新工科背景下微機原理與接口技術實踐教學改革探析

胡福志 國海 夏顯明 樊曉宇 權悅 張平娟

摘要：隨著制造業對具備工程實踐能力的新工科人才需求的不斷增加，高校中需要不斷的完善實踐教學體系，為提升學生設計和創新能力的必要基礎?；诖酸槍ξC原理與接口技術實踐課程的現有問題進行深入探討，根據培養目標和現有教學環境提出優化實驗形態、革新教學過程和推動實踐創新能力等改革內容。同時針對改革內容提出具體的措施，包括實驗項目的設置，教學過程的設計和考核與評估的方法，力爭將學生培養為行業所需求的具有實踐能力和創新能力的復合型新工科人才。

關鍵詞：新工科；微機原理；實踐教學；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）06-0156-03

0 引言

隨著國內制造業轉型的快速發展以及相關產業對“互聯網+”倡議的深度關注，亟須高校加快新工科建設以鍛煉學生工程實踐能力和創新精神[1]。新工科教育理念是立足于當前應用型高校教育的主動作為和面向未來發展的主動謀劃。該理念的主要目的是培養能夠適應并引領未來產業需求的人才，使學生成為具有實踐能力、獨立思考能力、創新能力的高素質復合型新工科人才[2]。

微機原理與接口技術是電氣工程及其自動化和其他工學機電類專業的必修課程，主要學習微型控制器的結構、原理、基本指令、匯編語言和接口技術等內容，是一門理論與實踐并重的課程[3]。隨著新工科建設全面、深入推進，微機原理與接口技術實踐課程也面臨新的要求，一方面要求將微機基本理論和接口技術與實踐相結合，加強學生對知識的理解和應用，另一方面要強化實踐內容與產業需求的聯系，培養學生解決復雜工程問題的綜合能力[4]。然而在實踐教學過程中受實驗設備和方法等因素的限制，課程中難以開展創新型課題，從而影響學生對相關理論內容的深入學習和對知識應用的探索興趣。因此本文針對以往微機原理與接口技術實踐教學過程經驗、學生課堂表現及課程效果對相關問題進行梳理研究，結合新工科教育理念革新實踐內容和教學過程以培養滿足產業需求的復合型新工科人才。

1 微機原理與接口技術實踐課程現狀

1.1 實驗形態僵化，“重軟件、輕硬件”

為正常推進微機原理與接口技術實驗課程，現有實驗項目主要依托校內微機原理實驗箱進行設置。然而實驗箱內部硬件電路具有封閉性和固定性，因而教學項目設置偏向于軟件功能設計，教學過程也著重于軟件設計方法，如針對同一電路實現不同功能。此外學生實驗過程中僅能夠根據電路設計要求使用杜邦線連接模塊接口，故而無法切實體會電路設計的要點?？紤]微機原理是一門硬件和軟件綜合的課程，而且硬件是軟件功能實現的基礎，因而這種“重軟件、輕硬件”的形態影響了實驗課程教學的整體性，不利于學生對實驗原理的理解。同時受制于電路的固定性，課程教學中也不便于功能擴展和實驗創新。

1.2 實驗教學過程簡單，“重灌輸、輕引導”

現有實踐教學主要采用傳統的知識“灌輸式”教學，教學過程簡單。在課程前期受限于課程資源和課堂時間，由教師向學生灌輸實驗項目、實驗內容和實驗方法，對各步驟、原理進行詳細說明，而非引導學生應用理論課程知識進行自主學習。課程中期是實驗任務設計階段，理應由學生自主查閱資料完成設計任務。然而現有實驗指導書已給出詳細的操作步驟，因而學生只需按步驟操作即可完成實驗任務。在課程后期實驗結果驗收階段，對于實驗未完成的學生，未鼓勵其主動尋找實驗問題和解決方案，而是由教師觀察電路和分析程序為其提供解決方案。這種“重灌輸、輕引導”教學形式導致學生不能深刻理解實驗內容，無法做到將理論與實踐相結合。在面對實驗問題時，處理方法局限于教師所教，難以嘗試用新方法進行解決。因而，實驗過程中學生積極性不高，難以培養學生的問題分析和問題解決能力。

1.3 實驗創新不足，“重驗證、輕探究”

實驗課程教學是知識實踐和創新的重要內容，然而現有實驗項目多為“驗證型”實驗，即在給出實驗方法、實驗步驟和實驗結果的情況下，要求學生完成實驗并觀察現象，驗證理論知識的正確性。同時實驗指導書中已提供完整的電路設計和軟件程序，因而學生在實驗過程中只需要參考指導書完成電路連接和代碼輸入。此外，為便于將實驗內容與課程知識結合以及對實驗現象的理解，現階段大部分“驗證性”實驗是單項實驗，即各實驗之間沒有直接聯系，每次實驗是對單一模塊進行設計，而非綜合應用各模塊實現系統設計。這種“重驗證、輕探究”實驗形式能夠幫助學生掌握開發工具應用、加強理論知識理解和構思知識應用流程，但是不利于培養學生在面對任務需求時的設計能力和綜合運用能力，與當下復合型新工科人才要求不符。

2 實踐教學改革的具體內容

2.1 基于“虛實結合”理念，優化實驗課程形態

通常為加強學生對課程知識點的理解和應用，在課程教學中需要設置大量軟硬件設計任務。但是由于現有實驗任務主要依托于8086實驗箱，學生僅能在實驗室完成與實驗設備有關的任務，從而設備使用便捷性和電路固定性等對課程推進造成一定的局限性。因而為推動教學任務的進行應采用“虛實結合”的教學方式革新實驗形態，即在8086實驗箱的基礎上配合虛擬實驗平臺PROTEUS進行實際教學。其中，學生可通過8086實驗箱完成與實際生產活動相一致的實物設計，包括線路連接、程序下載和故障檢測等內容。這種方式可以讓學生深刻理解知識與生產場景的關系，并掌握配套工具和儀器的使用方法，如數字電壓表等。另一方面虛擬實驗平臺PROTEUS 能夠避免8086實驗箱的局限性，便于學生完成設計任務，增加了設計課題的多樣性[5]。而且相比于實驗箱，虛擬實驗平臺強調軟硬件設計兼重，要求學生通過虛擬器件庫自主設計硬件電路，并根據電路開發程序，從而保證了實驗課程的完整性。同時，學生使用虛擬平臺設計任務的時間和場所不受限制，為學生自主學習和知識探索提供了充分的條件。此外，在生產應用中方案驗證是項目實施基礎，相較于費時費力的使用實際器件進行方案驗證，僅需修改虛擬器件和電路形式虛擬仿真平臺更為高效。因而在實驗任務的設計中應適當規劃兩種形態的設計任務，培養學生仿真設計能力和實物設計能力，并使其理解仿真與實物之間的聯系。

2.2 革新實驗教學過程，提高學生實踐能力

在微機原理與接口技術實驗課程中由于實驗場所限制和課堂時間限制，難以保證學生在課中能夠自主完成全部實驗內容，導致實驗教學效果不好。由于“虛實結合”方式能夠突破教學場所和時間限制，因而可以采用“翻轉課堂”創新實驗教學方法改善該弊端。其中，“翻轉課堂”是通過變革教學過程實現對實驗教學的提前化[6]，可以將教學過程分為課前、課中和課后三個階段。課前用于發布實驗任務，表明實驗項目和實驗目的，并根據要求提供相應的實驗資源，鼓勵學生根據自身學習情況選擇教學資源進行自主學習，提前理解實驗內容，并要求學生結合虛擬平臺提前進行設計任務。此外，教師可搜集學生在自主學習時遇到的問題，并整理為集體常見問題和個性問題兩大類。課中可進一步分為兩個階段。其中，第一階段用于解答相關問題和引導學生調試，培養學生掌握發現問題的調試方法和測量設備，以及解決相關問題的方法等?？紤]課堂時間有限，在解答問題中首先對集體常見性問題進行集體解答，然后再對個性問題進行單獨解答。第二階段用于對實驗結果檢查和結果評價，特別關注學生對軟件和硬件設計的思路，引導學生建立正確、合理的設計方法。課后用于學生撰寫實驗報告鞏固學習成果，培養學生知識整理和歸納能力。同時教師也需要對實驗效果進行總結和發布，使學生能夠發現自身不足并進行改進?？梢娡ㄟ^“翻轉課堂”的教學方法能夠使學生有充分的時間對實驗內容進行理解和設計，從而更有效的培養學生解決工程問題的能力。

2.3 實施CDIO 模式，推動實驗創新能力

CDIO模式是國際工程教育改革的成果，包括構思、設計、實施和運作四個層面，用以培養學生的工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力[7]。為此對在微機原理與接口技術實驗項目設置上采用階梯式、分階段的思想，在已有“驗證型”實驗基礎上另設“探究型”和“綜合型”實驗來強化學生實踐能力?！膀炞C型”實驗是通過對已知硬件連接和匯編程序的操作和實驗結果的驗證，讓學生對實驗步驟、實驗環境、軟件設計、硬件設計有初步的認識。其中在實驗步驟方面可以使學生清楚實驗的流程和各階段的主要任務；在實驗環境方面能夠使學生熟練使用相關設備和軟件，包括程序的下載調試；在軟件設計方面能夠使學生將理論學習的基本指令融匯成完整的匯編程序和學會對程序的分析；在硬件設計方面使學生真正理解芯片引腳的作用和掌握電路設計的方法。因此，“驗證型”實驗對于學生理解和構思實驗過程有著重要作用，是掌握基本實驗課程必不可少的內容?！疤骄啃汀睂嶒炞⒅劐憻拰W生對知識的理解，培養學生自主設計能力。在給定單一的實驗任務前提下，鼓勵學生利用理論學習的知識點自主設計硬件電路和匯編程序?！熬C合型”實驗是對課程知識和相關學科的綜合應用，用以挖掘學生的創新能力。相比于“探究型”實驗，“綜合型”實驗涉及更多的知識點，而且與實際生產更貼切。在實驗中學生需要分析實驗任務并尋找可與其相結合的課程知識然后再進行設計，并且實驗現象也要賦予一定的生產意義。因而教學過程中可通過CDIO模式的推動以不同類型的實驗內容來逐步提高學生的興趣以及對知識點的綜合應用能力。

3 實踐教學改革的具體措施

3.1 實踐項目的設置

實驗項目是實踐課程進行的基礎，是改革實施中需要優先完成的內容。實驗課程要求學生通過對基本接口芯片的應用來掌握工程設計能力，包括8255并行接口芯片、8254定時/計數器芯片、8259中斷芯片等。根據教學計劃實驗課程共有8課時，合理規劃后共設置包括驗證型、探究型和綜合型三種類型的4個實驗項目，如表1所示。驗證型和探究型是針對單一功能的設計，其中驗證型實驗項目一個，要求學生使用實驗箱以培養學生掌握實驗箱的操作過程和對應的設計工具；探究型實驗包括兩個，分別使用實驗箱和PROTEUS實現，主要是培養學生應用能力，且讓學生掌握PROTEUS 設計平臺的使用。綜合性實驗一個，要求學生利用PROTEUS進行設計，并實現兩個及以上的系統功能。在實驗項目設置中“先實驗箱再虛擬軟件”的方式可以讓學生在直觀感受設計過程后更好地理解虛擬軟件的意義。同時隨著實驗類型的深入，虛擬平臺的介入更利于學生自主設計。

3.2 實踐教學的過程

在實踐教學過程中課程資源是供學生自主學習的一項重要內容，因此需要課程組制作電路和程序等基礎知識的電子文檔和視頻資源。其中在電路設計部分詳細闡述實驗箱和PROTUES的基本使用方法，介紹接口芯片引腳并列舉常見的電路結構；程序設計部分闡述編程軟件的基本使用方法，并對列舉的電路結構給出相應的示例代碼。此外，在翻轉課堂的設計中需要注重課前-課中-課后的配合，以系統認識實驗為例。在課前通過學習通向學生下發實驗項目，指出該項目需要在實驗箱完成匯編程序的內容和調試。由于該實驗是首次使用實驗箱平臺，因而向學生提供實驗箱的軟件安裝包、安裝教程、使用教程等以供學生在電腦中配置軟件和驗證。同時，對于實驗任務內容，由于該實驗是驗證型實驗，所以向學生提供需要使用的電路連接和匯編程序，并闡述電路原理和程序邏輯。對于PROTUES實驗平臺項目，主要讓學生對任務有初步認識，并提前查閱資料確定電路和編寫軟件程序。在課中通過多媒體對學生所反饋的共性問題進行分析和解答，引導學生進行思考并探討解決方法。對個性問題需要走下講臺觀察學生操作并引導學生進行調試診斷，如測試LED燈的好壞，線路檢測，斷點調試等，教會學生解決問題的方法。在課后需要學生完成實驗包括，包括實驗項目名稱、實驗目的、實驗步驟、實驗結果和自我總結等，以此來鞏固學習。

3.3 考核與評價

為培養學生團隊協作能力和提高效率，在實驗過程中將班級人員以2～3 人進行分組。同時，建立與CDIO模式相適應的考核內容督促學生向復合型新工科人才方向發展?？己藘热莨舶炞C型實驗、探索型實驗和綜合型實驗三個部分，而且根據各部分的實驗特點進一步分階段細化考核分數，如表2所示。其中驗證型實驗部分占總成績20%，主要以課前預習情況、實驗操作正確性和實驗報告的規范性為依據進行評價；探索型實驗部分占總成績的40%，主要以查閱資料完整性、方案的可行性、結果達成度和團隊間協作能力進行評價；綜合型實驗部分占總成績的40%，主要以對各模塊電路間聯系的緊密性、程序邏輯的合理性、對實驗任務的理解程度和與實際生產實踐的聯系度進行評價。

4 結論

根據現有教學情況以應用型大學復合型新工科人才培養目標為指引，分析了微機原理與接口技術實踐課程的教學問題，并從優化實驗課程形態、革新實踐教學過程、推動CDIO模式對其進行改革探索，進而增強學生對課程學習的積極性和對專業知識的興趣度，提高教學效率。實踐表明，課程改革的內容可以增強學生對實踐的主動性和積極性，而且隨著實驗項目的推進對實踐內容的理解應用和綜合能力獲得了提升，為實踐創新設計打下良好的基礎。此外，在改革實施中課程組認識到需要充分利用多種平臺、挖掘有效的課程資源為學生提供良好的學習條件，需要不斷的摸索和總結，逐步完善實踐課程體系為培養高素質新工科人才奠定有力的基礎。

參考文獻：

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[2] 潘繼強，鄭坤，陳勇，等.新工科背景下微機原理課程混合式教學實踐與思考[J].電腦知識與技術，2022，18（22）：149-151.

[3] 陳秋菊，潘有順，劉杰，等.應用型本科高?！段C原理與接口技術》課程教學模式探究[J].信息與電腦（理論版），2021，33（14）：243-246.

[4] 龔琴“. 新工科”背景下《微機原理與接口技術》實踐教學改革研究[J].新型工業化，2021，11（12）：23-24，27.

[5] 梁祥瑩，夏巍，高莉.基于Proteus的“微機原理與接口技術”課程仿真實驗教學探索[J].太原城市職業技術學院學報，2023（03）：54-56.

[6] 蔣一“. 微機原理與接口技術”課程翻轉課堂教學模式改革實踐[J].江蘇科技信息，2021，38（12）：58-61.

[7] 高美蓉.基于CDIO模式的微機原理與接口技術課程實驗教學改革與實踐[J].電子世界，2018（22）：27-28.

【通聯編輯：王力】