基于項目驅(qū)動的計算機硬件課程改革

侯艷艷　王秀貞　劉三榮　劉彩霞

摘要：針對計算機硬件類課程教學(xué)中存在的實踐性、綜合性不強，缺少創(chuàng)新等問題，提出基于項目驅(qū)動的計算機硬件教學(xué)改革方案，改革中以綜合應(yīng)用性實踐項目為驅(qū)動，在整個理論及實踐教學(xué)過程以應(yīng)用性項目為驅(qū)動開展教學(xué)，理論教學(xué)通過應(yīng)用性項目展開知識點，實踐教學(xué)在理論教學(xué)知識點的基礎(chǔ)上引入項目任務(wù)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程的項目驅(qū)動教學(xué)案例介紹了項目驅(qū)動教學(xué)的開展情況，項目驅(qū)動的計算機硬件課程教學(xué)改革，有利于提高學(xué)生的分析解決問題及實踐動手能力。

關(guān)鍵詞：項目驅(qū)動；理論教學(xué)；實踐教學(xué)；溫室大棚

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）08-0104-02

1 引言

計算機類專業(yè)的課程設(shè)置的目標(biāo)主要培養(yǎng)學(xué)生具有良好的科學(xué)素養(yǎng)，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握計算機軟硬件的基本理論、基本知識和基本實踐方法與技能，計算機硬件類課程在計算機類課程體系中處于重要核心地位。計算機硬件類課程主要包括數(shù)字電路、微機原理與接口技術(shù)、計算機組成原理、單片機原理與應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用等課程，計算機硬件類課程的教學(xué)目的是為了幫助學(xué)生建立計算機硬件的概念，理解計算機系統(tǒng)的工作過程，學(xué)習(xí)計算機及相關(guān)硬件電路設(shè)計方法，能夠開發(fā)設(shè)計計算機及嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)電路，提高學(xué)生的計算機工程實踐與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)具有計算機系統(tǒng)研究、開發(fā)和應(yīng)用型人才，使學(xué)生能夠勝任在科研部門、教育單位、企事業(yè)、技術(shù)和行政管理等單位的計算機的相關(guān)工作。

本文基于計算機硬件課程教學(xué)的特點，提出以開放性、實訓(xùn)性、應(yīng)用性項目為課程改革的切入點，改革計算機硬件課程的理論和實踐教學(xué)內(nèi)容。計算機硬件類課程以小型計算機系統(tǒng)的硬件設(shè)計為統(tǒng)一視圖建立課程體系，教學(xué)過程以設(shè)計一個小型計算機應(yīng)用電路、嵌入式計算機系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等為驅(qū)動任務(wù)，理論教學(xué)的知識點通過項目任務(wù)需求引入，通過任務(wù)驅(qū)動層層展開知識點，實踐教學(xué)以設(shè)計項目的具體功能模塊為任務(wù)完成相應(yīng)功能模塊的設(shè)計，最后通過計算機硬件應(yīng)用項目的設(shè)計與實現(xiàn)完成理論和實踐的融合，幫助學(xué)生建立計算機系統(tǒng)的概念，掌握計算機系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)方法，提高學(xué)生的計算機系統(tǒng)的應(yīng)用能力。

2 項目驅(qū)動教學(xué)的開展

項目驅(qū)動教學(xué)是一種建立在建構(gòu)主義教學(xué)理論基礎(chǔ)上的教學(xué)方法。項目驅(qū)動教學(xué)過程強調(diào)以學(xué)生為中心，在整個教學(xué)過程中教師主要充當(dāng)教學(xué)的組織者、指導(dǎo)者和促進者的角色，充分利用情境、實驗、任務(wù)等環(huán)境要素來發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、積極性和創(chuàng)造性，最終達到使學(xué)生能夠有效對所學(xué)知識重新進行建構(gòu)的目的。

根據(jù)實用性、可行性、難度適用、綜合性的原則，教師應(yīng)緊扣課程教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)，以培養(yǎng)應(yīng)用能力為出發(fā)點，結(jié)合當(dāng)前流行技術(shù)的特點，擬定切實可行的實踐應(yīng)用項目。項目驅(qū)動式教學(xué)過程分為四個階段完成：

第一階段，教師根據(jù)實踐應(yīng)用需求，提出項目要求并布置項目題目，學(xué)生根據(jù)項目要求進行調(diào)查和研究、寫出項目申請報告書，申請報告書主要包括項目組成員及分工、選題目的、研究現(xiàn)狀、題目應(yīng)用及實踐價值。

第二階段，開展討論式教學(xué)，組織學(xué)生對項目進行匯報，教師與學(xué)生充分交流和探討，幫助完成項目調(diào)研并確定項目總體方案。以項目問題為驅(qū)動，教師開展基礎(chǔ)的教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生完成實踐環(huán)境及實踐模塊的搭建。

第三階段，教師對于項目中的難點及重點問題進行分析講解。在實踐教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生以項目為驅(qū)動導(dǎo)向， 將課程知識點與實踐應(yīng)用進行結(jié)合，完成綜合性實踐項目。項目的設(shè)計與實踐主要由學(xué)生獨立完成，教師定期檢查項目的完成情況，并對難點問題進行及時指導(dǎo)，該階段教師扮演“咨詢師”的角色，學(xué)生成為項目開發(fā)過程中的中心。

第四階段，教師對項目進行驗收，項目驗收作為課程考核的重要組成部分，采用項目組答辯與項目功能演示相結(jié)合的方式，主要考查學(xué)生的綜合實踐與應(yīng)用能力。

3 計算機硬件的項目驅(qū)動教學(xué)的開展

計算機硬件課程教學(xué)案例應(yīng)選取應(yīng)用性強，知識點全面的綜合實踐項目，采用“項目驅(qū)動、任務(wù)分解、項目合作”的全新教學(xué)方式，將項目貫穿于教學(xué)過程，學(xué)生全面參與項目準(zhǔn)備、設(shè)計、實踐的全過程，并優(yōu)化計算機硬件課程教學(xué)體系和知識結(jié)構(gòu)，達到培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力、綜合設(shè)計和團隊協(xié)作能力的目的。

基于項目驅(qū)動的計算機硬件類課程教學(xué)，不僅強調(diào)項目在課程內(nèi)部的驅(qū)動作用，更強調(diào)項目在整個計算機課程體系中的驅(qū)動作用，在具體教學(xué)過程中，應(yīng)保證前后銜接課程教學(xué)過程中實踐項目和實踐方法的統(tǒng)一性和延伸性。 數(shù)字電路課程作為計算機專業(yè)的硬件基礎(chǔ)課程，采用項目驅(qū)動教學(xué)方法使學(xué)生理解計算機的基本電路，掌握計算機基本組成部件寄存器、譯碼器、計數(shù)器等電路的設(shè)計方法，該課程設(shè)計的計算機硬件模塊為后續(xù)課程計算機組成原理的開展輸出功能模塊。計算機組成原理課程在計算機專業(yè)硬件課程體系中處于核心地位，設(shè)計小型計算機硬件系統(tǒng)的任務(wù)驅(qū)動將CPU、存儲器、I/O設(shè)備等的理論教學(xué)與CPU、存儲器、I/O設(shè)備等的實踐教學(xué)相結(jié)合，將基礎(chǔ)模塊 CPU、存儲器、I/設(shè)備等功能模塊進行綜合開發(fā)，完成小型計算機硬件系統(tǒng)的設(shè)計，并為后修課程嵌入式系統(tǒng)開展打下基礎(chǔ)， 嵌入式系統(tǒng)課程中以基于A8處理器的嵌入式linux操作系統(tǒng)的移植與開發(fā)為后續(xù)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程的開展提供了理論準(zhǔn)備和實踐支持。

4 項目驅(qū)動課程案例

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)技術(shù)與應(yīng)用課程教學(xué)過程中采用了項目驅(qū)動的教學(xué)方法，取得了較好的教學(xué)效果。以下以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)技術(shù)與應(yīng)用課程教學(xué)為例介紹項目驅(qū)動式教學(xué)的開展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與用是一門綜合性較強的課程，課程內(nèi)容涉及無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)，RFID技術(shù)，傳感器技術(shù)和嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)等。將項目驅(qū)動式教學(xué)模式應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程，將物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)整合到一個應(yīng)用案例中，通過案例使學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計方法。

目前在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中，溫室大棚系統(tǒng)簡單易懂，貼近生活，具有廣泛實用價值等優(yōu)點。本課程選用溫室大棚系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)作為驅(qū)動項目。溫室大棚系統(tǒng)整體功能框圖如圖1所示：

溫室大棚系統(tǒng)可實時采集大棚內(nèi)的溫濕度、光照、安防等信息，通過高精度測量溫室大棚生產(chǎn)過程中的參數(shù)，智能控制溫室內(nèi)溫度、濕度、通風(fēng)狀況等，自動實現(xiàn)保溫、保濕和歷史數(shù)據(jù)的記錄的功能。該系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程訪問和控制功能，用戶可以通過PC機遠(yuǎn)程訪問溫室內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并可遠(yuǎn)程控制農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部設(shè)備的開關(guān)，調(diào)整大棚內(nèi)部環(huán)境。溫室大棚系統(tǒng)的設(shè)計包含了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程的無線傳感網(wǎng)絡(luò)、嵌入式操作系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)等知識點，該項目可以使學(xué)生全面掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本原理、掌握物聯(lián)網(wǎng)工程實踐與調(diào)試方法，提高學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的綜合開發(fā)和設(shè)計能力。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程選擇的溫室大棚系統(tǒng)作為項目驅(qū)動，分五個階段開展過程：

第一階段，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)概述，通過溫室大棚系統(tǒng)項目引入物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用系統(tǒng)的基本組成和相關(guān)的知識點，幫助學(xué)生建立物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的概念。引入溫室大棚控制管理的系統(tǒng)需求。 布置溫室大棚系統(tǒng)項目設(shè)計要求。

第二階段，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)感知層、傳輸層、應(yīng)用層的特點，引入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)感知層理論知識點，將理論知識點與基于CC2530單片機設(shè)計溫濕度傳感器節(jié)點、紅外傳感節(jié)點，光照節(jié)點，執(zhí)行節(jié)點等模塊的設(shè)計相結(jié)合，完成溫室大棚系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)的感知層設(shè)計。

第三階段，在物聯(lián)網(wǎng)感知層的基礎(chǔ)上，引入物聯(lián)網(wǎng)傳輸層的理論知識點，將物聯(lián)網(wǎng)傳輸層的知識點以Zigbee協(xié)議為案例，將紅外傳感節(jié)點、光照節(jié)點，溫濕度傳感器節(jié)點、執(zhí)行器節(jié)點相結(jié)合完成溫室大棚系統(tǒng)的傳輸層的設(shè)計。

第四階段，基于溫室大棚系統(tǒng)的應(yīng)用層需求，引入物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的理論知識點，將第三階段設(shè)計的傳輸層與應(yīng)用層融合，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與嵌入式網(wǎng)關(guān)通信的設(shè)計，完成溫濕度信息、光照度信息、控制信息上傳到嵌入式網(wǎng)關(guān)及嵌入式網(wǎng)關(guān)控制網(wǎng)絡(luò)的功能，完成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)傳輸層及應(yīng)用層的設(shè)計。

第五階段，歸納總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用的基本知識點及設(shè)計方法，將溫室大棚系統(tǒng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層進行綜合設(shè)計，完成溫室大棚控制系統(tǒng)的綜合測試和驗證。并通過項目組答辯與項目演示的考核方式，考查學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合實踐與應(yīng)用能力。

基于項目驅(qū)動的計算機硬件教學(xué)改革，改變了原有計算機硬件教學(xué)過程中理論教學(xué)與實踐教學(xué)脫節(jié)的情況，采用基于工程項目任務(wù)的討論式教學(xué)，以實踐項目設(shè)計為主線，學(xué)生動手實踐為主，教師輔導(dǎo)為輔開展教學(xué)過程；并對原有的實踐教學(xué)模式進行改革，對于課堂未完成的實踐內(nèi)容， 突破原有實驗項目受時間，地點限制等問題， 實現(xiàn)開放性實驗，學(xué)生可以自主選擇時間進入實驗室完成實驗，使學(xué)生最終可以較好地完成實踐項目。

5 結(jié)語

基于項目驅(qū)動的計算機硬件教學(xué)改革的開展，使學(xué)生不僅能夠掌握計算機硬件的專業(yè)知識和研究方法，還可以進一步提高學(xué)生的創(chuàng)新和動手能力，為進一步深造和就業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。在基于項目驅(qū)動的計算機硬件教學(xué)過程中應(yīng)注意以下幾點，課程選擇的項目能與當(dāng)代科技前沿或社會發(fā)展緊密聯(lián)系，選擇的項目覆蓋知識點全面，與具體的生產(chǎn)實踐結(jié)合密切，項目的開展能進一步促進學(xué)生對計算機硬件的理解，使學(xué)生硬件設(shè)計和開發(fā)調(diào)試能力得以全面的提高。

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