淺議面向工程實踐的實驗課教學改革

王坤 許韞韜

【摘 要】 本文分析了“微機原理及單片機應用”實驗課程教學中存在的主要問題。闡述了《微機原理與單片機應用》實驗課程的教學改革理念：合理調整實驗項目內容、比重及實驗項目之間的關系設置;積極更新知識結構，改變知識傳遞方式，提升授課效率;秉承工程教育認證所注重的過程性評價理念，構建靈活且嚴格的成績量化評定方式。

【關鍵詞】 微機教學;改革理念;實踐教學

實踐教學環節是高等教育體系中的重要組成部分，是鞏固學生理論知識、提高學生動手能力、培養學生工程設計基本素質的重要環節。本科教育過程中，專業實驗課通常被安排在第5-7學期，這段時間恰好位于生產實習以及本科畢業設計環節之前，對學生來說，既是對過往知識的強化與靈活運用的過程，又是培養正確工程設計觀念的環節，因此，專業實驗課的教學效果往往會對學生專業課程的學習、畢業設計的完成乃至就業后從事技術行業的基礎水平產生較為深遠的影響。

《微機原理及單片機應用》課程是學生最先接觸到的硬件和軟件相結合、且密切相聯的一門課程，是一門實踐性和應用性都很強的課程，因此該課程的實驗教學就成為了學好這門課程的關鍵。在國家倡導高校以“學生為中心”、以“面向產出”為目標，不斷提高“教育教學質量”的要求下，[1-3]如何既要讓學生學習掌握微機的基本理論和原理，為后續課程打下較扎實的理論基礎，又要讓學生真正掌握單片機的應用技術，以提高學生的實驗實踐能力、創新創業能力，這對以培養應用型人才為主的本科教學來說極為重要。

一、“微機原理及單片機應用”實驗課程教學中存在的主要問題

《微機原理及單片機應用》是“微機控制技術”、“嵌入式系統”等課程的先修課程。通過本門課程的學習，要求學生掌握微型計算機系統的基本概念，熟悉微型計算機系統的構成原理、單片機系統的基本組成與各部分的工作原理，從而使學生能清楚地了解微機系統的結構與工作流程，將軟硬件知識融會貫通，建立應用系統的概念，能夠進行微機應用系統設計方面的工作。為了通過實驗教學達到對學生在該課程中所學知識的驗證、利用及發展提高，實驗教學的內容設置、實驗的教學方法及實驗考核的方式對課程的學習效果將起到至關重要的作用。在現行的實驗教學過程中，主要存在以下一些問題：

1、《微機原理及單片機應用》課程包涵有《微機原理及接口技術》和《單片機原理及應用》兩大知識模塊。微機原理部分偏向于原理性的介紹，實驗比較簡單;而單片機原理部分偏向于應用性，設計性的實驗項目比較多。兩部分的內容既相關又有區別，實驗過程及編程的方式非常相似。正是由于兩部分內容的相似性使得學生常常出現相互混淆的情況，導致部分學生接受有困難，甚至造成厭學情緒。

2、該課程具有明顯的實踐性，許多內容會直接應用于工程實踐。對于這些內容，只有通過相應的實驗及設計環節，才能讓學生深刻掌握這些內容，而不是紙上談兵。實踐教學最主要的一個環節就是讓學生動手去做，但目前大多開設的只是驗證性的實驗，設計性實驗偏少，很難調動學生學習的積極性，實踐環節在教學過程中的輔助作用越來越不明顯。

3、在這門課程的學習中，隨著實驗內容中設計功能的不斷增加，電路的連接越來越復雜，學生排錯越來越困難，實驗中初始化程序和應用程序大都是由匯編語言編寫而成的，如果沒有課前認真、充分的準備，很難達到預期的實驗效果，從而無法實現對學生動手動腦能力的訓練，也就更談不上進行系統開發的創新設計訓練，很難達成應用型創新人才培養的目標。

考慮該門課程在實驗教學過程中所存在的這些問題，我們必須秉承“工程教育認證”的理念，從培養應用型創新人才的目標出發，以“微型計算機控制技術”在工程實際中的廣泛應用為線索，重新梳理實驗教學內容中的重點和難點，優化實驗教學內容，合理安排教學計劃;不斷改進實驗教學方法與教學手段，將學生的學習由被動變為主動，激發學生學習的積極性、主動性;通過考核方式的改革，利用有限的學時讓學生多動手實踐，從而解決基本理論與實際應用的矛盾，培養學生的工程應用能力、實際動手能力與自主創新能力。

二、合理調整實驗項目內容、比重及實驗項目之間的關系設置

根據理論課程的課程目標和教學任務要求，《微機原理及單片機應用實驗》共安排24學時，以往實驗內容設置上，考慮到微機原理作為基礎理論性課程等原因，安排微機原理相關內容實驗16學時（8項），單片機相關內容8學時（4項）;現調整為實驗理論授課4學時（2次，均為在線授課資源），微機原理必修實驗8學時（4項，配套2次在線授課資源），單片機應用必修實驗10學時（5項，配套2次在線授課資源），綜合必修實驗2學時（1項，同時配套在線授課資源），同時設置其他選修實驗項目。

通過實驗理論授課講解工程化設計的概念思路，為學生樹立科學的軟硬件設計觀念，并簡要介紹實驗環境，完成實驗教學的入門;通過以匯編語言軟硬件設計為主的微機原理必修實驗，強化貼近硬件底層編程的思路;通過單片機應用1至2次實驗完成從匯編語言到C語言的過渡，并通過剩余的單片機應用必修實驗內容完成多個單獨功能模塊的訓練;綜合必修實驗內容通常會提前告知，屆時，學生將利用前若干次的實驗成果完成并提交綜合實驗要求。通過上述實驗內容設置的調整，實現了在強調基礎性實驗的基礎上，形成必修實驗、選修實驗、開放實驗、創新實驗相結合的多層次實踐教學內容，構建了“遞進式工程實踐能力培養和專業訓練”實踐教學內容設置的新模式。

三、積極更新知識結構，改變知識傳遞方式，提升授課效率

無論培養方案與教學大綱規劃了什么樣的授課內容，授課教師準備了哪些知識點進行講解，最終的教學效果往往取決于這些內容、知識點有多少被學生掌握吸收，這就是所謂的授課效率。[4-5]長期以來，國內多數大學本科教育課堂形式依然為“教師講，學生聽”的模式，單就實驗課堂而言，則可描述為“教師講解內容步驟，學生照做”的狀態，基礎公共實驗如此，專業實驗亦是如此。這樣的教學模式以教師為主導，學生為被動，教學效果多依賴于教師展現知識的手法、教師的教學經驗與個人魅力或師生群體之間的關系。

為達到更好的教學效果，實現更高的授課效率，教師不僅要通過各種途徑保持自身知識儲備的與時俱進，不斷提升教學能力素質，提升人文修養以培養更強的個人魅力，更重要的是要改變教學理念，以提升學生就業能力和工程實踐能力為根本出發點，從單純的“我要教某些內容”變為“學生愿意聽什么內容”，把“在講臺講解”的形式變為“到學生中講解”的形式，變“教師手把手的教實驗”為“學生思考著做實驗”，并著手實施。

在實驗教學實施過程中，應充分考慮大學生群體的特點，在保證教學內容的前提下，在實驗運行方式上進行創新性的探索。

1、“技能樹”形的實驗項目結構

以《微機原理及單片機應用實驗》為例，根據實驗項目設置，所有的實驗項目以如圖1的樹形結構來展現，邏輯順序由底層向頂層逐步完成，只有完成了當前節點下層連接的所有節點，才可“激活”當前節點，同層節點無固定先后順序。該結構借鑒了游戲中“技能樹”的概念與邏輯，“技能樹”形的實驗項目結構設計，相連節點之間互相關聯，上下節點之間層次分明，用學生喜聞樂見的方式，既闡明了課程包含的所有實驗項目內容，又表明了各實驗項目之間的邏輯依存關系，同時也充分考慮了大學生群體自主間，激發學生興趣，提升了教師實施教學環節的親和力。

實驗“技能樹”通常在實驗理論授課環節進行展示，這樣能夠讓學生對實驗課程內容有一個宏觀上的把握。進入實驗操作課程后，每次實驗課的實驗教學講解環節依然按照大綱安排，按時間順序講解實驗內容要點，而后學生根據實驗要求完成相應實驗內容，由指導教師驗收。同時，依托“技能樹”形的實驗項目結構圖，也可約定為：學有余力的同學可以根據自身情況按照“技能樹”自行決定實驗項目，根據實驗完成情況提交結果驗收，改變以往死板教條的按次實驗、實驗內容相關度不高的方式，保持了內容的連貫性，強化了知識點之間的相關性，為學生培養基于模塊化的工程設計理念，樹立科學的軟硬件設計理念，實際教學效果良好。

2、全面覆蓋的分層次教學理念

在實際的實驗教學運行中，采用創新的實驗授課模式，實現分層次教學的全新理念。具體的做法是在實驗課程開始之前提前與學生接觸，通過雨課堂平臺等溝通方式了解學生的學習需求和出發點，將需求分為“畢業型”、“技術知識型”、“工程應用型”三個層次，分別對應為大綱知識掌握、擴展知識融合、工程技術應用技能培養三層不同要求，為不同需求層次的學生合理設計安排必做和1至2項選做實驗內容，進一步細化每個實驗內容要求，合理配置教學資源，令絕大多數學生能學懂，學有余力的學生能學精，保證教學大綱既定知識點的普及教育，同時注重精英培養，物盡其用，人盡其才。

四、秉承工程教育認證所注重的過程性評價理念，構建靈活且嚴格的成績量化評定方式

結合全新的實驗內容設置和實驗教學運行新模式，課程的成績評定方式也將隨之改革，使得考核方式更加靈活、更加公平合理。實驗教師以每次（每周）實驗課時間為對應實驗項目的最遲驗收時間，按時間節點驗收，也可由學生根據實驗“技能樹”的關系自行安排實驗并提前申請驗收;驗收時主要考察實驗過程參與度、實驗完成速度、實驗結果三個方面，輔以隨機提問作為參考，計單次實驗成績;同時，各次實驗成績按照難易程度不同分配相應權重，課程綜合評定成績按各項成績加權量化計算;另外，實驗到課情況與實驗報告占較低權重，但具有一票否決特性。該成績評定方式同樣會在開設實驗課程初期向學生公布，為確保教學效果，各項權值并不公布。在教學活動實施中運用在線簽到、隨堂線上答題、課堂互動、預習情況、習題等方式對學生學習情況進行全方位監控，并運用統計數據對課堂學習效果、教學進程推進情況進行檢驗和控制，實時對課堂教學進程進行調整。

這種成績評定方式擯棄了以實驗報告成績為主的成績核算方法，豐富了考核評價手段，由于實驗報告和到課情況在成績評定中的一票否決特性，確保了教學秩序，減少了為保證成績抄報告的現象，各項成績加權量化計算的方式旨在培養學生踏踏實實的學習態度，樹立一步一個腳印的科研習慣，對學生的教育不僅局限于對課程知識本身，同樣關注學生世界觀價值觀的培養。

五、總結

結合近些年的專業實驗教學實踐，秉持“培養學生創新意識和工程實踐能力”為導向，針對“微機原理及單片機應用”實驗教學過程中存在的主要問題進行了探討，通過優化實踐教學內容、改革實踐教學手段和教學方法，探索出了一種全新的實驗教學模式。借助“分層次”教學模式的改革創新，為學生創造了寬松的實驗環境，充分調動了學生的主觀能動性，有利于培養學生積極探索、開拓創新的能力，有利于教學質量和學生素質的提高。

【參考文獻】

[1] 李文娟.面向工程教育專業認證，提升高校教學管理水平[J].高教學刊，2017（1）130-131.

[2] 李志義. 解析工程教育專業認證的成果導向理念[J].中國高等教育，2014（17）7-10.

[3] 趙亦希.以學生能力培養為導向是工程教育專業認證的基本準則[J].上海教育評估研究，2014（4）5-7.

[4] 趙元黎. 在《微機原理》實驗中應用研究型教學模式[J].實驗科學與技術，2014（12）63-65.

[5] 萬軍.基于翻轉課堂的《微機原理》課程實驗教學改革[J].軟件導刊，2016（15）190-191.

【作者簡介】

王 坤（1976—）女，西安工業大學電子信息工程學院副教授，研究方向：微機控制技術及其應用.

許韞韜（1983—）男，西安工業大學電子信息工程學院助工，研究方向：嵌入式系統控制理論及其應用等.