基于CDIO模式的《微机原理与接口技术》课程教学改革研究

魏建宇,卢爱臣,马文彬

(陆军军事交通学院计算机与信息技术教研室，天津300161)

0 引言

《微机原理与接口技术》课程是培养学生信息化素质的核心课程之一，主要使学生获得计算机硬件技术方面基本技能，培养利用硬件与软件相结合的方法和工具，分析解决本专业及相关专业领域问题的思维方法和初步能力，为后续课程的学习和实践、创新能力打好基础，从而提高学生的核心竞争力。参考探究式教学模式和CDIO工程教育模式，对《微机原理与接口技术》课程的教学环节进行改革探索，旨在培养学生具备工程实践能力，满足社会对应用型人才的需求。

1 微机原理与接口技术课程现状

1.1 理论讲授多，课程内容难懂

传统的《微机原理与接口技术》课程主要以8086微型计算机为例介绍CPU的内部结构、工作原理、逻辑组成以及接口芯片等方面的知识[1]，使学生从理论和原理上理解微型计算机的组成原理，并初步掌握接口芯片技术。由于教学内容复杂、概念抽象，学生理解起来困难，在实践课程中又难以将抽象的概念与相应的汇编语言程序结合起来，造成学生觉得枯燥无味，学习兴趣不足，教学效率低下[2]。

1.2 创新性受限制

传统教学中的实验环节通常是使用实验箱为平台进行，实验内容也多侧重于验证性实验，学生只要按照实验指导书的要求进行电路连接、输入实验例程，编译下载后即可得到实验结果。学生很少动脑思考整个实验过程，实验现象容易达成而学生没有动力再去进行深入探索。虽然实验过程也完成了对所学知识的验证，但在一定程度上限制了学生的创新性和主观能动性。

1.3 实验时间受限制

实验课程安排在实验室的实验箱上完成，学生只能在有限的课内时间进行学习，课余时间如果想进行学习和巩固则缺乏实验条件，而且在实验课程内没有完成实验内容的学生课后无法继续进行，时间在一定程度上限制了学习质量和效果。

1.4 考核方式的受限制

传统的教学模式往往忽视对学生实践能力的考核，仅以实验报告作为实验部分的评定标准，而部分课内未完成实验内容的学生为了得到这部分实验成绩，便会出现抄袭实验报告的现象，教师很难通过实验报告来判断学生对实验内容的掌握情况。而实验考核方式的缺陷又会使学生把学习精力放在期末考试上，形成为了通过考试而学习的局面。

因此，深入分析该门课程发展的特点规律，剖析教学过程中面临的主要问题，《微机原理与接口技术》课程的教学改革势在必行。

2 探究式教学

探究式教学(Hands-on Inquiry Based Learning)是指让学生在学习原理及相关概念的时候，教师只是给他们提出一些问题，或是提供一些案例，让学生通过查阅资料、观察、实验、思考等方法进行独立研究和学习的过程，自行发现需要的结果或结论。指导思想是在教师的指导下，使学生主动、自觉地进行探索，掌握发现问题和解决问题的方法，建立自己的认知模型和学习方法。在探究式教学中是以学生为主体，学生发挥主动作用[3]。

3 CDIO教学理念

CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate)是构思—设计—实现—运行的英文缩写，是从“做中学”的工程教育模式的有益探索。CDIO工程教育方法是由MIT、瑞典皇家工学院等专业首先进行尝试的，取得了良好的效果，并且得到了各个国家、各个高校的认可。

CDIO模式以项目为载体，倡导问题驱动，可以引导学生提出问题，找到解决问题的方法，建立有效的交互、启发式和探究式学习模式；通过选择项目情境，充分体现微机原理和技术课程应用等的可行性和适用性；CDIO模式注重实践教学，培养学生的实践能力，倡导以具体实践为基础的课程实验教学，然后上升到理论，再回到实践，为教学目标创造最终产品，符合社会对人才培养的需要。

CDIO模式在实际工程项目中作为一种逻辑组织教学，让学生以项目学习为中心，在项目中进行学习，能充分挖掘学生潜能、提高能力，解决实际问题。同时，教师在设计项目构思过程中，对教学过程也会有更深层次的认识，从而促进教学效果的提高。

4 基于CDIO模式的实验教学方法

根据CDIO模式的基本理念和要求，实验内容可以采取阶段式、层次式的结构，划分为验证型实验、设计型实验、综合型实验和创新型实验4个层次。在不同的实验进度环节，采用不同的教学方法和手段，并且根据学员的实际情况进行适当的调整。

4.1 验证型实验

验证型实验主要是采用演示法进行讲解，并要求学生课内在实验箱上完成，目的是使学生快速入门，熟悉实验环境，对实验的基本原理、概念、实验方法有初步的认识。教师要对实验中的问题、重难点进行细致地讲解，并协助学生解决可能遇到的问题，逐步培养学生的软件设计和硬件故障分析能力，激发学生的学习兴趣，培养学生务实严谨的实验作风，为后续实验的进行打下良好的基础。

4.2 设计型实验

设计型实验是在单个模块验证的基础上，更改设计要求，并且进行多个单元模块的组合，扩展实验内容。例如，学生在完成基本输入输出实验的验证基础上，实验内容要求利用单支开关控制8个数据灯的亮灭。在此要求下，需要学生在前一个实验的基础上，充分理解芯片的工作原理，并且完成实验设计、编程与实现。在实验中，教师仅进行基本设计思路的引导，充分给予学生独立思考的空间，独立设计实验方案，包括实验电路、实验程序，并对实验中遇到的问题进行思考并解决，以达到培养学生独立思考能力、实践能力和创新能力的目的。

4.3 综合型实验

综合型实验是在前两个阶段的基础之上，主要结合课程中的多个接口芯片、应用程序编程和其他课程中的知识进行综合运用，学生在学习入门并有一定程度的提高之后，具有一定的软硬件开发设计能力，掌握了一定的编程技巧，希望能够自己完成一项设计方案，激发他们自我创新的欲望。这时可以做一些例如“模拟交通灯控制”“电子音乐播放”“车辆转向预警”“仓库存储管理”等有一定难度的实用系统。设计过程中，软硬件都需要独立完成，教师主要采用引导的方式，不主动干预学生的实验过程，鼓励学生通过讨论交流、查阅资料解决遇到的问题，只解答一些技术性的关键难点，充分发挥学生的主动性和创造性，进一步提高学生的学习兴趣和成就感。

4.4 创新型实验

创新型实验适用于部分学习兴趣高、学习基础较好的学生，每3人结合为一个小组，学生运用自己已掌握的知识，按照自己的兴趣和知识独立设计题目和自行讨论制订方案，参加教师的科研项目、大学生科技创新项目或参加计算机系统设计竞赛。

在项目进行中同组的成员可以相互探讨，共同解决项目中遇到的问题。运用讨论法，锻炼学生的思维能力，同时在学习过程中鼓励学生质疑，引导学生课后自主查阅相关文献、自主进行实验，概括出符合科学的结论，并以此拓展学术视野，锻炼学生初步的学术能力，同时也培养了学生的团队协作能力。学生还实现了“发现问题—提出问题—分析问题—解决问题—创新问题”的认识规律和创新思维，该过程实现了CDIO模式的各个步骤。

应用CDIO教学模式需要良好的实验环境，在保证实验平台能够进行验证型及设计型实验的基础上，设计能够进行创新实验的平台，以弥补现有实验设备的不足。

5 Proteus仿真设计软件的使用

传统的《微机原理与接口技术》实验课程大部分都在实验箱上进行，实验箱上的元器件位置、大部分连线都已经固定，学生可以进行连接的线路较少，难以对已连接的实验电路有直观、全面的认识。实验箱频繁插拔、老化等原因，损坏的实验箱无法继续完成实验课程[4]。

在实验环节通过引入Proteus仿真设计软件，教师在上课时可随时进行电路动态仿真，边讲解理论知识，边进行案例演示。可以有针对性地展示各模块具体硬件电路和软件控制方法，这种方式直观灵活且交互性强，容易吸引学生的注意力，提高学习热情[5]。

使用Proteus进行接口电路实验，学生需要绘制完成的电路，相对于实验箱而言，学生对实验原理会理解得更为透彻，并且可以根据需要自行设计系统的译码电路、输入输出器件等[6]。

Proteus提供了丰富的元器件库，提供了性能、质量更高的虚拟仪器仪表，使得修改设计电路更加灵活，并且Proteus提供了丰富的调试手段，学生设计时间大大缩短，而且可以充分利用实践课程以外的时间进行学习，大大提高了学生的学习兴趣，提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。

6 考核模式

课程的考核应当紧密围绕课程培养目标，结合课程特点，既要考查学生对课程基本知识的掌握程度，又要考查学生平时的学习态度、实践操作能力和创新设计能力。最终成绩由期末考试(40%)、实验考核(40%)、课堂表现(10%)和平时作业(10%)4个部分组成。

其中，实验考核环节是在学期末给学生1-2周的时间，可以分组也可独自进行，学生自行选题进行综合设计，题目需经过教师的审定通过方可开始进行。要求学生自主设计实验电路，在Proteus平台上完成相应的电路设计和程序编写，并得到正确的仿真结果，完成项目要求。学生还需提交设计文档、准备汇报PPT并现场演示，教师根据汇报、演示效果和现场提问情况进行综合打分。

改革后的课程考核方式，消除了学生平时学习应付，临近期末才紧张复习的不良风气，因为仅仅在期末考试取得较高分数并不能保证期末成绩合格。学生最终的考试成绩，与学生平时的付出成正比，勤奋刻苦、善于思考、创新能力强的学生成绩高[7]。

7 结语

在《微机原理与接口技术》课程中引入探究式教学理念，结合CDIO模式教学课程设计，比传统教学方法具有较多的优势。更新教学内容，密切联系实际需要，提高学生的学习兴趣；重视实践教学，充分培养学生的动手操作能力和创新能力；改进考核方式，提高学生主动学习的热情，学生不再是传统的“为考试而学”，而是在学习中获得解决问题的成就感，达到“为兴趣而学”。

CDIO模式不仅培养了学生实际操作能力、解决实际问题的能力和创新能力，而且能培养学生计算机专业素养，通过分组协作培养了学生的团队合作精神，符合素质教育的教学理念。