計算機(jī)類本科專業(yè)硬件實(shí)踐教學(xué)改革探討

摘要：本文對計算機(jī)類硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對該類課程的特點(diǎn)及教學(xué)弊端進(jìn)行了剖析，并結(jié)合筆者的實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與體會，以及學(xué)?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，提出了理順硬件課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、注重動手能力培養(yǎng)、提高實(shí)踐教學(xué)方法等措施，充分發(fā)揮學(xué)生的積極性、主動性，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：硬件類課程；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)踐能力；計算機(jī)大類

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）08-0073-03

引言

諸如物聯(lián)網(wǎng)工程、計算機(jī)等專業(yè)的計算機(jī)類的課程體系內(nèi)容基本可以分為兩部分：一部分是軟件類課程，另一部分是硬件類課程。硬件是軟件的有效載體，在計算機(jī)類課程體系中起著關(guān)鍵作用。因此，利用學(xué)校現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室條件，充分運(yùn)用現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，提高學(xué)生的動手實(shí)踐能力，是硬件類課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。另外，教師要以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力為目標(biāo)，不斷地改革與完善數(shù)模電、微機(jī)接口、單片機(jī)等硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和方法，進(jìn)而引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)硬件開發(fā)技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造性。

下面，筆者結(jié)合自己在計算機(jī)類專業(yè)（物聯(lián)網(wǎng)、計算機(jī)、計算機(jī)自動化等專業(yè)）多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與體會，探討如何在硬件實(shí)踐教學(xué)中激發(fā)學(xué)生的硬件開發(fā)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

現(xiàn)狀分析

目前，與其他高校類似，筆者所在學(xué)院計算機(jī)類相關(guān)專業(yè)在培養(yǎng)計劃的制訂、教學(xué)模式及教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的配置等方面也存在“重軟輕硬”的現(xiàn)象，使得計算機(jī)硬件課程體系相對薄弱，學(xué)生對硬件類的設(shè)計與開發(fā)工作缺少興趣。在這種教學(xué)氛圍下，學(xué)生也自然對硬件類課程感到陌生、畏懼，甚至達(dá)到逢“硬”必“怕”的地步。硬件類課程的學(xué)習(xí)有其自身的特點(diǎn)，如硬件知識比較抽象，學(xué)生要不斷實(shí)踐才能體會等。因此，必須加強(qiáng)與重視硬件類課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，只有通過大量的實(shí)踐練習(xí)，并結(jié)合理論教學(xué)，才能讓學(xué)生較好地掌握硬件知識。

在硬件教學(xué)設(shè)施方面，傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)均以實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)?zāi)K裝置為實(shí)驗(yàn)平臺，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容大多數(shù)屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、訓(xùn)練性實(shí)驗(yàn)。在學(xué)習(xí)、操作過程中，學(xué)生往往很被動，學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后，甚至都不知道實(shí)驗(yàn)原理，就更不要說去結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)和人們生活需求去開發(fā)、創(chuàng)新一些具有實(shí)用價值的東西了。

理順硬件課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

計算機(jī)類相關(guān)專業(yè)的硬件實(shí)驗(yàn)課程體系應(yīng)堅(jiān)持完整性、系統(tǒng)性及不重復(fù)性三個原則，并按照人才培養(yǎng)方案要求，課堂實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計實(shí)踐相互補(bǔ)充，內(nèi)容前后連貫銜接，其中實(shí)驗(yàn)涉及的是單一知識點(diǎn)基礎(chǔ)，實(shí)踐則是各知識點(diǎn)的綜合應(yīng)用，且層次在逐步提高。因此，可以從以下三方面著手解決。

1.遵循“循序漸進(jìn)，逐步加強(qiáng)”原則，將硬件實(shí)驗(yàn)體系知識劃分為基礎(chǔ)、應(yīng)用和提高三個層次

基礎(chǔ)部分是要求學(xué)生掌握課程的基礎(chǔ)知識點(diǎn)，并通過一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)加以理解和鞏固。這部分的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)仍然用實(shí)驗(yàn)箱完成，即在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，學(xué)生掌握相關(guān)的基本軟、硬件的開發(fā)知識，能夠根據(jù)系統(tǒng)原理圖正確地連線，并在計算機(jī)上編寫、調(diào)試、下載程序，能夠結(jié)合外圍電路對系統(tǒng)功能進(jìn)行測試，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)參考選題中要求設(shè)計的系統(tǒng)。

應(yīng)用和提高部分則對學(xué)生提出了更高的要求，即通過設(shè)計性、綜合性實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練達(dá)到要求。一般要求學(xué)生能夠動手搭建硬件模塊，分組進(jìn)行，設(shè)計若干個綜合設(shè)計電路，最終完成軟硬件的搭建、調(diào)試，以硬件產(chǎn)品的形式完成。

2.把簡單驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為“驗(yàn)證性—設(shè)計性—綜合性”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動手能力

對于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，按照基本的知識點(diǎn)要求，即：①根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的任務(wù)要求，設(shè)計硬件系統(tǒng)方案，連線、編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，并填寫實(shí)驗(yàn)報告冊；②在理解硬件方案的基礎(chǔ)上，自己動手修改程序，并正確連線、構(gòu)成新硬件電路系統(tǒng)，且通過獨(dú)立調(diào)試實(shí)現(xiàn)設(shè)計方案（匯編語言程序編寫、實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用、定時器/計數(shù)器的應(yīng)用、I/O口的應(yīng)用、串行口應(yīng)用及中斷應(yīng)用等）。另外，通過大量反復(fù)的基本練習(xí)，使學(xué)生熟練掌握基本的語言知識，具備基本的編程能力。

在此基礎(chǔ)上，對一些難度稍大的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行訓(xùn)練，并完成設(shè)計性、綜合性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將匯編知識和硬件設(shè)計的內(nèi)容串成兩條相互呼應(yīng)的主線，加深學(xué)生對硬件的全面理解和掌握，培養(yǎng)其綜合應(yīng)用開發(fā)能力，提高硬件編程水平。在這部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，從最基本的硬件系統(tǒng)設(shè)計到比較復(fù)雜的綜合系統(tǒng)設(shè)計，都要突出由基本的電子元器件的認(rèn)知到綜合應(yīng)用各知識點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計的思想，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生軟件分析、設(shè)計與調(diào)試和硬件分析、設(shè)計與調(diào)試的綜合能力的教學(xué)目的。

3.協(xié)調(diào)整合多門硬件類課程，對內(nèi)容重復(fù)的部分進(jìn)行刪減

在計算機(jī)類的硬件課程體系中，在不同的課程中可能會涉及到相同的知識點(diǎn)內(nèi)容，對于多門硬件實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容重復(fù)問題，要協(xié)同各課程教師，對重復(fù)內(nèi)容予以去除，如“微機(jī)接口技術(shù)”“數(shù)字電路”“單片機(jī)原理及應(yīng)用”等課程中的一些接口芯片（ADC0809、DA0832、8255A）等內(nèi)容可刪減。

注重學(xué)生的動手能力培養(yǎng)，著力提高實(shí)踐教學(xué)方法

1.優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)手段與方法，提高學(xué)生的硬件設(shè)計效率與興趣

在單片機(jī)原理與應(yīng)用等硬件課程中，采用諸如Keil+Proteus等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，可以有效培養(yǎng)學(xué)生對硬件的感性認(rèn)識，提高學(xué)生的硬件系統(tǒng)設(shè)計、基于硬件的軟件編程及軟硬件聯(lián)合調(diào)試的能力，滿足學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新需求，充分發(fā)揮其積極性和主動性，進(jìn)而有效彌補(bǔ)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相互脫節(jié)的矛盾。同時，Keil+Proteus等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺使用方便，完全擺脫了在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)的空間限制，學(xué)生在自己的計算機(jī)上安裝好軟件便可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，這突破了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時在時間和空間上的限制，進(jìn)而有效提高了實(shí)驗(yàn)效率和學(xué)生的硬件開發(fā)興趣。

2.充分利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件，改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)方法，提高教學(xué)效率

雖然現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)平臺大部分為實(shí)驗(yàn)箱，但這并不是說就不能完成一些設(shè)計性、綜合性實(shí)驗(yàn)，我們可充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，對實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行挖掘，創(chuàng)造條件設(shè)計一些設(shè)計性、綜合性的實(shí)驗(yàn)。例如，在筆者所在學(xué)院的“微機(jī)接口技術(shù)”課程中，選用了由西安唐都科教儀器公司開發(fā)的TD-PITE32位微機(jī)原理與接口技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由8255單元、8259單元、8254單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、D/A轉(zhuǎn)換單元、點(diǎn)陣顯示單元、鍵盤及數(shù)碼管顯示單元、電子發(fā)聲及步進(jìn)電機(jī)單元、直流電機(jī)單元、開關(guān)及 LED顯示單元等組成。為了充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性和想象力，培養(yǎng)其綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，在該課程的課程設(shè)計教學(xué)中，教師先利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)方法，要求每位學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行課程設(shè)計，通過不同模塊的組合（至少用到實(shí)驗(yàn)平臺的三個單元，并且內(nèi)容不完全一樣），完成一個微機(jī)接口綜合系統(tǒng)。最后，根據(jù)該系統(tǒng)的復(fù)雜程度（知識點(diǎn)）、實(shí)驗(yàn)演示、答辯情況及實(shí)驗(yàn)報告等對學(xué)生進(jìn)行綜合考核評分。經(jīng)過兩學(xué)期的教學(xué)試驗(yàn)，取得了較好的教學(xué)效果，一方面，充分發(fā)揮了學(xué)生的聰明才智，設(shè)計開發(fā)出了諸如密碼鎖、超級瑪麗、音樂播放器、交通燈等功能較為完善的系統(tǒng)或“產(chǎn)品”，調(diào)動了學(xué)生的積極性、主動性和創(chuàng)造性。另一方面，也讓那些平時喜歡“蹭”實(shí)驗(yàn)的學(xué)生親自動手完成實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了硬件設(shè)計實(shí)踐全覆蓋的目的。

3.以工程項(xiàng)目為驅(qū)動，優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，提高軟、硬件綜合開發(fā)能力

計算機(jī)的硬件和軟件知識相輔相成，構(gòu)成了一個完整的課程體系，但往往負(fù)責(zé)軟、硬件教學(xué)的教師不同，而且教師之間或者課程之間缺乏有效的溝通，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)到的知識點(diǎn)較為零散，達(dá)不到對計算機(jī)系統(tǒng)軟、硬件基本知識的融會貫通。例如，學(xué)生學(xué)習(xí)了寄存器、存儲器等硬件知識后，卻不知如何結(jié)合匯編語言對硬件進(jìn)行編程。因此，教師應(yīng)該在硬件的實(shí)踐教學(xué)中，注意軟、硬件課程間的銜接，使學(xué)生能夠基于硬件知識去理解軟件編程，以及基于軟件知識去理解硬件編程，從而提高學(xué)生的計算機(jī)系統(tǒng)軟、硬件協(xié)同編程、設(shè)計、綜合能力。

為此，筆者提出以教師的工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)為驅(qū)動，結(jié)合“微機(jī)接口技術(shù)”“單片機(jī)原理及應(yīng)用”的各知識點(diǎn)，以一個小型項(xiàng)目開發(fā)為例，引導(dǎo)學(xué)生對相關(guān)的時鐘芯片（DS1302）、485總線、繼電器控制、按鍵模塊、12864液晶模塊，以及AD、DA等模塊進(jìn)行逐次、分模塊地開發(fā)。

總之，在計算機(jī)類專業(yè)的硬件實(shí)踐教學(xué)過程中，以上幾點(diǎn)做法有較強(qiáng)的可行性和可操作性，這樣能讓學(xué)生充分發(fā)揮自身的聰明才智，積極主動參與到硬件的設(shè)計、編程、調(diào)試等實(shí)踐開發(fā)過程中來，充分鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

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作者簡介：胡海根（1977—），男（漢），江西豐城人，博士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

基金項(xiàng)目：本論文獲浙江工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“我校計算機(jī)類相關(guān)專業(yè)硬件實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的改革與探索”等項(xiàng)目資助。