化研究和探索實踐。

2分層分類教學(xué)模式構(gòu)建

微機(jī)原理課程的授課對象主要包括4個電氣信息類專業(yè)基礎(chǔ)班、自動化拔尖班以及電氣卓越工程師班3大類，不同專業(yè)、不同類別班級的培養(yǎng)目標(biāo)存在差異。對于普通班的學(xué)生，應(yīng)注重其對微機(jī)系統(tǒng)整體性、全面性的理解與掌握，培養(yǎng)軟件編程與硬件設(shè)計的基本能力；對于拔尖班的學(xué)生，應(yīng)著重培養(yǎng)其設(shè)計及創(chuàng)新能力，實現(xiàn)最大化成長；對于卓越工程師班的學(xué)生，應(yīng)側(cè)重培養(yǎng)其創(chuàng)造能力、開發(fā)能力、獨立分析和解決問題的能力以及團(tuán)隊協(xié)作能力。改革前本課程的教學(xué)基本上采用統(tǒng)一的模式，沒有體現(xiàn)出培養(yǎng)上的差異性。

為了實現(xiàn)“三化”培養(yǎng)目標(biāo)，針對不同類別層次的授課群體，可結(jié)合不同專業(yè)的培養(yǎng)方案開展分層分類教學(xué)模式的研究，在教學(xué)內(nèi)容、課程體系、教學(xué)方法、考試方式、教師自我學(xué)習(xí)等方面探索多元化的教學(xué)模式。分層分類培養(yǎng)模式和課程改革設(shè)計方案如圖1所示。

首先，優(yōu)化課程體系，與相關(guān)專業(yè)課程負(fù)責(zé)人討論溝通，理順微機(jī)原理課程與其先修及后續(xù)課程的關(guān)系，做到有所側(cè)重。比如，對于存儲器部分，數(shù)字電子技術(shù)課程著重介紹存儲器的概況及容量擴(kuò)展方法，而微機(jī)原理課程中的存儲器部分重點講解其與CPU之間的連接；對于接口部分，單片機(jī)原理與接口課程重點介紹接口芯片及其應(yīng)用方法，而微機(jī)原理課程著重介紹接口設(shè)計的基本原則、方法以及與CPU的連接方式。通過課程體系的優(yōu)化，構(gòu)建更加科學(xué)合理的能力素質(zhì)培養(yǎng)結(jié)構(gòu)。

其次，在新的課程體系下，將微機(jī)原理課程的改革分為理論教學(xué)改革與實驗教學(xué)改革兩部分。理論教學(xué)部分仍然以8086為主線開始介紹，學(xué)生易于理解，保證課程內(nèi)容的基礎(chǔ)性。探索采用模塊化教學(xué)的方法，將課程內(nèi)容劃分為3個一級模塊，注重模塊之間的相互聯(lián)系，增強(qiáng)課程內(nèi)容的系統(tǒng)性。為保證課程知識體系與現(xiàn)代微機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展相適應(yīng)，將微機(jī)原理的前沿技術(shù)合理地融入到各個模塊之中，不斷汲取新知識，提升教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性，實現(xiàn)學(xué)習(xí)性教學(xué)。針對不同類別的授課對象，探索實施分層分類教學(xué)的有效方法，在教學(xué)內(nèi)容上有所側(cè)重，教學(xué)方法上體現(xiàn)差異。比如，對普通班學(xué)生重基礎(chǔ)，注重從系統(tǒng)性角度講解微機(jī)的構(gòu)成及基本工作原理、軟件編程及硬件接口設(shè)計的基本方法；對拔尖班的學(xué)生重創(chuàng)新，采用問題式、探究式等教學(xué)方法，使其開展研究性學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的意識和能力，實現(xiàn)其最大化發(fā)展；對卓越工程師班的學(xué)生重應(yīng)用，采用項目驅(qū)動，團(tuán)隊協(xié)作等方式，強(qiáng)化接口設(shè)計和綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練。實驗教學(xué)重點從實驗內(nèi)容與實驗方式兩個方面開展改革研究。在實驗內(nèi)容上，結(jié)合分層分類教學(xué)的要求，合理增加設(shè)計性與創(chuàng)新性實驗的比例；在實驗方式上，搭建虛擬實驗環(huán)境，增強(qiáng)實驗的靈活性與開放性。

再次，完善優(yōu)化課程網(wǎng)站質(zhì)量，利用理論與實驗教學(xué)改革的成果及時更新網(wǎng)站內(nèi)容，探索增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性的方法，為學(xué)生搭建起自主、開放的學(xué)習(xí)與交流平臺，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)空間。通過開展一系列的改革舉措，積極推進(jìn)本課程的質(zhì)量建設(shè)，探索學(xué)習(xí)性教學(xué)、研究性學(xué)習(xí)、開放性交流的有效方法，為實現(xiàn)學(xué)生的全面化、個性化、最大化發(fā)展提供有效途徑。

3教學(xué)內(nèi)容動態(tài)更新和課程體系優(yōu)化

3.1依據(jù)專業(yè)培養(yǎng)方案，建立課程內(nèi)容動態(tài)調(diào)整機(jī)制

課程組通過調(diào)研國內(nèi)高水平大學(xué)信息類專業(yè)“微機(jī)原理”課程設(shè)置及改革進(jìn)展，邀請院領(lǐng)導(dǎo)、專業(yè)負(fù)責(zé)人及相關(guān)課程教師，圍繞各專業(yè)教學(xué)大綱開展多輪教學(xué)研討，強(qiáng)化任課教師對授課專業(yè)的了解和相關(guān)專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，在理論教學(xué)、實驗教學(xué)開展全方位分層分類教學(xué)改革探索。微初原理課程是4個專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，各專業(yè)應(yīng)用技術(shù)計算機(jī)化，計算機(jī)學(xué)習(xí)4年不斷線；同時，各專業(yè)計算機(jī)基礎(chǔ)理論相同但應(yīng)用側(cè)重點又有差異。第4學(xué)期開設(shè)的微機(jī)原理不僅是各專業(yè)計算機(jī)類課程群的核心課程，同時起著承上啟下的橋梁和紐帶作用。微機(jī)原理作為各專業(yè)面向應(yīng)用的計算機(jī)軟硬件技術(shù)基礎(chǔ)課程，為后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程提供基礎(chǔ)和方法，要求不僅能夠在修訂完善培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)計劃過程中根據(jù)各專業(yè)實時調(diào)整課程本身教學(xué)內(nèi)容，同時根據(jù)調(diào)整反饋信息對其他計算機(jī)基礎(chǔ)課程和電類基礎(chǔ)課程做出相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容更新，逐步建立課程教學(xué)內(nèi)容動態(tài)調(diào)整機(jī)制，以專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)為線、課程層次平臺為面，線面結(jié)合，高效合理發(fā)揮師資優(yōu)勢，實時動態(tài)、堅持不懈地調(diào)整課程教學(xué)內(nèi)容，保障教學(xué)內(nèi)容先進(jìn)性。課程內(nèi)容動態(tài)調(diào)整機(jī)制如圖2所示。

3.2根據(jù)各專業(yè)特點及后續(xù)課程需要，建立課程教學(xué)模塊化結(jié)構(gòu)

微機(jī)原理課程體系及知識模塊設(shè)置分為基礎(chǔ)和接口技術(shù)兩部分。基礎(chǔ)部分包括4個模塊：基本工作原理、匯編編程、基本接口技術(shù)和微機(jī)原理實驗，是各專業(yè)的必修內(nèi)容。選修組合（接口）有6個模塊，各專業(yè)可根據(jù)本專業(yè)的特點和學(xué)時以及后續(xù)課的需要，選擇不同的模塊進(jìn)行組合。課程教學(xué)模塊化結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.3做學(xué)習(xí)型教師，保證教學(xué)內(nèi)容先進(jìn)性和專業(yè)適應(yīng)性

為了有效實施對各個專業(yè)的分層分類培養(yǎng)，結(jié)合各專業(yè)培養(yǎng)方案改革教學(xué)內(nèi)容，新版教學(xué)大綱在廣泛調(diào)研、征求意見和多次討論反饋最終形成。課程組明確了相對穩(wěn)定的對應(yīng)專業(yè)授課教師，要求任課教師加強(qiáng)對所授課程專業(yè)的深入了解和相關(guān)專業(yè)的知識學(xué)習(xí)，更新擴(kuò)充教學(xué)內(nèi)容。不同專業(yè)、不同類別班級都分別制定了相對應(yīng)的教學(xué)日歷，增強(qiáng)專業(yè)適應(yīng)性，保證教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性、科學(xué)性。各專業(yè)新增和擴(kuò)充內(nèi)容見表1。

4整合優(yōu)化教學(xué)資源，強(qiáng)化建設(shè)課程學(xué)習(xí)平臺

4.1完善優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源和課程中心

（1）按省級精品課程要求建成教學(xué)網(wǎng)站，完全開放，資源共享，創(chuàng)造良好的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)使用環(huán)境。

（2）教學(xué)網(wǎng)站新增的內(nèi)容包括：教學(xué)課件、習(xí)題解答、視頻講解、教學(xué)仿真動畫、虛擬平臺、知識園地、實踐應(yīng)用案例、在線自測系統(tǒng)、網(wǎng)上考試系統(tǒng)、3種途徑的互動交流平臺（微信、QQ群、論壇）等。

（3）整合優(yōu)化。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，為研究性教學(xué)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)的開展提供有力保障，也為新教師定位課程和把握教學(xué)提供參考，達(dá)到助學(xué)助教的目的。

（4）部分資源遷移至“清華在線”教學(xué)平臺。該平臺功能強(qiáng)大，互動性更好，能夠幫助教師開展布置作業(yè)、組織討論、輔導(dǎo)答疑、在線測試等教學(xué)活動。

4.2加強(qiáng)全方位立體化實驗條件建設(shè)

1）構(gòu)建多模式實踐環(huán)境。

通過自主開發(fā)建設(shè)，建成多模式多層次實驗條件和實踐環(huán)境，包括2種方式（實際操作實驗、網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗）和3個層次（實驗室指導(dǎo)性實驗、自主開放性實驗和自由便攜式實驗）。

實驗室指導(dǎo)性實驗：必修部分實驗，要求一人一組一套實驗裝置，獨立完成。學(xué)生在實驗前要做好預(yù)習(xí)，實驗過程中須認(rèn)真操作、做好記錄。實驗教師檢查實驗結(jié)果并作相應(yīng)指導(dǎo)。每次實驗完成后，教師要求學(xué)生認(rèn)真編寫實驗報告，對實驗結(jié)果做出科學(xué)分析和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。這部分實驗主要完成微機(jī)系統(tǒng)基本實驗和微機(jī)系統(tǒng)接口實驗，要求6個專業(yè)所有學(xué)生必須在實驗室集中按時完成。

自主開放性實驗：以學(xué)生自主設(shè)計、自主創(chuàng)新為主。該部分實驗沒有具體內(nèi)容限制，各專業(yè)學(xué)生可根據(jù)各自專業(yè)計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)要求自選相應(yīng)實驗內(nèi)容進(jìn)行，是指導(dǎo)性實驗的擴(kuò)展和延伸，實驗教師視需要給予及時指導(dǎo)。

自由便攜式實驗：為學(xué)生提供課外科技活動、進(jìn)行自我設(shè)計、自我創(chuàng)新的空間和條件。為學(xué)有余力的學(xué)生提供便攜式接口實驗裝置，學(xué)生臨時組合成課外學(xué)習(xí)小組，從實驗室領(lǐng)取便攜式接口實驗裝置，可以在宿舍或?qū)W校開放機(jī)房微機(jī)上，結(jié)合各自專業(yè)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行自主設(shè)計和科技創(chuàng)新的實踐嘗試。該部分實驗沒有學(xué)時限制，學(xué)生自行掌握，課程組安排相關(guān)教師個別指導(dǎo)。

2）增設(shè)和推進(jìn)虛擬仿真實驗。

在自動化拔尖班與電氣卓越班，開設(shè)Proteus虛擬仿真實驗內(nèi)容，通過融合先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，對考察學(xué)生實踐應(yīng)用能力的經(jīng)典實驗項目內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化完善，設(shè)計并實現(xiàn)在現(xiàn)有教學(xué)實驗裝置上基于8086微處理器的“接口綜合設(shè)計”實驗平臺。該平臺注重培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)創(chuàng)新，訓(xùn)練其電子設(shè)計與制作的綜合能力，既能更好地配合學(xué)生深入理解和靈活掌握理論知識，又能運用實驗教學(xué)體系的優(yōu)勢實現(xiàn)學(xué)生從基礎(chǔ)知識理解到綜合能力提高的轉(zhuǎn)變，以及從驗證性思維到設(shè)計、創(chuàng)新性思維的轉(zhuǎn)變。

5深化教學(xué)方式改革，發(fā)揮“助學(xué)”和“引領(lǐng)”作用

5.1教師主動進(jìn)行“助學(xué)”角色轉(zhuǎn)變、自我學(xué)習(xí)、提升教學(xué)素養(yǎng)

課程組成員積極主動參加有關(guān)國內(nèi)教學(xué)會議和培訓(xùn)班，努力提升教學(xué)素養(yǎng)，適應(yīng)新時期教學(xué)改革要求，加強(qiáng)對授課專業(yè)相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，主動進(jìn)行“助學(xué)”角色轉(zhuǎn)變。

5.2積極開展個性化學(xué)習(xí)指導(dǎo)、學(xué)業(yè)引導(dǎo)和支持

結(jié)合課程內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法和知識擴(kuò)展應(yīng)用，開展課內(nèi)課外和校內(nèi)校外實踐活動，貫穿本科4年學(xué)習(xí)的各個環(huán)節(jié)，如新生研討課、認(rèn)識實習(xí)、課程設(shè)計和綜合實驗、微機(jī)技術(shù)和系統(tǒng)在現(xiàn)場的具體應(yīng)用。根據(jù)學(xué)生自主發(fā)展計劃，積極主動指導(dǎo)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃、大學(xué)生各類大賽和課外科技活動。

5.3恰當(dāng)充分地使用現(xiàn)代教育技術(shù)手段

（1）多媒體技術(shù)。根據(jù)課程內(nèi)容特點，充分利用多媒體技術(shù)組織教學(xué)過程。將大量實物圖、設(shè)計圖、仿真動畫、微視頻、實驗演示等與傳統(tǒng)板書一起融入課堂教學(xué)中，增大課堂信息容量，提高課堂趣味性和知識的可吸收性。

（2）仿真動畫。采用Flash軟件自行設(shè)計制作仿真動畫。很多課程內(nèi)容（如計算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、指令執(zhí)行過程、堆棧操作、時序等）比較抽象，很難用語言描述，更無法用實物直觀展示，通過動畫仿真，學(xué)生對知識能夠獲得較感性的認(rèn)識，便于理解和記憶，激發(fā)主動學(xué)習(xí)的興趣。

（3）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)教學(xué)網(wǎng)站，提供豐富的教學(xué)資源，包括：教學(xué)大綱、教學(xué)指導(dǎo)等課程導(dǎo)學(xué)文件；課件、習(xí)題、模擬試題等基礎(chǔ)資源；用于復(fù)習(xí)自學(xué)的教學(xué)視頻；知識園地、應(yīng)用案例等拓展資源；在線自測、網(wǎng)上考試、微信群、QQ群及網(wǎng)絡(luò)論壇等互動平臺。

（4）虛擬仿真實驗技術(shù)。實驗室的微機(jī)接口實驗設(shè)備包括兩部分——計算機(jī)和實驗箱，采用虛擬實驗技術(shù)開發(fā)“虛擬實驗臺”代替“實驗箱”，從而將硬件實驗搬到顯示器上完成。例如，編程控制LED燈按照一定規(guī)律閃亮，通過虛擬實驗臺可查看電路連接圖和使用說明，或清除連線進(jìn)行手動布線等操作，編程、運行后即可觀察到實驗現(xiàn)象和結(jié)果。虛擬平臺打破了時空限制，為開展開放式實驗教學(xué)提供了強(qiáng)有力的支持。

5.4積極開展和探索教學(xué)考一體化改革

綜合采用課堂考勤和討論、翻轉(zhuǎn)課堂、微課、慕課、平時課下作業(yè)、自主大作業(yè)（前沿知識文獻(xiàn)綜述、作品設(shè)計）、章節(jié)小測試、答辯、實驗考核、期末開閉卷筆試等多樣化的考試方式，注重對學(xué)生學(xué)習(xí)過程與能力的考查，開展“基本必考+獎勵性加分考核”的嘗試，鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生研究性學(xué)習(xí)、最大化發(fā)展。

理論課成績組成：平時（考勤+討論）10%，平時（大作業(yè)+小測驗）20%，實驗總成績10%，期末筆試（閉卷70%+開卷30%）60%，獎勵性加5分。

實驗成績組成：平時成績（預(yù)習(xí)+實驗過程+實驗結(jié)果+報告）40%，期末抽題考試60%。卓越班、拔尖班和部分學(xué)生開展虛擬仿真實驗、自由開放實驗加5分。

6結(jié)語

高等學(xué)校進(jìn)行人才分層分類培養(yǎng)有助于學(xué)生形成明確的發(fā)展規(guī)劃，研究探索實施與學(xué)生自身發(fā)展目標(biāo)相一致的分層分類培養(yǎng)模式尤為重要。課程組針對電氣信息類專業(yè)基礎(chǔ)課微機(jī)原理開展的全方位教學(xué)改革和探索，實踐效果表明所構(gòu)建的分層分類教學(xué)模式能夠充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)地位和學(xué)生的主體地位，對于其他電類專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)也具有較大借鑒意義。