計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

楊鑫

摘要：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)是當(dāng)今發(fā)展最迅速的學(xué)科之一，同時(shí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)也是我國工科教育中在校生最多的專業(yè)。“計(jì)算機(jī)組成原理”等計(jì)算機(jī)硬件類課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)的重要核心課程，也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)體系的重要組成部分，更是直接培養(yǎng)計(jì)算機(jī)硬件專業(yè)人才的重要途徑。本文對(duì)計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī);硬件課程;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

引言

實(shí)驗(yàn)課程不僅是理論課程的延續(xù)，也是其內(nèi)容的補(bǔ)充和提升。如果因?yàn)閷W(xué)生理論課程學(xué)習(xí)不夠深入而淡化實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容簡單而無趣，則學(xué)生更不會(huì)主動(dòng)學(xué)習(xí)該課程。如果學(xué)生理論課程學(xué)習(xí)較好，而實(shí)驗(yàn)課程不夠豐富或過于枯燥，則可能會(huì)對(duì)理論課的學(xué)習(xí)起負(fù)面影響。反之，如果能合理布置實(shí)驗(yàn)課程，則能使實(shí)驗(yàn)課程與理論課程相互促進(jìn)，使學(xué)生因興趣而主動(dòng)學(xué)習(xí)，使理論與實(shí)踐共同提高。本文主要從課前操作、思政案例引入、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)過程及課程制度激勵(lì)等方面進(jìn)行分析，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)課的精心設(shè)計(jì)與布置，能很好地提高學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件課程的興趣，使學(xué)生積極主動(dòng)地投入計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)方向的學(xué)習(xí)與研發(fā)當(dāng)中來。

1目前現(xiàn)狀

1.1理論講解與實(shí)際操作聯(lián)系不緊密

當(dāng)前的科技制作教學(xué)以理論概念和知識(shí)點(diǎn)的講解為首要任務(wù)。課堂授課過程中教師首先講解各實(shí)踐電路的知識(shí)點(diǎn)，并以教師講授為主，學(xué)生訓(xùn)練為輔，學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)主動(dòng)性和參與度不高。其次，教師在授課過程中往往忽視了對(duì)于課本知識(shí)點(diǎn)與實(shí)際電路之間聯(lián)系的引導(dǎo)和啟發(fā)，而以正確操作步驟的講解為主要出發(fā)點(diǎn)。課程實(shí)踐通常是在理論課程學(xué)習(xí)之后，先理論后實(shí)踐的教學(xué)模式造成了學(xué)生在知識(shí)理解與動(dòng)手實(shí)踐之間的間隔，實(shí)踐時(shí)理論知識(shí)記憶模糊，這使得學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)效果不佳。

1.2考核方式單一

由于選題一致，實(shí)現(xiàn)方案一致，對(duì)學(xué)生科技作品的考核方式以教師的主觀評(píng)價(jià)為主。這種考核方式偏重于結(jié)果，忽視了對(duì)于學(xué)生從問題分析、方案設(shè)計(jì)、元器件選擇、邏輯設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟硬件聯(lián)合調(diào)試、文檔編寫等，全流程工程實(shí)踐能力的引導(dǎo)、培養(yǎng)和考核，以及學(xué)生終身學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)。

2基于雙路互引的教學(xué)方法與手段

2.1提問引導(dǎo)

首先以原有的指令知識(shí)為基礎(chǔ)，提出“MIPS指令如何在CPU上執(zhí)行/CPU如何實(shí)現(xiàn)MIPS指令”引導(dǎo)學(xué)生思考如何將指令和硬件聯(lián)系起來。從專業(yè)知識(shí)產(chǎn)生的問題啟發(fā)并培養(yǎng)學(xué)生形成科學(xué)精神和敢于探究的品德。然后，以“數(shù)據(jù)通路有哪幾類主要部件，這些部件如何構(gòu)成數(shù)據(jù)通路”的問題，啟發(fā)并培養(yǎng)學(xué)生開拓創(chuàng)新的職業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)專注的工程師品格。最后，通過思考“我國芯片行業(yè)有哪些短板”的問題來激勵(lì)學(xué)生努力學(xué)習(xí)高精尖的知識(shí)，爭(zhēng)取自主研發(fā)掌握最新技術(shù)，為國家的硬件事業(yè)而奮斗的民族自豪感和愛國情懷。

2.2技術(shù)剖析

首先，通過剖析“CPU的設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)性能的關(guān)系”一層一層地說明CPU的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)決定了CPI和時(shí)鐘周期，從而直接影響計(jì)算機(jī)的性能，從技術(shù)分析的角度培養(yǎng)學(xué)生不怕困難和思辨的邏輯思維。其次，通過剖析CPU芯片制造工藝的技術(shù)節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，來解釋每一代芯片之間的“代差”，使學(xué)生明白納米工藝對(duì)于面積來說是指兩代芯片之間算力翻倍的關(guān)系，從而啟迪學(xué)生形成去除表象的思辨邏輯，引導(dǎo)其形成去偽存真的科學(xué)素養(yǎng)。

3計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3.1思政教學(xué)效果

CPU數(shù)據(jù)通路概述是計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程中的一個(gè)重要的知識(shí)模塊，可以將其作為思政元素融入專業(yè)知識(shí)的一個(gè)教學(xué)案例。本案例從MIPS指令開始引入，過渡到數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)，最后介紹CPU的制造與工藝，并討論中國芯片的發(fā)展現(xiàn)狀，引入華為芯片事件，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。整個(gè)課堂內(nèi)容組織邏輯清晰，以芯片的設(shè)計(jì)制造和工藝為主線，課堂講授和視頻教學(xué)相結(jié)合，融入了許多思政要素，例如精益求精的工匠精神、技術(shù)興國的愛國情懷等。從總體上來說，該思政案例教學(xué)效果良好，學(xué)生學(xué)習(xí)氛圍濃烈。

3.2多渠道、系統(tǒng)性地強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)體系

工程教育認(rèn)證尤其注重大學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)。針對(duì)計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)踐教學(xué)，在硬件課程教學(xué)過程中進(jìn)一步建立多渠道、系統(tǒng)性的實(shí)踐教學(xué)體系，為學(xué)生創(chuàng)造更完備的專業(yè)實(shí)踐平臺(tái)和更充分的專業(yè)實(shí)踐機(jī)會(huì)：（1）建立專業(yè)課程與學(xué)科競(jìng)賽的學(xué)賽融合機(jī)制，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與各類學(xué)科競(jìng)賽，在專業(yè)教師認(rèn)可的前提下，支持學(xué)生在課程設(shè)計(jì)教學(xué)周以相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽項(xiàng)目替代專業(yè)課程設(shè)計(jì)題目，支持專業(yè)課教師指導(dǎo)學(xué)生積極參與相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽，并將競(jìng)賽題目進(jìn)一步延伸拓展為課程設(shè)計(jì)題目及畢業(yè)設(shè)計(jì)題目等，既為參與學(xué)科競(jìng)賽的學(xué)生提供更充足的競(jìng)賽準(zhǔn)備時(shí)間，又為理論教學(xué)提供了更豐富的實(shí)踐訓(xùn)練機(jī)會(huì)。（2）探索開放實(shí)驗(yàn)室及口袋實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)模式。傳統(tǒng)的硬件課程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室多采用實(shí)驗(yàn)箱作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)，但實(shí)驗(yàn)箱不僅成本高，而且不便于攜帶和借出。為此，硬件專業(yè)課實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用一定量的開發(fā)板替代實(shí)驗(yàn)箱，既滿足專業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)要求，也可以隨時(shí)隨地地將開發(fā)板出借給學(xué)生進(jìn)行硬件實(shí)踐訓(xùn)練，以支持學(xué)生積極參與各類學(xué)科競(jìng)賽，更好地完成硬件類畢業(yè)設(shè)計(jì)。（3）探索面向本科專業(yè)教學(xué)的校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)模式。目前與10余家中小企業(yè)合作建立了“長安大學(xué)信息工程學(xué)院智慧物聯(lián)”聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。由企業(yè)提出一些需要解決的小微技術(shù)問題，并以獎(jiǎng)學(xué)金的形式支持聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新和課題研究，聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室指派專業(yè)課教師組織和指導(dǎo)有興趣的學(xué)生在課余開展課題研究，讓學(xué)生充分體驗(yàn)專業(yè)知識(shí)如何用于解決工程實(shí)踐問題，讓專業(yè)知識(shí)學(xué)以致用。

3.3課程制度與激勵(lì)

各專業(yè)理論課程和實(shí)驗(yàn)課程最大的問題就是課程知識(shí)點(diǎn)不能協(xié)調(diào)統(tǒng)一，學(xué)生學(xué)習(xí)到的是孤立的課程知識(shí)，不能很好地明白這些課程之間到底有什么聯(lián)系，不能立即從事相關(guān)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)，從而可能會(huì)認(rèn)為學(xué)習(xí)這些課程枯燥而無用。所以，應(yīng)由學(xué)院統(tǒng)一組織，各專業(yè)內(nèi)課程之間的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容形成統(tǒng)一規(guī)劃，使各課程教學(xué)內(nèi)容相互銜接而有序，有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)。為了提高學(xué)生對(duì)專業(yè)前沿和背景知識(shí)的了解，為了提高學(xué)生的項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力，甚至可以統(tǒng)一規(guī)劃各理論課程和實(shí)驗(yàn)課程的思政元素內(nèi)容和插入方式等。設(shè)置激勵(lì)制度，鼓勵(lì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作和參與學(xué)科競(jìng)賽等的積極性。為鼓勵(lì)學(xué)生更積極地做好實(shí)驗(yàn)，可設(shè)置一些獎(jiǎng)懲措施，如每次實(shí)驗(yàn)課第一組完成實(shí)驗(yàn)的可給予平時(shí)成績加分等。通過開放實(shí)驗(yàn)室、DIY實(shí)驗(yàn)室等提高學(xué)生的動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)能力，進(jìn)而提高學(xué)生參與各種大賽的積極性?？稍O(shè)置獎(jiǎng)勵(lì)措施，對(duì)參加全國性學(xué)科競(jìng)賽的學(xué)生和指導(dǎo)教師根據(jù)成績分別給予形式不同的獎(jiǎng)勵(lì)。

結(jié)束語

通過計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程CPU數(shù)據(jù)通路概述的課堂實(shí)例，提出一種專業(yè)知識(shí)點(diǎn)與思政元素互相引導(dǎo)的雙路互引教學(xué)方法與觀點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)在于使專業(yè)知識(shí)與思政元素結(jié)合得更加協(xié)調(diào)并互相交融，這種思路的意義在于，對(duì)思政元素的隱式融入專業(yè)知識(shí)進(jìn)行了有益的嘗試。在未來，我們還要將本文的思想與方法運(yùn)用到大數(shù)據(jù)專業(yè)的其他課程，以期能產(chǎn)生更多更好的課堂思政教學(xué)方法。

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