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      基于CDIO模式的《微機原理與接口技術》課程教學改革研究

      2019-12-27 10:40:30魏建宇盧愛臣馬文彬
      軟件導刊(教育技術) 2019年4期
      關鍵詞:微機原理與接口技術接口技術微機

      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。

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