基于IB—CDIO理念的《微机原理》实验教学探索

何金枝+赵天翔+李云强

摘要：简要介绍了《微机原理》传统实验教学的现状及问题，利用proteus仿真软件，在探究式教学模式的基础上结合CDIO 工程教育教学理念构建了IB-CDIO教学模式，实践表明，在此教学过程中学生不仅提升理念知识掌握程度，而且实践能力也得到提升，同时激发了学生的学习兴趣，也充分锻炼了学生的创造能力以及团队合作能力，使学生终身受益。

关键词：CDIO工程教育理念；IB-CDIO；探究式教学；proteus

中图分类号： G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）34-0138-03

Based on the Concept of IB-CDIO "MicroComputer Principle " Experimental Teaching Exploration

HE Jin-zhi1， ZHAO Tian-xiang1， LI Yun-qiang1，2

（1.College of Computer and Information Engineering， Nanyang Institute of Technology， Nanyang 473004， China；2.College of Transportation Engineering， Tongji University， Shanhai 200092， China）

Abstract：Briefly introduces the present situation and problems of traditional experimental teaching of "computer principle"，using the proteus simulation software， the IB-CDIO teaching model is constructed on the basis of the inquiry-based teaching model and the CDIO engineering education teaching idea. The practice shows that in this teaching process， not only to enhance the level of knowledge of the concept of knowledge， but also to improve the practical ability， while stimulating the students' interest in learning， but also fully exercise the creative ability of students and teamwork， so that students benefit for life.

Key words： CDIO engineering education philosophy； IB-CDIO； inquiry-based teaching； proteus

1 概述

当今中国的教育目标是培养有创新意识、创新精神、創新能力的综合素质性人才，为了适应社会对应用型人才的要求及高等教育改革的发展[1]，我院在应用型人才培养模式上不断地探索和尝试。 《微机原理》是高校计算机各专业重要的专业基础课程，同时也是学好如ARM、单片机、DSP等后续课程的先修课程[2-3]。在《微机原理》课程建设过程中，我们积极研究探索尝试新的实验实践教学模式，把探究式教学和CDIO工程教育模式的教育理念融入到传统的实验教学中，制定科学合理的实践教学方案，在教学实践中取得了良好效果。

2 微机原理课程实验的现状

《微机原理》是一门理论性和实践性都很强的专业基础课程，要求学生融会贯通掌握计算机硬件和软件两个方面知识的应用，实验教学比理论教学更有利于学生动手与创新能力的培养，因此实验实践教学在《微机原理》课程的教学中非常重要[4-6]。实验实践教学环节是实现理论知识与应用的结合，但目前高校中的《微机原理》教学大多都存在着一些问题。

1）理论讲授学时多，而实验学时少。目前大多数高校《微机原理》课程在实施过程中，以大量课堂理论教学附带少量实验教学的模式进行，学生常反映学习《微机原理》上课时能听懂，而在实验完成后对芯片的工作原理还是不懂，学习效果不佳。

2）创新性限制。传统实验教学通常是使用试验箱或实验板，实验内容大部分侧重于验证性实验，学生只需要按照实验指导书的操作步骤进行连线、编程，自己动手编写的程序不多，线路连接好后直接运行程序观察实验现象，很快就可以完成实验，学生很少动脑思考实验设计的原理以及分析实验数据，操作简单但不利于培养学生的硬件开发能力。虽然在一定程度上掌握了课本知识原理，但这种实验限制了学生的创新性和设计能力的培养，未能充分调动学生的主观能动性。

3）实验时间限制。由于实验课在实验室的实验箱上进行，这样不利于学生的实验预习，实验室对学生的开放仅限于实验课，如果在实验课上没有完成实验的学生没办法接着完成实验。

4）实验成绩考核方式单一，忽略实践能力。传统实验成绩根据学生具体操作步骤及撰写的实验报告来进行评定。学生在写实验报告过程中对实验数据进行分析整理，由于部分学生实验报告存在抄袭现象，很难通过实验报告来评判学生实验水平的高低。由于实验成绩判定的片面性和不严格，致使学生注重实验操作而不注重实验原理，重视实验结论而不重视实验数据的分析。

综上所述，《微机原理》的实验实践环节改革势在必行。参考探究式教学模式和CDIO 工程教育模式，在教学方法、实验内容、考核方法等多个方面，对《微机原理》的实验实践环节进行改革探索，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。

3 IB-CDIO教学理念

3.1 探究式教学模式

探究式教学（Inquiry-based Teaching）是指学生在学习概念和原理时，教师只提供给他们一些案例和问题，让学生自己通过阅读、观察、实验、思考、讨论、听讲等途径去独立探究，自行发现并掌握相应的原理和结论的一种方法。它的指导思想是在教师指导下，以学生为主体，让学生自觉地、主动地探索，掌握认识和解决问题的方法和步骤，研究客观事物的属性，发现事物的起因和事物内部的联系，从中找出规律形成自己的概念。

3.2 CDIO工程教育理念

CDIO表示构思（ Conceive） 、设计（ Design）、实现（ Implement） 、运作（ Operate） [7-8] 。该理念以产品研发至产品运行的整个生命周期为载体，培养学生主动地参与从理论知识到产品开发的转化过程的方式学习工程。CDIO工程教育模式主要培养学生的工程基础知识、人际团队能力、个人素质和发展能力以及工程系统能力四个方面的能力。它提倡问题驱动教学方式，注重培养学生实际动手能力的实践性教学，课程实验教学从具体实践出发，再上升至理论，然后再回到实际操作中来，以创作最终产品为教学目标[9-10]。针对《微机原理》存在的问题和面临的困境，基于CDIO 的工程教育理念对我们有较好的启迪作用。

3.3 IB-CDIO教育理念

IB-CDIO教育理论是把探究式教学模式与CDIO工程教育理念有机整合，利用Proteus仿真软件形成“以项目为主线、学生为主体、教师为引导、CDIO能力培养”，以讨论式和研究型为主要学习方法，重点突出工程应用实践，学生通过实际案例教学，自主构建完整的知识体系，同时在项目完成的过程中有效提高学生的动手能力。

3.4 实验教学方法改革

3.4.1 充分利用互联网资源

互联网的普及和校园网的完善为《微机原理》的实验教学提供了便利的环境，教师可以利用校园网在网站上及时更新实验的相关信息，同时录制相关的实验操作视频供学生学习和参考。上课时教师进行引导，让学生自觉主动地去实验探索或查阅，去发现解决问题的方法。这样教师只起到一个组织者的角色，指导并规范学生的实验过程。实验过程可以由一个学生来完成，也可以由几个学生分组完成，这样同时也培养学生合作的团队精神。在这个过程中，学生要把自己的实验过程或者查阅的资料进行归纳总结，得出自己的结论。不同的学生或者团队针对同一问题提出不同的看法，大家共同探讨。

3.4.2 与proteus仿真技术相结合

传统的《微机原理》实验是几个学生一组在实验箱上完成，扩展性不强，实验效果不好。为了提高实验课的实验教学效果，让学生参与整个电路的设计，深入了解芯片的结构及其工作原理，我们打破传统实验的限制，利用Proteus软件對微机原理实验进行仿真。这样在实验过程中，教师通过对各芯片的硬件连线和软件控制方法的讲解，学生对整个电路的设计有了直观的认识，激发了学生学习热情。

3.4.3 产学研合作，加强师生的工程实践能力

学院可以邀请富有工程经验的企业技术骨干到学校开设相关的知识应用讲座； 同时组织任课教师到企业去参观学习，增加教师的工程实践能力。通过这种方式，教师再传授给学生，学生也开阔了视野，为培养学生工程实践能力奠定基础。

3.4.4 多样化的实验成绩评定方法

为了更好地提高学生的学习自觉性和能动性，我们将学生的实验预习、实验操作、实验结果和实验报告作为实验成绩的一部分。学生进入实验室做实验之前需要由任课教师检查实验预习情况，给出预习成绩，不合格的不允许进行本次实验。实验操作和实验结果由任课教师当场记录，根据完成情况当场验收并给定成绩，这种的考核方法具有公正性和科学性。

3.5 实验内容的改革

3.5.1 基础性实验

在基础实验环节，注重对学生基本能力的培养，合理地掌握每个实验项目的深度和广度，投其所好，根据所学专业不同而有针对性地选定实验题目进行仿真实验，逐渐培养学生对这门课的兴趣。具体方法如下，所有的实验电路的搭建和程序设计都是设计性的，但对于一些基础薄弱的学生，我们采用半启发性地进行引导，不直接告知学生，不为其提供详细的电路和程序，而是提供基本的设计思路和方法，他们可以通过查阅资料和小组讨论的方式，自行设计安排及设计方案，这种半启发式的教学很大程度上提高了学生学习的积极性。

3.5.2 设计性实验

在熟练掌握了基本指令和程序基础上，启发学生在真实的任务中解决问题，实现多种常用功能。其次在实验过程中，根据每个小组实验进程，不定时地对各小组提出与实验进程有关的问题，出现一些现象的原因，这样使实验过程演变成老师和学生间的多向交流的过程，引导学生自己根据实验过程及现象使学生在学习中不仅可以对基础知识有了更深入的理解，还增强了学生的动手能力，使学生认识到这门课程的有用之处，从而更主动积极地去学习，达到实验教学目的。

3.5.3 开放提高性实验

对于学习兴趣高、基础较好的同学，我们让学生通过参加各类设计大赛或参与到教师的一些课题或科研项目中，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，自行组织实施。这种开放实验题目的方法能够极大地激发学生的学习热情，并且实验题目不重复，学生尤其对于自主设定的实验题目，完成热情极高，使学习效率显著提升。在整个项目完成过程中，需要小组成员分工合作，并且锻炼了学生的交流、沟通、合作及创新能力，在实践中强化了团队精神。同时学生还掌握了“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[1]，该方法也是践行CDIO 模式4个步骤的最好方法。

4 结束语

我们在《微机原理》实践中引入IB-CDIO 理念，经过一个学期的教学实践，教学效果较为理想。学生学习兴趣有所提高，形成了良好的学习氛围，对项目的运作过程有了亲身实践机会，学生间的合作意识、交流沟通能力都得到了培养，同时也使学生的综合设计能力和创新能力得到锻炼。今后我们还将不断探索、完善相关课程的教学改革方案，推动教学改革的深入，进一步提高工程教育质量。

参考文献：

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[9] 张晓东，卢艳军.基于CDIO理念的“嵌入式系统”教学模式改革[J].实验室科学，2016，19（2）：176-179.

[10] 王瑞荣.SC-CDIO理念下国贸专业实践课程教学体系的构建[J].实验室研究与探索， 2016，35（7）：198-201，234.