微机原理与应用技术课程中的CDIO一体化教学模式
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摘要：以培养学生的工程实践能力、分析和解决实际问题能力、创新意识与能力以及团队协作能力。保证人才培养与社会需求紧密衔接为目标，阐述在CDIO一体化教学模式指导下，整合微机原理与接口技术和单片机原理与应用两门课为微机原理与应用技术一门课的过程，介绍从一体化教学内容、一体化理论与实践、一体化课内外学习、一体化虚实实验、一体化考核评价方面在电子信息工程专业CDIO班进行实践的实施效果。
关键词：微机原理与应用技术；CDIO；一体化：教学模式
0.引言
培养具有创新意识、创新精神和创新能力的创新型人才，是经济全球化进程加速下建立创新型国家的迫切需要。如何培养具有广泛的适应性和杰出开拓创新能力的工程技术人才，是高校工科教育面临的重要课题。
一体化教学是CDIO 12条标准中的第三条准则，它能使知识、能力、素质的培养紧密结合起来，将理论、实践、创新合为一体，是“教、学、做、思、创”和“基于项目的教育和学习”的集中体现，是培养学生工程实践能力和创新能力的重要途径之一，同时也是培养学生的集体主义和团结协作精神的有效途径。本文阐述在“微机原理与应用技术”课程中应用CDIO一体化教学模式的实践和体会。
1.背景
微机原理与应用技术课程的前身是微机原理与接口技术和单片机原理与应用两门课（以下简称两门课）。众所周知，微机及单片机知识是工科电类相关专业的软硬件开发应用基础，是学生将来工作所应有的最基本技能，所以我国高校工科电类各专业普遍都开设有微机原理和单片机课程。中国民航大学电子信息工程等电类专业在1986年筹建专业之初就设有微机原理与接口技术课程（70课时），1996年增设了单片机原理与应用课程（54课时），作为微机原理与接口技术的后续课。两门课程之间联系紧密，但在微机系统的知识结构中又处于不同的层面，互不统属。自1998年实施“五强计划”以来，两门课的课程组就从精品课程开始加以建设，并分别于2004年、2006年相继建设成为校级精品课。近年来，随着嵌入式技术的蓬勃发展与普及应用，社会对嵌入式人才的需求量在逐年递增，但嵌入式软硬件设计开发人才又严重不足（每年缺口大约为20万人）。面对这种局面，结合教育部“学分制”本科教育应适当压缩学时，逐渐向国际化方向发展的精神和中国民航大学培养“具有创新精神和工程实践能力的高素质应用型人才”目标定位，以及新时期下社会对创新型工程技术人才的培养需求，我们以“加强基础、重视应用、开拓思维、培养能力、提高素质”为核心，以“突出手、脑并用，有助于促进理论与实践结合”，“突出研究探索，有助于培养学生创新意识和能力”的思想为指导，在学校电子类课程教学指导委员会的统一规划下，经多次教学跟踪和调研，对两门课程进行了优化改革，将两门课程整合为一门微机原理与应用技术课（94课时），由同一位老师分两个阶段，分别放在两个学期进行教学，以2008级电子信息工程专业CDIO班作为试点实践。
2.一体化教学模式
2.1一体化教学模式的构建
一体化教学模式通过一体化教学内容、一体化教学手段和方法、一体化考核评价来实现。微机原理与应用技术课程所构建的一体化教学模式见图1。
2.2一体化教学内容设计
整合后的微机原理与应用技术课程的教学内容及学时安排见表1。该课程的目标是在保证学生了解微机基础知识及8086 CPU体系结构的基础上，侧重培养学生综合应用单片机知识解决实际的能力，达到在学时被压缩的情况下，完成建立微机系统整体概念及熟练应用单片机的教学任务。
在微机原理与应用技术课程的第1阶段主要学习微机基础，目的是帮助学生理解计算机基础原理及结构，熟悉一款带有普适性的CPU原理，熟悉汇编编程及应用，建立起微机系统整体概念，为后续进一步学习不同的CPU以及今后的工作和计算机应用打下坚实的基础。本阶段以理论讲授为主，部分内容的讲述要不厌其烦，举一反三，让学生牢固掌握，如对存储器地址、寻址方式、汇编指令与程序设计、寄存器、存储器扩展、总线、中断等内容；部分内容只是提及或不讲，如对流水线、多核、存储器管理、32位CPU等内容，目的只是扩展学生的知识面和拓宽专业视野；部分内容采用精讲多练的形式，注重学生独立性的训练和思维的启发，如对接口部分的学习可以通过一个典型接口芯片来带动学会这一类芯片的使用方法，达到“授人以渔”的目的。
课程的第2阶段主要强调应用性和实用性，内容主要讲述实用接口电路的设计，常用串行扩展总线，基本I/O、A/D、D/A、LED显示、键盘、液晶显示、USB、红外通信、RS232、485及PS2等接口功能和在实际教学实验中的应用，目的是培养学生实际动手、设计和解决实际问题的能力。
2.3一体化的教学手段和方法
一体化的教学手段和方法主要体现在理论与实践的一体化，课内、外学习的一体化方面，通过项目联系整个课程体系，融教师的教与学生的学、做、思、创为一体。
2.3.1理论实践一体化
微机原理与应用技术是一门理论与实践并重的技术基础课，实践性强是其最突出的特点，而工程能力和创新能力是在不断地解决实际问题的过程中锻炼和培养出来的，电类专业尤其需要突显实验实践的特点和特色。所以，我们充分认识到了本门课程实践教学的重要性，在实际教学中通过项目驱动的教学方式来达到实践教学与理论教学的并重发展。
（1）在教学安排上，要求任课教师理论教学与实验教学互通，教师既教授理论同时又辅导实验，且要同步开设。教师在上实验课之前，要结合相关理论知识对学生进行实验预习引导；在实验课堂上要结合相应的实验现象对理论知识作进一步的总结和概括，同时鼓励学生通过软件仿真或通过实际制作理解巩固理论知识。譬如对汇编寻址方式和部分指令的学习，就是在实验室通过DEBUG环境，师生双方边教边学边做，理论和实践交替进行，直观和抽象交错出现，这样可收到事半功倍的效果。这种理中有实、实中有理的做法，既能培养学生的动手能力和专业技能，又能充分调动和激发学生的学习兴趣，使学生能真正变成学习的主人；同时，通过实验教学，教师也能及时了解学生对理论知识的掌握情况，而且这种理论指导实践、实践又反馈到理论的过程使得学生能从本质上加强对知识的理解，从而加强了实验教学与理论教学之间的联系。
（2）通过项目组织教学，可以把知识、能力、素质等培养目标融入到项目教学过程中。为了解决所遇到的问题，学生需要归纳、整理所学的知识与技能或查阅课外资料，这样能促进学生不断地思考，也能让呆板孤立的知识片化作整体知识链，触类旁通，突出了“教师是主导，学生是主体”的教学理念，改变了“我讲你听，我做你看”的现象。
2.3.2课内外学习一体化
针对微机原理与应用技术课程内容多、部分内容前后之间互有交叉、实践和实用性强、知识更新快等特点，课程组以项目为载体，通过网络、虚拟仿真工具、实验室开放等手段将课堂教学、课外科技活动、毕业论文等关联起来，形成课内、外一体的教学模式，见表2。
对于部分理论知识的学习，除了在课堂上通过板书或PPT讲授外，还让学生通过作业与网络等形式进一步在课外学习，并通过校内的BB网进行师生间或学生间的网上实时答疑、讨论等。
实验、实践教学是我们特别重视的环节和内容，在实际教学中分了3个层次的实验，即基础验证型实验、设计提高型实验和综合创新型实验。这3类实验都以项目的形式在课程一开始就布置给学生。其中基础验证型实验要求全部学生必做，主要采用虚拟仿真与实物相结合的方式。设计提高型实验分为两部分，一部分要求全部学生必做，内容覆盖单片机课程理论教学的主要内容和常规的模电及数电知识，难度中等，如像程控电源、温度测量控制器等题目；另一部分是选做题目，这部分题目与全部的综合创新型实验，是具有一定难度的、需大量查阅资料反复调试才能完成的综合性题目，且题目多种多样。选这些题目的学生既可以做教师指定的题目，也可以根据自己的兴趣，结合教师的各种横向课题或各种竞赛自拟题目（自拟题目需经教师确认），由2～3个学生组成一组在课外合作完成。这些实验、实践项目，除在课内课堂上完成指定的实验外，其余都可以在课外利用学生科协或校内BB网，通过仿真环境或实验室开放完成。
3.一体化的考核与评价
对微机原理与应用技术课程的考核既要体现综合能力，又要加强过程考核。综合能力主要看学生对课程知识、技能的掌握程度及职业素质的养成；过程考核是指考核要贯穿学生的整个学习过程，将学生平时的各种表现都纳入在考核内容之中。课程最后的总成绩由平时成绩、项目成绩和期末成绩3项构成，课程综合成绩考核评价方式见表3。平时成绩主要从出勤、作业、学习态度、网上讨论和师生互动等方面进行考核，占总成绩的15%；项目成绩主要从完成项目的资料搜集、小组协作、构思、设计、制作、调试、实物演示、项目答辩和项目总结报告书写等方面进行考核，占总成绩的45%，主要考核学生的综合应用能力及职业素质；期末考核以闭卷笔试形式进行，占总成绩的40%。
4.一体化教学实施效果
整合后的微机原理与应用技术课程，通过在中国民航大学2008级、2009级、2010级电子信息工程专业cdio试点班连续3年的实践，证明是有效且可行的。改革之前，两门课程的不及格率约为12%，优秀率约为11%，改革后的微机原理与应用技术课程，连续3年的不及格率都没有超过5%，3年来的优秀率平均为20%，良好率平均为43%。学生参加全国大学生电子设计大赛的人数也明显增多了，而且全部采用了51单片机作为主控芯片，虽然大赛涉及电子技术所有课程的知识，但51单片机系统的设计及编程工作量占了一半以上，是影响最大的课程。80%的学生至少完成了两块实物开发板的设计和制作，部分学生通过软件仿真实现了智能仪器键盘、双机通信系统等项目的设计和仿真。通过网上评教，学生对本课程的满意度也由改革前的84%上升到92%。今年，中国民航大学2008级电子信息工程专业CDIO试点班的就业率为100%，这除了与全院教师的努力分不开外，将微机原理与应用技术作为电子类基础课程中骨干课程的建设也起到了举足轻重的作用。