突出分层分类培养教学模式的微机原理课程改革

戴永寿 孙伟峰 杨华 李立刚 陈真

摘要：为有效实施分层分类培养目标，对电气信息类专业基础课“微机原理”开展全方位立体化教学改革，文章提出构建分层分类培养的课程教学模式，建设“学习型”教师队伍，建立课程教学内容动态调整机制，优化课程体系，保证教学内容的先进性和专业适应性，整合优化教学资源，强化教学平台建设，以期形成符合课程特点的教学方法和考试方法，较好发挥“助学”和“引领”作用。

关键词：微机原理；分层分类培养；学习型教学，教师主导

背景

面对创办高水平研究型大学的发展目标，2012年中国石油大学提出并确立了“三三三”本科人才培养新体系，构成了本科教育的顶层设计。“三三三”即“三型”“三化”和“三性”，“三型”是指办学定位要立足实施精英型教育、打造特色型教育、推进研究型教育，“三化”指培养目标要实现学生的全面化、个性化、最大化成长，“三性”是指教学方式上要贯彻学习性教学、研究性学习、开放性交流。

“微机原理”课程是国家教育部规定的综合性大学电子信息类专业的专业基础课，是信息与控制工程学院自动化、测控技术与仪器、电气工程及其自动化、电子信息工程4个信息类专业和理学院的应用物理、光信息专业的专业基础课，也是电子信息工程专业的专业核心课程。该课程的目标是使学生从理论和实践上掌握微型计算机的基本组成、工作原理、软件编程及硬件接口方法，建立起微机系统的整体概念，具备运用现代微机技术进行软、硬件系统开发的能力。授课内容包括微机系统工作原理、汇编语言程序设计和微机接口技术3部分，涉及的知识点多，涵盖面广，内容抽象，理论性、实践性及应用性强，学生较难理解和掌握。在新的培养体系及新版培养方案下，该课程教学面临以下新变化：

（1）学时缩减。理论授课学时由64学时缩减为56学时，实验学时由32学时缩减为24学时。

（2）开课学期提前。开课时间由三年级上学期提前到了二年级下学期，课程结束后的夏季小学期开设单片机原理与接口以及单片机系统实训两门课程。

新形势和新变化使得本课程的教学面临以下亟待解决问题：

（1）授课采用统一的教学模式，不能很好地满足分层分类培养的需要。

（2）授课内容与先修及后续课程存在一定重复，教学内容缺乏先进性，与实际应用脱节。

（3）存在内容多、难度大与学时短之间的矛盾。

（4）实验内容以验证性实验为主，不能很好地培养学生的创新及应用能力。

（5）自主开放性学习条件不足，自主学习空间有待拓展。

新的“三三三”本科人才培养体系与理念对课程教学提出了更高要求，高等学校人才进行分层分类培养已经成为各方利益相关者共同的诉求，分层分类培养有助于学生形成比较明确的发展规划，提高学生对所在专业和院校的满意度，尤其是当分层分类培养模式与其自身发展目标相一致时，效果更为明显。微机原理课程在电气信息类专业课程体系中占有重要地位，针对其进行分层分类教学模式研究和探索实践，对提高大学生的创新能力和微机技术应用能力具有重要的意义。为了稳步推进分层分类培养，课程组在分层分类培养模式构建、更新教学内容、优化课程体系、教学方法改革、课程资源整合优化和教学环境平台建设等多方面开展了全方位立体化研究和探索实践。

2分层分类教学模式构建

微机原理课程的授课对象主要包括4个电气信息类专业基础班、自动化拔尖班以及电气卓越工程师班3大类，不同专业、不同类别班级的培养目标存在差异。对于普通班的学生，应注重其对微机系统整体性、全面性的理解与掌握，培养软件编程与硬件设计的基本能力；对于拔尖班的学生，应着重培养其设计及创新能力，实现最大化成长；对于卓越工程师班的学生，应侧重培养其创造能力、开发能力、独立分析和解决问题的能力以及团队协作能力。改革前本课程的教学基本上采用统一的模式，没有体现出培养上的差异性。

为了实现“三化”培养目标，针对不同类别层次的授课群体，可结合不同专业的培养方案开展分层分类教学模式的研究，在教学内容、课程体系、教学方法、考试方式、教师自我学习等方面探索多元化的教学模式。分层分类培养模式和课程改革设计方案如图1所示。

首先，优化课程体系，与相关专业课程负责人讨论沟通，理顺微机原理课程与其先修及后续课程的关系，做到有所侧重。比如，对于存储器部分，数字电子技术课程着重介绍存储器的概况及容量扩展方法，而微机原理课程中的存储器部分重点讲解其与CPU之间的连接；对于接口部分，单片机原理与接口课程重点介绍接口芯片及其应用方法，而微机原理课程着重介绍接口设计的基本原则、方法以及与CPU的连接方式。通过课程体系的优化，构建更加科学合理的能力素质培养结构。

其次，在新的课程体系下，将微机原理课程的改革分为理论教学改革与实验教学改革两部分。理论教学部分仍然以8086为主线开始介绍，学生易于理解，保证课程内容的基础性。探索采用模块化教学的方法，将课程内容划分为3个一级模块，注重模块之间的相互联系，增强课程内容的系统性。为保证课程知识体系与现代微机技术的高速发展相适应，将微机原理的前沿技术合理地融入到各个模块之中，不断汲取新知识，提升教学内容的先进性，实现学习性教学。针对不同类别的授课对象，探索实施分层分类教学的有效方法，在教学内容上有所侧重，教学方法上体现差异。比如，对普通班学生重基础，注重从系统性角度讲解微机的构成及基本工作原理、软件编程及硬件接口设计的基本方法；对拔尖班的学生重创新，采用问题式、探究式等教学方法，使其开展研究性学习，激发学生的学习积极性，培养他们发现问题、分析问题、解决问题的意识和能力，实现其最大化发展；对卓越工程师班的学生重应用，采用项目驱动，团队协作等方式，强化接口设计和综合应用能力的培养和训练。实验教学重点从实验内容与实验方式两个方面开展改革研究。在实验内容上，结合分层分类教学的要求，合理增加设计性与创新性实验的比例；在实验方式上，搭建虚拟实验环境，增强实验的灵活性与开放性。

再次，完善优化课程网站质量，利用理论与实验教学改革的成果及时更新网站内容，探索增强学生自主学习积极性的方法，为学生搭建起自主、开放的学习与交流平台，拓展学生的学习空间。通过开展一系列的改革举措，积极推进本课程的质量建设，探索学习性教学、研究性学习、开放性交流的有效方法，为实现学生的全面化、个性化、最大化发展提供有效途径。

3教学内容动态更新和课程体系优化

3.1依据专业培养方案，建立课程内容动态调整机制

课程组通过调研国内高水平大学信息类专业“微机原理”课程设置及改革进展，邀请院领导、专业负责人及相关课程教师，围绕各专业教学大纲开展多轮教学研讨，强化任课教师对授课专业的了解和相关专业知识的学习，在理论教学、实验教学开展全方位分层分类教学改革探索。微初原理课程是4个专业的专业基础课，各专业应用技术计算机化，计算机学习4年不断线；同时，各专业计算机基础理论相同但应用侧重点又有差异。第4学期开设的微机原理不仅是各专业计算机类课程群的核心课程，同时起着承上启下的桥梁和纽带作用。微机原理作为各专业面向应用的计算机软硬件技术基础课程，为后续相关专业课程提供基础和方法，要求不仅能够在修订完善培养目标和培养计划过程中根据各专业实时调整课程本身教学内容，同时根据调整反馈信息对其他计算机基础课程和电类基础课程做出相应的教学内容更新，逐步建立课程教学内容动态调整机制，以专业培养目标为线、课程层次平台为面，线面结合，高效合理发挥师资优势，实时动态、坚持不懈地调整课程教学内容，保障教学内容先进性。课程内容动态调整机制如图2所示。

3.2根据各专业特点及后续课程需要，建立课程教学模块化结构

微机原理课程体系及知识模块设置分为基础和接口技术两部分。基础部分包括4个模块：基本工作原理、汇编编程、基本接口技术和微机原理实验，是各专业的必修内容。选修组合（接口）有6个模块，各专业可根据本专业的特点和学时以及后续课的需要，选择不同的模块进行组合。课程教学模块化结构如图3所示。

3.3做学习型教师，保证教学内容先进性和专业适应性

为了有效实施对各个专业的分层分类培养，结合各专业培养方案改革教学内容，新版教学大纲在广泛调研、征求意见和多次讨论反馈最终形成。课程组明确了相对稳定的对应专业授课教师，要求任课教师加强对所授课程专业的深入了解和相关专业的知识学习，更新扩充教学内容。不同专业、不同类别班级都分别制定了相对应的教学日历，增强专业适应性，保证教学内容的先进性、科学性。各专业新增和扩充内容见表1。

4整合优化教学资源，强化建设课程学习平台

4.1完善优化网络教学资源和课程中心

（1）按省级精品课程要求建成教学网站，完全开放，资源共享，创造良好的网络教学使用环境。

（2）教学网站新增的内容包括：教学课件、习题解答、视频讲解、教学仿真动画、虚拟平台、知识园地、实践应用案例、在线自测系统、网上考试系统、3种途径的互动交流平台（微信、QQ群、论坛）等。

（3）整合优化。网络教学资源，为研究性教学和学生自主学习的开展提供有力保障，也为新教师定位课程和把握教学提供参考，达到助学助教的目的。

（4）部分资源迁移至“清华在线”教学平台。该平台功能强大，互动性更好，能够帮助教师开展布置作业、组织讨论、辅导答疑、在线测试等教学活动。

4.2加强全方位立体化实验条件建设

1）构建多模式实践环境。

通过自主开发建设，建成多模式多层次实验条件和实践环境，包括2种方式（实际操作实验、网络虚拟实验）和3个层次（实验室指导性实验、自主开放性实验和自由便携式实验）。

实验室指导性实验：必修部分实验，要求一人一组一套实验装置，独立完成。学生在实验前要做好预习，实验过程中须认真操作、做好记录。实验教师检查实验结果并作相应指导。每次实验完成后，教师要求学生认真编写实验报告，对实验结果做出科学分析和相应的数据处理。这部分实验主要完成微机系统基本实验和微机系统接口实验，要求6个专业所有学生必须在实验室集中按时完成。

自主开放性实验：以学生自主设计、自主创新为主。该部分实验没有具体内容限制，各专业学生可根据各自专业计算机应用技术要求自选相应实验内容进行，是指导性实验的扩展和延伸，实验教师视需要给予及时指导。

自由便携式实验：为学生提供课外科技活动、进行自我设计、自我创新的空间和条件。为学有余力的学生提供便携式接口实验装置，学生临时组合成课外学习小组，从实验室领取便携式接口实验装置，可以在宿舍或学校开放机房微机上，结合各自专业的相关内容进行自主设计和科技创新的实践尝试。该部分实验没有学时限制，学生自行掌握，课程组安排相关教师个别指导。

2）增设和推进虚拟仿真实验。

在自动化拔尖班与电气卓越班，开设Proteus虚拟仿真实验内容，通过融合先进的虚拟仿真技术，对考察学生实践应用能力的经典实验项目内容进行优化完善，设计并实现在现有教学实验装置上基于8086微处理器的“接口综合设计”实验平台。该平台注重培养学生开发创新，训练其电子设计与制作的综合能力，既能更好地配合学生深入理解和灵活掌握理论知识，又能运用实验教学体系的优势实现学生从基础知识理解到综合能力提高的转变，以及从验证性思维到设计、创新性思维的转变。

5深化教学方式改革，发挥“助学”和“引领”作用

5.1教师主动进行“助学”角色转变、自我学习、提升教学素养

课程组成员积极主动参加有关国内教学会议和培训班，努力提升教学素养，适应新时期教学改革要求，加强对授课专业相关知识的学习，主动进行“助学”角色转变。

5.2积极开展个性化学习指导、学业引导和支持

结合课程内容、学习方法和知识扩展应用，开展课内课外和校内校外实践活动，贯穿本科4年学习的各个环节，如新生研讨课、认识实习、课程设计和综合实验、微机技术和系统在现场的具体应用。根据学生自主发展计划，积极主动指导大学生创新创业训练计划、大学生各类大赛和课外科技活动。

5.3恰当充分地使用现代教育技术手段

（1）多媒体技术。根据课程内容特点，充分利用多媒体技术组织教学过程。将大量实物图、设计图、仿真动画、微视频、实验演示等与传统板书一起融入课堂教学中，增大课堂信息容量，提高课堂趣味性和知识的可吸收性。

（2）仿真动画。采用Flash软件自行设计制作仿真动画。很多课程内容（如计算机内部结构、指令执行过程、堆栈操作、时序等）比较抽象，很难用语言描述，更无法用实物直观展示，通过动画仿真，学生对知识能够获得较感性的认识，便于理解和记忆，激发主动学习的兴趣。

（3）网络技术。应用网络技术开发教学网站，提供丰富的教学资源，包括：教学大纲、教学指导等课程导学文件；课件、习题、模拟试题等基础资源；用于复习自学的教学视频；知识园地、应用案例等拓展资源；在线自测、网上考试、微信群、QQ群及网络论坛等互动平台。

（4）虚拟仿真实验技术。实验室的微机接口实验设备包括两部分——计算机和实验箱，采用虚拟实验技术开发“虚拟实验台”代替“实验箱”，从而将硬件实验搬到显示器上完成。例如，编程控制LED灯按照一定规律闪亮，通过虚拟实验台可查看电路连接图和使用说明，或清除连线进行手动布线等操作，编程、运行后即可观察到实验现象和结果。虚拟平台打破了时空限制，为开展开放式实验教学提供了强有力的支持。

5.4积极开展和探索教学考一体化改革

综合采用课堂考勤和讨论、翻转课堂、微课、慕课、平时课下作业、自主大作业（前沿知识文献综述、作品设计）、章节小测试、答辩、实验考核、期末开闭卷笔试等多样化的考试方式，注重对学生学习过程与能力的考查，开展“基本必考+奖励性加分考核”的尝试，鼓励和引导学生研究性学习、最大化发展。

理论课成绩组成：平时（考勤+讨论）10%，平时（大作业+小测验）20%，实验总成绩10%，期末笔试（闭卷70%+开卷30%）60%，奖励性加5分。

实验成绩组成：平时成绩（预习+实验过程+实验结果+报告）40%，期末抽题考试60%。卓越班、拔尖班和部分学生开展虚拟仿真实验、自由开放实验加5分。

6结语

高等学校进行人才分层分类培养有助于学生形成明确的发展规划，研究探索实施与学生自身发展目标相一致的分层分类培养模式尤为重要。课程组针对电气信息类专业基础课微机原理开展的全方位教学改革和探索，实践效果表明所构建的分层分类教学模式能够充分发挥教师的主导地位和学生的主体地位，对于其他电类专业基础课的教学也具有较大借鉴意义。