“微机原理与接口技术”混合教学新探索

马义德 张红娟 汤书森 陆福相 张在峰

(兰州大学 信息科学与工程学院,兰州 730000)

为了更好地建设网络教学平台,及时更新和充实线上资源,鼓励学生线上听课与基于网络平台课程信息资源进行主动学习,我们探索了师生互动交流的多种实践模式,通过线上线下的结合,从以教师为主的教学活动,逐步转向以学生为中心的主动式教学实践,以便学生能及时掌握教学内容,提高教学效果。

以下结合我们多年来对“微机原理与接口技术”课程的教学实践,介绍线上线下混合教学模式的新探索。

1 课程简介

“微机原理与接口技术”是教育部规定的综合性大学电子信息方向的专业基础课与专业主干课,也是信息与通信工程、电气工程、控制科学与工程、物联网技术等专业的必修课程,是信息学科相关专业后续课程学习的重要纽带和桥梁,也是嵌入式系统相关课程学习的重要支撑课程。

“微机原理与接口技术”是一门面向应用的、具有很强的实践性与综合性的技术类课程,主要讲述微型计算机硬件电路体系结构和工作原理、微型计算机汇编语言编程原理和常用接口芯片的使用方法、中断控制、DMA访问和程序控制的输入输出技术等的基本原理、对应芯片及其应用技巧。同时该课程的教学还与全国大学生电子设计竞赛、全国大学生挑战杯大赛、全国大学生创新创业以及相关的嵌入式系统竞赛等学科竞赛相结合,对提高学生的创新实践技能,锻炼学生解决生产生活实践中的各种微机应用设计和分析等问题的能力发挥着重要作用。

课程具有以下特点:工作原理与编程方法、接口技术并重;软件与硬件结合;理论与实践结合。课程的这些特点要求学生具备一定的软硬件专业基础,并能够在课程学习的基础上,融会贯通,举一反三,为后续专业课程的深入学习奠定基础[1]。

“微机原理与接口技术”中对CPU硬件工作原理的分析方法又为“嵌入式系统ARM”、“嵌入式系统MCU”及“数字信号处理器DSP” 等后续课程的学习和应用提供基础。该课程涉及的内容多、更新快、实践性强。正因如此,几乎每一个涉及信息学科的工科专业都开设此课程,相关教学科研人员非常关心该课程内容更新、教材建设、实验系统开发。该课程相关内容也一直是国内外高等教育出版单位、教学仪器公司关注的焦点。

随着互联网平台的飞速发展和移动网络终端的便利访问,各种教学资源的网上建设和线上教学逐步应用深入,特别在疫情防控期间,很多课程除了传统的线下教学模式建设外,迫切需要进行线上教学模式、线下线上混合教学模式的建设和探索。结合兰州大学通信工程专业的工程教育认证评估,教学团队就“微机原理与接口技术”课程进行了线下线上混合教学模式的探索。在近几年的教学研究和改革中,进行“微机原理与接口技术”课程的课程思政建设的同时,通过超星、微信等线上课程建设平台,对该课程进行大量的课程资源建设和线上教学模式探索,积累了一些经验,形成了自己的特色教学模式和工作体会。

教学团队结合通信工程专业工程教育认证,基于OBE理念,开展专题讨论会,经过深入分析和讨论,最终形成《微机原理与接口技术2019版教学大纲》。根据通信工程专业培养目标中“微机原理与接口技术”课程支撑的毕业要求内涵指标点,设定新版大纲的课程目标,建立课程目标与毕业要求指标点的对应关系,使课程目标能够支撑毕业要求指标点的达成,具体如表1所示。

表1 课程目标与毕业要求指标点的对应关系

根据课程目标与毕业要求指标点的对应关系,重新安排课程内容及各内容的教学要求,并注重实践内容和知识面的扩展,重新确立了课程教学目标与课程教学内容、要求及教学方法的对应关系,具体如表2所示。

表2 课程目标与教学内容和方法的对应关系

2 挖掘思政元素,融入课堂教学

“微机原理与接口技术”教学团队积极按照《兰州大学关于课程思政建设的指导意见》要求,深入发掘和提炼课程思政内容,并进行总结融入和教学设计。

通过调研学习当前国家对“卡脖子”技术发展的政策和移动通信技术、嵌入式系统及相关操作系统发展需求,结合课程具体单元,课程团队成员积极讨论,深入分析,进行教学设计,将爱国情怀、法制意识、社会责任、人文精神、仁爱之心等思政要素内容深入融合到课堂教学各个环节中,激发学生认知、情感和行为的认同,实现知识传授与价值引领相统一、教书与育人相统一[2],培养学生的爱国情怀以及积极探索、自力更生、刻苦钻研、奋进求是的科学精神。课程思政教育内容与教学设计内容如表3所示。

表3 课程思政教育内容与教学设计

3 建设线上资源,开展教学模式新探索

随着互联网、信息技术、人工智能技术的快速发展,相关网络教学资源逐步丰富,给学生们增加了获取知识的多种通道。线上教学采用多种网络在线平台提供的线上资源,把传统的课堂讲授通过视频或课件上线前移,学生通过碎片化时间的个性化学习,然后带着知识基础走进课堂,线上和线下教学模式相结合,利于课程教学质量的进一步提高。

教学团队利用学校网络课程建设信息平台,基于超星平台完成课程教学资源信息化建设,上传了“微机原理与接口技术”课程教学课件,进行了相关知识单元的视频录像,完成网上习题库、试题库的建设,同时增加了辅助课程学习的相关辅导学习资料和各种有趣知识,包括:晶体管的发明与MCU、ARM、DSP、FPGA的诞生、微处理器CPU诞生50年、微型计算机最新技术与我国集成电路发展、穿戴式设备与柔性CPU芯片、无人驾驶与嵌入式系统、常用可编程I/O接口芯片的英文资料等,能实现线上教学以及线上线下混合式教学。“微机原理与接口技术”课程与微型计算机技术发展结合紧密,我们持续跟踪新变化,不断充实课程内容,鼓励学生进行探索式知识的学习。教学团队积极开展相关科研和教学改革研究,不断扩充本课程相关的新知识内容和技术发展,持续进行网上新技术、新实践、新应用的探索式学习和积累;学生充分应用这些资源,借助各种终端自由学习,不断实践,经过网络文献查阅和本课程相关单元应用模块的设计实践,进行课程实践和知识面扩充,潜移默化地养成了基本科研素质。

在线上教学资源不断补充完善的同时我们积极进行师生互动、完善过程考核机制,在课程考核方面,通过网络平台发布签到任务,方便考勤,节省课堂时间;通过网络教学资源阅读或下载情况监测,方便掌握学生的课前与课后学习情况;通过网络平台进行作业发布与上传批改,易于发现学生学习中的存在的问题,及时给予指导;通过网络平台发布考试任务,可以方便地进行监考、评分等工作。

目前,基于超星平台的学习通软件,教学团队基本完成了课程教学资源的信息化建设,实现了线下教学和线上线下混合式教学模式,学生与老师之间主要通过学习通、微信、邮件进行互动交流。老师通过学习通与超星一平三端平台发布各种教学资源、作业任务、讨论题目等,学生可以随时查看,完成学习任务、作业、解答习题后,又可轻松上传学习结果。同时,结合微信、QQ、腾讯会议等软件,强化了师生之间的互动交流、实时讨论,教师可针对性地对学生进行个性化指导,引导学生学什么、如何学,方便开展启发式教学和科学思维方法与自学能力的培养,强化了学生的自主学习,实现了师生随时、随地沟通与交流。

线下课堂教学主要进行重点、难点知识单元的详细讲解,而线上教学模式的探索,主要进行以学生为主的自主式学习,学生们结合教学和微视频课件的SOPC学习,进行习题例题疑难讨论,热点问题抢答,分析总结教学单元,便于后续课程单元的针对性讲解。还会实时更新和完善。

4 精选实验内容,增补虚拟实验

结合通信工程专业认证,基于OBE理念,积极探索,以大学生创新实践技能培养为目标,进行实践教学研究改革,精心设计实践教学环节。理论联系实际,将线下课堂教学与实践教学密切结合。相比以往实验教学,此次探索注重提升实践教学比重。为此,团队通过专题研讨,进行实践实验教学环节的现状分析,改进不足,重新修订了“微机原理与接口技术实验”课程教学大纲,明确了课程教学目标,使其紧密支撑工程认证的毕业要求指标点,确定每个实验项目内容、学时、教学方法,补充虚拟实验平台,完成网上资源建设,增加创新性、综合性、自主设计实验内容,并设置合理的考核方式。如表4所示为实践教学单元设计主要模块。

表4 实践教学单元主要模块

进行线下实践教学的同时,课后还可以通过线上碎片化自主学习特点,借助“微机原理与接口技术”的虚拟实验平台,让学生们可以自己完成相关单元的实验模块,开展虚拟教学实验。例如,我们采用的某公司生产的“微机接口虚拟实验系统” 中的“虚拟实验平台”就包含了虚拟接口电路和虚拟实验操作台。虚拟接口电路是实验程序和虚拟实验操作台的连接通道[3],包含了实验中常用的I/O接口芯片,有8253、8255、8251、8259、A/D、D/A等,具有与实际芯片相同的功能,并能与实际微机实现“连接”,能够被实际的实验程序所访问,也即对调试程序而言与真实的存在几乎没有差别。“虚拟实验操作台”主要包括常用的外围单元电路,如指示灯、数码管、键盘、开关传感器、步进电机等,是一个交互性较强的可视化界面,不仅可以指示或反映出实验的结果,同时学生可以通过鼠标来进行模拟的连线和使用虚拟测试仪器进行检测等操作[3],方便学生通过网络进行线上虚拟实验。

另外,教学团队在开展实践教学的同时,积极鼓励学生参与实践性的比赛和指导学生进行毕业设计。教师们认真指导学生参与大学生电子设计大赛、大学生创新创业训练计划,其中,一名教师获得了兰州大学创新创业优秀指导教师奖,一名教师指导的学生参加第二届全国大学生计算机能力挑战赛(甘肃赛区AI+),获得了甘肃省大学生人工智能大赛一等奖。暑期学校期间,教师们积极讲授嵌入式系统开发实践、基于FPGA的嵌入式系统应用与开发、电子工艺实习实践等教学内容,如表5所示。这些举措既能够普遍提升学生的实践能力,又能够有针对性地提升部分优秀学生的综合工程实践的应用能力,同时对课程团队教师自身的教学水平、实践能力、工程应用能力的提升以及指导学生毕业设计能力的提升都起到了很好的促进作用。

表5 微型计算机原理与接口技术团队暑期学校进行结合大赛的特色教学实践活动

5 教学科研结合,积极促进教学团队建设

实践证明,教学科研相辅相成,“微机原理与接口技术”这门课程具有实践性强,且结合前沿科技发展,并与科研紧密结合的特点。移动通信技术的发展,5G标准的诞生和5G终端的研制,离不开集成度更高的5 nm以下多核快速低功耗新型CPU芯片的支持,50年来微处理器技术的发展更进一步表明更低功耗、更快速度、更强大的处理性能是CPU发展追求的永恒的主题,无人驾驶技术更离不开多种高性能的嵌入式处理器芯片的支持,同时更加依赖于基于实时嵌入式操作系统和多种外部信息采集的高灵敏度传感器技术的发展。人工智能技术的发展,特别是深度学习的应用更需要高速的图形图像处理的GPU技术、仿人脑神经网络信息并行计算技术的支撑,而美国对高技术的封锁,迫使我们培养能够自主创新、独立自主地实现国产化研发的高素质人才,华为自主研发海思ARM芯片、鸿蒙操作系统、深度学习云平台等更需要我们国家培养出大批创新意识强、综合科研素质好的研究型人才。显然,这对我们课程团队提出更高的要求,我们要不断学习、研究、跟踪新技术,并将其有机融入教学活动中,用科研支持教学,不断探索改进教学方法。

课程团队积极向同行专家学习、互相交流,如表6所示为部分学习的讲座报告。

表6 教学团队参加学习与培训活动总结

经过教学实验团队的多年努力,兰州大学信息与工程学院已经形成了一个中青年教师为主、老中青相结合的教授、副教授、讲师、助教构成的“微机原理与接口技术”课程业务水平扎实的教学团队,团队中经验丰富的老教授传帮带,加快了团队的稳步成长,团队成员都获得博士学位,具备较扎实的科研积累和较好的教学水平。大家积极投入教学改革,持续探索科研与教学的融合更新、教学方法的不断改进、课件讲义的不断提炼、实验与学生创新实践技能探索等各项活动,制定了一套完整的课程建设计划和团队建设制度,不断加强团队合作、教学研讨和经验交流,促进教师教学发展,加快课堂教学改革,提高团队实力和整体教学质量。

6 结语

兰州大学“微机原理与接口技术”课程教学团队经过20多年来积累的线下课程建设经验和扎实的教学研究成果,结合最近三年多来的线上资源建设、线下线上混合式教学模式的探索,已经取得明显的效果:

(1) 结合通信工程专业认证,基于OBE理念调整了课程内容,改革了考核方式,修订了2019版课程大纲,更新了全部教案,同时精选实验模块,增补虚拟实验,进行实验教学线下线上混合模式新探索。

(2) 基本完成线上教学资源建设,熟悉了线上线下教学和反转教学,形成了课程线上化建设报告。

(3) 课程思政建设初见成效。思政内容融入课堂教学,激发大学生爱国情怀、理想信念、勇于探索的科研攻关精神。

(4) 团队成功通过2020年度甘肃省一流本科课程建设申报,形成了分工明确、团结上进、积极探索的教学团队。

总之,“微机原理与接口技术”这门课程内容繁多、概念琐碎、需要记忆的知识点多,微型计算机技术发展快,新技术与新知识大量涌现,更加需要我们关注实践和应用,当前形势下,需要进行线上、线下、线下线上混合教学多种模式的探索建设。实践表明:团队基于混合式教学模式的“微机原理与接口技术”课程教学具有良好的教学效果,对于培养自主创新的科学探索精神的高素质专业人才具有重要的现实意义。