新工科背景下微机原理与接口技术实践教学改革探析

胡福志 国海 夏显明 樊晓宇 权悦 张平娟

摘要：随着制造业对具备工程实践能力的新工科人才需求的不断增加，高校中需要不断的完善实践教学体系，为提升学生设计和创新能力的必要基础。基于此针对微机原理与接口技术实践课程的现有问题进行深入探讨，根据培养目标和现有教学环境提出优化实验形态、革新教学过程和推动实践创新能力等改革内容。同时针对改革内容提出具体的措施，包括实验项目的设置，教学过程的设计和考核与评估的方法，力争将学生培养为行业所需求的具有实践能力和创新能力的复合型新工科人才。

关键词：新工科；微机原理；实践教学；教学改革

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）06-0156-03

0 引言

随着国内制造业转型的快速发展以及相关产业对“互联网+”倡议的深度关注，亟须高校加快新工科建设以锻炼学生工程实践能力和创新精神[1]。新工科教育理念是立足于当前应用型高校教育的主动作为和面向未来发展的主动谋划。该理念的主要目的是培养能够适应并引领未来产业需求的人才，使学生成为具有实践能力、独立思考能力、创新能力的高素质复合型新工科人才[2]。

微机原理与接口技术是電气工程及其自动化和其他工学机电类专业的必修课程，主要学习微型控制器的结构、原理、基本指令、汇编语言和接口技术等内容，是一门理论与实践并重的课程[3]。随着新工科建设全面、深入推进，微机原理与接口技术实践课程也面临新的要求，一方面要求将微机基本理论和接口技术与实践相结合，加强学生对知识的理解和应用，另一方面要强化实践内容与产业需求的联系，培养学生解决复杂工程问题的综合能力[4]。然而在实践教学过程中受实验设备和方法等因素的限制，课程中难以开展创新型课题，从而影响学生对相关理论内容的深入学习和对知识应用的探索兴趣。因此本文针对以往微机原理与接口技术实践教学过程经验、学生课堂表现及课程效果对相关问题进行梳理研究，结合新工科教育理念革新实践内容和教学过程以培养满足产业需求的复合型新工科人才。

1 微机原理与接口技术实践课程现状

1.1 实验形态僵化，“重软件、轻硬件”

为正常推进微机原理与接口技术实验课程，现有实验项目主要依托校内微机原理实验箱进行设置。然而实验箱内部硬件电路具有封闭性和固定性，因而教学项目设置偏向于软件功能设计，教学过程也着重于软件设计方法，如针对同一电路实现不同功能。此外学生实验过程中仅能够根据电路设计要求使用杜邦线连接模块接口，故而无法切实体会电路设计的要点。考虑微机原理是一门硬件和软件综合的课程，而且硬件是软件功能实现的基础，因而这种“重软件、轻硬件”的形态影响了实验课程教学的整体性，不利于学生对实验原理的理解。同时受制于电路的固定性，课程教学中也不便于功能扩展和实验创新。

1.2 实验教学过程简单，“重灌输、轻引导”

现有实践教学主要采用传统的知识“灌输式”教学，教学过程简单。在课程前期受限于课程资源和课堂时间，由教师向学生灌输实验项目、实验内容和实验方法，对各步骤、原理进行详细说明，而非引导学生应用理论课程知识进行自主学习。课程中期是实验任务设计阶段，理应由学生自主查阅资料完成设计任务。然而现有实验指导书已给出详细的操作步骤，因而学生只需按步骤操作即可完成实验任务。在课程后期实验结果验收阶段，对于实验未完成的学生，未鼓励其主动寻找实验问题和解决方案，而是由教师观察电路和分析程序为其提供解决方案。这种“重灌输、轻引导”教学形式导致学生不能深刻理解实验内容，无法做到将理论与实践相结合。在面对实验问题时，处理方法局限于教师所教，难以尝试用新方法进行解决。因而，实验过程中学生积极性不高，难以培养学生的问题分析和问题解决能力。

1.3 实验创新不足，“重验证、轻探究”

实验课程教学是知识实践和创新的重要内容，然而现有实验项目多为“验证型”实验，即在给出实验方法、实验步骤和实验结果的情况下，要求学生完成实验并观察现象，验证理论知识的正确性。同时实验指导书中已提供完整的电路设计和软件程序，因而学生在实验过程中只需要参考指导书完成电路连接和代码输入。此外，为便于将实验内容与课程知识结合以及对实验现象的理解，现阶段大部分“验证性”实验是单项实验，即各实验之间没有直接联系，每次实验是对单一模块进行设计，而非综合应用各模块实现系统设计。这种“重验证、轻探究”实验形式能够帮助学生掌握开发工具应用、加强理论知识理解和构思知识应用流程，但是不利于培养学生在面对任务需求时的设计能力和综合运用能力，与当下复合型新工科人才要求不符。

2 实践教学改革的具体内容

2.1 基于“虚实结合”理念，优化实验课程形态

通常为加强学生对课程知识点的理解和应用，在课程教学中需要设置大量软硬件设计任务。但是由于现有实验任务主要依托于8086实验箱，学生仅能在实验室完成与实验设备有关的任务，从而设备使用便捷性和电路固定性等对课程推进造成一定的局限性。因而为推动教学任务的进行应采用“虚实结合”的教学方式革新实验形态，即在8086实验箱的基础上配合虚拟实验平台PROTEUS进行实际教学。其中，学生可通过8086实验箱完成与实际生产活动相一致的实物设计，包括线路连接、程序下载和故障检测等内容。这种方式可以让学生深刻理解知识与生产场景的关系，并掌握配套工具和仪器的使用方法，如数字电压表等。另一方面虚拟实验平台PROTEUS 能够避免8086实验箱的局限性，便于学生完成设计任务，增加了设计课题的多样性[5]。而且相比于实验箱，虚拟实验平台强调软硬件设计兼重，要求学生通过虚拟器件库自主设计硬件电路，并根据电路开发程序，从而保证了实验课程的完整性。同时，学生使用虚拟平台设计任务的时间和场所不受限制，为学生自主学习和知识探索提供了充分的条件。此外，在生产应用中方案验证是项目实施基础，相较于费时费力的使用实际器件进行方案验证，仅需修改虚拟器件和电路形式虚拟仿真平台更为高效。因而在实验任务的设计中应适当规划两种形态的设计任务，培养学生仿真设计能力和实物设计能力，并使其理解仿真与实物之间的联系。

2.2 革新实验教学过程，提高学生实践能力

在微机原理与接口技术实验课程中由于实验场所限制和课堂时间限制，难以保证学生在课中能够自主完成全部实验内容，导致实验教学效果不好。由于“虚实结合”方式能够突破教学场所和时间限制，因而可以采用“翻转课堂”创新实验教学方法改善该弊端。其中，“翻转课堂”是通过变革教学过程实现对实验教学的提前化[6]，可以将教学过程分为课前、课中和课后三个阶段。课前用于发布实验任务，表明实验项目和实验目的，并根据要求提供相应的实验资源，鼓励学生根据自身学习情况选择教学资源进行自主学习，提前理解实验内容，并要求学生结合虚拟平台提前进行设计任务。此外，教师可搜集学生在自主学习时遇到的问题，并整理为集体常见问题和个性问题两大类。课中可进一步分为两个阶段。其中，第一阶段用于解答相关问题和引导学生调试，培养学生掌握发现问题的调试方法和测量设备，以及解决相关问题的方法等。考虑课堂时间有限，在解答问题中首先对集体常见性问题进行集体解答，然后再对个性问题进行单独解答。第二阶段用于对实验结果检查和结果评价，特别关注学生对软件和硬件设计的思路，引导学生建立正确、合理的设计方法。课后用于学生撰写实验报告巩固学习成果，培养学生知识整理和归纳能力。同时教师也需要对实验效果进行总结和发布，使学生能够发现自身不足并进行改进。可见通过“翻转课堂”的教学方法能够使学生有充分的时间对实验内容进行理解和设计，从而更有效的培养学生解决工程问题的能力。

2.3 实施CDIO 模式，推动实验创新能力

CDIO模式是国际工程教育改革的成果，包括构思、设计、实施和运作四个层面，用以培养学生的工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力[7]。为此对在微机原理与接口技术实验项目设置上采用阶梯式、分阶段的思想，在已有“验证型”实验基础上另设“探究型”和“综合型”实验来强化学生实践能力。“验证型”实验是通过对已知硬件连接和汇编程序的操作和实验结果的验证，让学生对实验步骤、实验环境、软件设计、硬件设计有初步的认识。其中在实验步骤方面可以使学生清楚实验的流程和各阶段的主要任务；在实验环境方面能够使学生熟练使用相关设备和软件，包括程序的下载调试；在软件设计方面能够使学生将理论学习的基本指令融汇成完整的汇编程序和学会对程序的分析；在硬件设计方面使学生真正理解芯片引脚的作用和掌握电路设计的方法。因此，“验证型”实验对于学生理解和构思实验过程有着重要作用，是掌握基本实验课程必不可少的内容。“探究型”实验注重锻炼学生对知识的理解，培养学生自主设计能力。在给定单一的实验任务前提下，鼓励学生利用理论学习的知识点自主设计硬件电路和汇编程序。“综合型”实验是对课程知识和相关学科的综合应用，用以挖掘学生的创新能力。相比于“探究型”实验，“综合型”实验涉及更多的知识点，而且与实际生产更贴切。在实验中学生需要分析实验任务并寻找可与其相结合的课程知识然后再进行设计，并且实验现象也要赋予一定的生产意义。因而教学过程中可通过CDIO模式的推动以不同类型的实验内容来逐步提高学生的兴趣以及对知识点的综合应用能力。

3 实践教学改革的具体措施

3.1 实践项目的设置

实验项目是实践课程进行的基础，是改革实施中需要优先完成的内容。实验课程要求学生通过对基本接口芯片的应用来掌握工程设计能力，包括8255并行接口芯片、8254定时/计数器芯片、8259中断芯片等。根据教学计划实验课程共有8课时，合理规划后共设置包括验证型、探究型和综合型三种类型的4个实验项目，如表1所示。验证型和探究型是针对单一功能的设计，其中验证型实验项目一个，要求学生使用实验箱以培养学生掌握实验箱的操作过程和对应的设计工具；探究型实验包括两个，分别使用实验箱和PROTEUS实现，主要是培养学生应用能力，且让学生掌握PROTEUS 设计平台的使用。综合性实验一个，要求学生利用PROTEUS进行设计，并实现两个及以上的系统功能。在实验项目设置中“先实验箱再虚拟软件”的方式可以让学生在直观感受设计过程后更好地理解虚拟软件的意义。同时随着实验类型的深入，虚拟平台的介入更利于学生自主设计。

3.2 实践教学的过程

在实践教学过程中课程资源是供学生自主学习的一项重要内容，因此需要课程组制作电路和程序等基础知识的电子文档和视频资源。其中在电路设计部分详细阐述实验箱和PROTUES的基本使用方法，介绍接口芯片引脚并列举常见的电路结构；程序设计部分阐述编程软件的基本使用方法，并对列举的电路结构给出相应的示例代码。此外，在翻转课堂的设计中需要注重课前-课中-课后的配合，以系统认识实验为例。在课前通过学习通向学生下发实验项目，指出该项目需要在实验箱完成汇编程序的内容和调试。由于该实验是首次使用实验箱平台，因而向学生提供实验箱的软件安装包、安装教程、使用教程等以供学生在电脑中配置软件和验证。同时，对于实验任务内容，由于该实验是验证型实验，所以向学生提供需要使用的电路连接和汇编程序，并阐述电路原理和程序逻辑。对于PROTUES实验平台项目，主要让学生对任务有初步认识，并提前查阅资料确定电路和编写软件程序。在课中通过多媒体对学生所反馈的共性问题进行分析和解答，引导学生进行思考并探讨解决方法。对个性问题需要走下讲台观察学生操作并引导学生进行调试诊断，如测试LED灯的好坏，线路检测，断点调试等，教会学生解决问题的方法。在课后需要学生完成实验包括，包括实验项目名称、实验目的、实验步骤、实验结果和自我总结等，以此来巩固学习。

3.3 考核与评价

为培养学生团队协作能力和提高效率，在实验过程中将班级人员以2～3 人进行分组。同时，建立与CDIO模式相适应的考核内容督促学生向复合型新工科人才方向发展。考核内容共包括验证型实验、探索型实验和综合型实验三个部分，而且根据各部分的实验特点进一步分阶段细化考核分数，如表2所示。其中验证型实验部分占总成绩20%，主要以课前预习情况、实验操作正确性和实验报告的规范性为依据进行评价；探索型实验部分占总成绩的40%，主要以查阅资料完整性、方案的可行性、结果达成度和团队间协作能力进行评价；综合型实验部分占总成绩的40%，主要以對各模块电路间联系的紧密性、程序逻辑的合理性、对实验任务的理解程度和与实际生产实践的联系度进行评价。

4 结论

根据现有教学情况以应用型大学复合型新工科人才培养目标为指引，分析了微机原理与接口技术实践课程的教学问题，并从优化实验课程形态、革新实践教学过程、推动CDIO模式对其进行改革探索，进而增强学生对课程学习的积极性和对专业知识的兴趣度，提高教学效率。实践表明，课程改革的内容可以增强学生对实践的主动性和积极性，而且随着实验项目的推进对实践内容的理解应用和综合能力获得了提升，为实践创新设计打下良好的基础。此外，在改革实施中课程组认识到需要充分利用多种平台、挖掘有效的课程资源为学生提供良好的学习条件，需要不断的摸索和总结，逐步完善实践课程体系为培养高素质新工科人才奠定有力的基础。

参考文献：

[1] 刘松.新工科实践教学人才培养模式的重构与创新[J].湖北师范大学学报（哲学社会科学版），2023，43（2）：113-117，133.

[2] 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.

[3] 陈秋菊，潘有顺，刘杰，等.应用型本科高校《微机原理与接口技术》课程教学模式探究[J].信息与电脑（理论版），2021，33（14）：243-246.

[4] 龚琴“. 新工科”背景下《微机原理与接口技术》实践教学改革研究[J].新型工业化，2021，11（12）：23-24，27.

[5] 梁祥莹，夏巍，高莉.基于Proteus的“微机原理与接口技术”课程仿真实验教学探索[J].太原城市职业技术学院学报，2023（03）：54-56.

[6] 蒋一“. 微机原理与接口技术”课程翻转课堂教学模式改革实践[J].江苏科技信息，2021，38（12）：58-61.

[7] 高美蓉.基于CDIO模式的微机原理与接口技术课程实验教学改革与实践[J].电子世界，2018（22）：27-28.

【通联编辑：王力】