基于“虛實結合”實踐平臺構建面向創新能力培養的實驗教學模式

陳 真，戴永壽

（1. 中國石油大學（華東） 海洋與空間信息學院，山東 青島 266580；2. 中國石油大學（華東） 控制科學與工程學院，山東 青島 266580）

1 背景

“微機原理”課程在我校已開設近30 年，是我校信息類、電氣類專業的基礎必修課程，理論性、實踐性和應用性很強，在專業的課程體系中具有承上啟下的引領作用。課程組一直秉承理論與實踐相結合的教學理念，注重實驗教學環節的內涵式建設，獨立開設“微機原理實驗”（24 學時）作為“微機原理”理論課程配套實驗課程，在教學體系、教學內容、實驗教學環節等方面進行了積極探索[1-7]。教育部提出的新工科建設思想[8]，注重知識的前沿性和綜合性，因而將新知識和新技術融入學生的培養環節中顯得尤為重要。

當期課程的實踐教學主要面臨如下問題：

（1）實踐教學模式單一，側重基礎教學。傳統實踐教學模式下接口設計實驗的硬件設計部分只需按照接線引腳圖即可完成，學生往往被動實驗，缺乏對接口電路設計的深入理解，制約了學生自主學習的積極性、主動性和創新能力，不能充分培養學生的綜合實踐能力。

（2）綜合設計性和研究性實驗普遍存在實踐內容多、學時少、難以充分體現設計創新性效果的突出問題，不利于培養學生的工程實踐能力，難以滿足學生的創新性需求。

（3）實踐教學內容缺乏先進性和前沿性，難以適應最新計算機技術發展。

（4）實踐環節設計難以體現教師的引導和啟發作用，不利于調動學生自主實驗的積極性和個性化發展。

（5）實驗內容設計重基礎，面向接口基本功能以及接口芯片，內容相對單一，難以實現綜合性和創新性。

針對上述問題，以提升學生實踐創新能力為目標，對基礎課程的傳統實踐教學模式進行改革，優化實驗教學體系、更新并設計教學環節和教學內容，構建融合先進理念、注重培養學生創新精神和實踐能力、便于推廣的新型實驗教學模式，對解決目前傳統實驗模式面臨的諸多問題具有重要意義。

2 “虛實結合”實驗教學模式的構建

2.1 基于OBE 理念的教學模式

基于 OBE 理念的“虛實結合”實驗教學模式[9-12]遵循“以學生為中心”，學生由被動實驗轉變為實驗的設計者，激發了實驗興趣，提高了自主實驗的積極性和主動性；該模式“以產出為導向”，積極推行“持續改進”，依托新型8086 微處理器實驗系統，結合前沿MSP430 系列應用技術，并融合了先進的虛擬仿真設計理念[13]。該模式自2016 年應用于“微機原理實驗”教學以來，不僅拓寬了學生的專業視野，提升了學生的專業素養，而且進一步實現了學生從基礎知識理解到綜合能力提高的轉變，從驗證性思維到設計、創新性思維的轉變。

2.2 “寬口徑、厚基礎、分層次、模塊化、個性化”地設計教學內容

將理論教學與實驗設計有機結合，使學生從理論和實踐兩方面掌握微型計算機的基本組成、工作原理、軟件編程及硬件接口方法，建立起微機系統的整體概念，具備運用現代微機技術進行軟、硬件系統開發的能力。教學內容重點強化對學生自主設計、自主創新能力的培養，由必修、選修模塊組成，每個模塊分為必做、選做和擴展提高實驗項目三個層次，方便教師或學生針對不同專業特點和學時要求以及后續課程的需要進行靈活選擇，“寬口徑”“個性化”組合，保證訓練目的更具專業性和針對性，并能更好地適應綜合設計性和開放性實驗的開展，同時滿足個性化和復合型人才的培養目標。模塊化實驗內容體系及分層實驗項目[14-15]如圖1 所示。

2.3 構建“虛實結合”實踐平臺，滿足學生創新需求

平臺將軟件仿真設計、演示及研究性特點與硬件驗證、測試及實踐性特點緊密結合，學生在虛擬仿真環境下可以不受硬件資源和時空限制隨時隨地進行設計實驗，根據設計方案進行軟硬件聯合調試、改進初步設計方案，完善功能，最終實現軟硬件的綜合性設計及拓展實驗。

平臺的構建既有利于融合前沿的應用技術，又兼顧基礎理論的鞏固提高，引導和促進學生進一步創新實踐；平臺拓展了實驗教學空間，為傳統實驗教學模式向開放創新性實驗教學模式過渡提供了契機。

2.4 設立探究環節和經典案例，引導學生實踐創新

根據實驗中涉及的軟硬件接口設計的關鍵技術制定多個探究環節，并結合具有實際應用場合的經典案例引導學生逐步掌握實驗原理，熟悉實驗方法，層層遞進、由淺入深地完成實驗任務。

指導學生查閱文獻并結合大創、科技競賽、科研項目等資源，自主制定設計方案、實現步驟和調試方法，引導學生基于常用接口芯片功能，制定接口設計方案，探究接口設計的關鍵技術。

設立探究環節以及層次化設計的經典案例的目的是：①引導學生熟悉流程，啟發學生創新思維和自主設計；②引導學生掌握設計要點和關鍵技術；③引導學生利用經典案例掌握平臺的使用和實踐流程。

2.5 加強過程考核，采用多維評價方法，助力學生專業素養能力的提升

根據專業培養目標建立科學、合理、全面的考核方式和多維評價方法，將實驗過程、考核成績與問題反饋進行有機結合，并讓學生積極地參與到成果評價中，采用教師評價、學生自評和互評等多維評價方法。

為了鼓勵學生自主設計、自主創新，考核內容和評價方法改進如下：

（1）從理論知識、實踐應用能力和創新素養三個層面進行考查；

（2）增加了系統設計、仿真和探究的考核環節和多維評價方法，細化了考核內容，加強對實驗過程的考核；

（3）對學生答辯展示創新作品的考核環節采用多維評價方法，更具公正性和公開性，也促進了交流學習和提高完善。

考核內容及成績評定方式為：預習環節成績（10分）+綜合設計性環節成績（60 分）+實驗報告環節成績（30 分）。

圖1 模塊化實驗內容體系及分層實驗項目

預習環節主要考查學生自主制定設計方案的可行性和創新性，從實驗安排進度到“接口設計實驗”內容開始之前這段時間要求學生填寫初步設計和探究方案（10 分）；綜合設計性環節主要考查學生靈活應用理論知識和接口綜合設計能力，發現、分析、解決問題的實踐創新能力，包括系統設計（10 分）、系統仿真（30 分）和系統調試（20 分）；實驗報告環節成績包括電路設計原理圖、源程序流程圖和代碼等設計資料的完整性（10分）、結果與分析（10 分）、問題討論和探究（10 分）。

3 應用效果

2012 年，我們對“微機原理實驗”進行了升級改造，經過7 屆本科生使用，一直不斷加以完善；2015年在現有教學實驗裝置上融合基于 8086 微處理器的系統仿真設計開展實驗，通過融合先進的EDA 技術，我校微機原理實驗教學效果顯著提升，拓寬了學生的專業視野，提升了學生的專業素養；2016 年對“微機原理實驗”進一步升級改造，并融合MSP430 仿真模塊，特色明顯，效果優良，目前教學內容和課程體系已趨完善。其應用效果主要體現在：

（1）在微機原理實驗教學應用過程中，運用“虛實結合”實驗教學模式的優勢促進了學生深入理解和靈活掌握理論知識，引導學生積極主動地參與到教學的各個環節中，師生之間、生生之間交流互動明顯增強，學生設計創新的積極性高，興趣濃厚。

（2）分析、研究學生的實驗報告和實驗總結發現，學生在自主設計、自主實現的實驗過程中，其編程能力、邏輯思考能力、分析問題和解決問題的能力都得到提高，并且增強了探索、挑戰的信心和勇氣，拓寬了專業視野，提升了學生綜合專業素養和開發創新能力。

（3）融合了先進的仿真和前沿技術，注重培養學生的創新實踐能力，教學設計的各個環節鍛煉了學生的軟硬件編程能力，使他們盡快建立起微機系統的整體概念和設計要素，掌握了科學的設計流程和方法，為學生進一步申請大創、參與科技競賽和科研項目等個性化發展打下了堅實的基礎。

4 結語

綜上所述，“虛實結合”實驗教學模式在強化學生基礎理論理解的基礎上，突出設計性、綜合性、創新性和前沿性，注重培養學生分析、解決問題的綜合應用能力和自主創新意識，可以顯著提升教學效果和學生創新實踐以及工程應用能力，對于信息類、電氣類和其他相關專業具有積極的推廣和應用價值。