陈 真，戴永寿

（1. 中国石油大学（华东） 海洋与空间信息学院，山东 青岛 266580；2. 中国石油大学（华东） 控制科学与工程学院，山东 青岛 266580）

1 背景

“微机原理”课程在我校已开设近30 年，是我校信息类、电气类专业的基础必修课程，理论性、实践性和应用性很强，在专业的课程体系中具有承上启下的引领作用。课程组一直秉承理论与实践相结合的教学理念，注重实验教学环节的内涵式建设，独立开设“微机原理实验”（24 学时）作为“微机原理”理论课程配套实验课程，在教学体系、教学内容、实验教学环节等方面进行了积极探索[1-7]。教育部提出的新工科建设思想[8]，注重知识的前沿性和综合性，因而将新知识和新技术融入学生的培养环节中显得尤为重要。

当期课程的实践教学主要面临如下问题：

（1）实践教学模式单一，侧重基础教学。传统实践教学模式下接口设计实验的硬件设计部分只需按照接线引脚图即可完成，学生往往被动实验，缺乏对接口电路设计的深入理解，制约了学生自主学习的积极性、主动性和创新能力，不能充分培养学生的综合实践能力。

（2）综合设计性和研究性实验普遍存在实践内容多、学时少、难以充分体现设计创新性效果的突出问题，不利于培养学生的工程实践能力，难以满足学生的创新性需求。

（3）实践教学内容缺乏先进性和前沿性，难以适应最新计算机技术发展。

（4）实践环节设计难以体现教师的引导和启发作用，不利于调动学生自主实验的积极性和个性化发展。

（5）实验内容设计重基础，面向接口基本功能以及接口芯片，内容相对单一，难以实现综合性和创新性。

针对上述问题，以提升学生实践创新能力为目标，对基础课程的传统实践教学模式进行改革，优化实验教学体系、更新并设计教学环节和教学内容，构建融合先进理念、注重培养学生创新精神和实践能力、便于推广的新型实验教学模式，对解决目前传统实验模式面临的诸多问题具有重要意义。

2 “虚实结合”实验教学模式的构建

2.1 基于OBE 理念的教学模式

基于 OBE 理念的“虚实结合”实验教学模式[9-12]遵循“以学生为中心”，学生由被动实验转变为实验的设计者，激发了实验兴趣，提高了自主实验的积极性和主动性；该模式“以产出为导向”，积极推行“持续改进”，依托新型8086 微处理器实验系统，结合前沿MSP430 系列应用技术，并融合了先进的虚拟仿真设计理念[13]。该模式自2016 年应用于“微机原理实验”教学以来，不仅拓宽了学生的专业视野，提升了学生的专业素养，而且进一步实现了学生从基础知识理解到综合能力提高的转变，从验证性思维到设计、创新性思维的转变。

2.2 “宽口径、厚基础、分层次、模块化、个性化”地设计教学内容

将理论教学与实验设计有机结合，使学生从理论和实践两方面掌握微型计算机的基本组成、工作原理、软件编程及硬件接口方法，建立起微机系统的整体概念，具备运用现代微机技术进行软、硬件系统开发的能力。教学内容重点强化对学生自主设计、自主创新能力的培养，由必修、选修模块组成，每个模块分为必做、选做和扩展提高实验项目三个层次，方便教师或学生针对不同专业特点和学时要求以及后续课程的需要进行灵活选择，“宽口径”“个性化”组合，保证训练目的更具专业性和针对性，并能更好地适应综合设计性和开放性实验的开展，同时满足个性化和复合型人才的培养目标。模块化实验内容体系及分层实验项目[14-15]如图1 所示。

2.3 构建“虚实结合”实践平台，满足学生创新需求

平台将软件仿真设计、演示及研究性特点与硬件验证、测试及实践性特点紧密结合，学生在虚拟仿真环境下可以不受硬件资源和时空限制随时随地进行设计实验，根据设计方案进行软硬件联合调试、改进初步设计方案，完善功能，最终实现软硬件的综合性设计及拓展实验。

平台的构建既有利于融合前沿的应用技术，又兼顾基础理论的巩固提高，引导和促进学生进一步创新实践；平台拓展了实验教学空间，为传统实验教学模式向开放创新性实验教学模式过渡提供了契机。

2.4 设立探究环节和经典案例，引导学生实践创新

根据实验中涉及的软硬件接口设计的关键技术制定多个探究环节，并结合具有实际应用场合的经典案例引导学生逐步掌握实验原理，熟悉实验方法，层层递进、由浅入深地完成实验任务。

指导学生查阅文献并结合大创、科技竞赛、科研项目等资源，自主制定设计方案、实现步骤和调试方法，引导学生基于常用接口芯片功能，制定接口设计方案，探究接口设计的关键技术。

设立探究环节以及层次化设计的经典案例的目的是：①引导学生熟悉流程，启发学生创新思维和自主设计；②引导学生掌握设计要点和关键技术；③引导学生利用经典案例掌握平台的使用和实践流程。

2.5 加强过程考核，采用多维评价方法，助力学生专业素养能力的提升

根据专业培养目标建立科学、合理、全面的考核方式和多维评价方法，将实验过程、考核成绩与问题反馈进行有机结合，并让学生积极地参与到成果评价中，采用教师评价、学生自评和互评等多维评价方法。

为了鼓励学生自主设计、自主创新，考核内容和评价方法改进如下：

（1）从理论知识、实践应用能力和创新素养三个层面进行考查；

（2）增加了系统设计、仿真和探究的考核环节和多维评价方法，细化了考核内容，加强对实验过程的考核；

（3）对学生答辩展示创新作品的考核环节采用多维评价方法，更具公正性和公开性，也促进了交流学习和提高完善。

考核内容及成绩评定方式为：预习环节成绩（10分）+综合设计性环节成绩（60 分）+实验报告环节成绩（30 分）。

图1 模块化实验内容体系及分层实验项目

预习环节主要考查学生自主制定设计方案的可行性和创新性，从实验安排进度到“接口设计实验”内容开始之前这段时间要求学生填写初步设计和探究方案（10 分）；综合设计性环节主要考查学生灵活应用理论知识和接口综合设计能力，发现、分析、解决问题的实践创新能力，包括系统设计（10 分）、系统仿真（30 分）和系统调试（20 分）；实验报告环节成绩包括电路设计原理图、源程序流程图和代码等设计资料的完整性（10分）、结果与分析（10 分）、问题讨论和探究（10 分）。

3 应用效果

2012 年，我们对“微机原理实验”进行了升级改造，经过7 届本科生使用，一直不断加以完善；2015年在现有教学实验装置上融合基于 8086 微处理器的系统仿真设计开展实验，通过融合先进的EDA 技术，我校微机原理实验教学效果显著提升，拓宽了学生的专业视野，提升了学生的专业素养；2016 年对“微机原理实验”进一步升级改造，并融合MSP430 仿真模块，特色明显，效果优良，目前教学内容和课程体系已趋完善。其应用效果主要体现在：

（1）在微机原理实验教学应用过程中，运用“虚实结合”实验教学模式的优势促进了学生深入理解和灵活掌握理论知识，引导学生积极主动地参与到教学的各个环节中，师生之间、生生之间交流互动明显增强，学生设计创新的积极性高，兴趣浓厚。

（2）分析、研究学生的实验报告和实验总结发现，学生在自主设计、自主实现的实验过程中，其编程能力、逻辑思考能力、分析问题和解决问题的能力都得到提高，并且增强了探索、挑战的信心和勇气，拓宽了专业视野，提升了学生综合专业素养和开发创新能力。

（3）融合了先进的仿真和前沿技术，注重培养学生的创新实践能力，教学设计的各个环节锻炼了学生的软硬件编程能力，使他们尽快建立起微机系统的整体概念和设计要素，掌握了科学的设计流程和方法，为学生进一步申请大创、参与科技竞赛和科研项目等个性化发展打下了坚实的基础。

4 结语

综上所述，“虚实结合”实验教学模式在强化学生基础理论理解的基础上，突出设计性、综合性、创新性和前沿性，注重培养学生分析、解决问题的综合应用能力和自主创新意识，可以显著提升教学效果和学生创新实践以及工程应用能力，对于信息类、电气类和其他相关专业具有积极的推广和应用价值。