基于嵌入式技术的计算机接口实验课教学改革

刘书勇　武俊鹏　张国印

文章编号：1672-5913(2009)08-0093-03

摘要：本文通过分析传统计算机接口实验教学存在的不足，对基于嵌入式技术改革实验内容、实验内容系统化、先进的教学方法和教学手段进行了研究，提出了基于嵌入式技术的计算机接口实验教学改革方案。实践证明，新的实验内容加深了学生对计算机底层软硬件的系统化理解，新的教学方法和教学手段提高了学生学习的积极性，有利于培养学生较高的综合素质。

关键词：计算机接口实验；嵌入式技术；教学改革；教学内容；教学方法

中图分类号：G642

文献标识码：B

实验教学是大学教育中一个重要的环节，它在提高学生的求知能力、团队协作能力、实践能力、创新精神，加强综合能力培养方面具有突出的作用，它正逐步成为一些理工科教学的核心环节。由于实验技术的落后和教学方法跟不上技术发展的步伐，很多传统的实验已不能适应新时代社会对人才培养的要求，其特点有：教学内容陈旧，教学方法死板，缺乏培养综合素质的教学理念等。这种实验体系很难使学生真正理解实验所涉及知识和技术的内涵，更不能跟上新技术发展的步伐。嵌入式系统是当今发展比较迅猛的新技术之一，嵌入式系统的开发环境使学生能够比较直观全面地接触计算机系统的核心：微处理器、操作系统、接口驱动、以及应用开发，能够加深学生对大学阶段所学到的基础理论知识的理解，并有助于形成计算机科学知识体系。

1传统计算机接口实验内容和教学方法的不足

传统的计算机接口实验大部分是基于8086系列微处理器为背景实现的。实验内容基本上是对芯片单独编程进行功能验证，如三态缓冲器、锁存器、存储器芯片、8259、ADC、DAC、8255、8253、键盘和七段显示器、8279、数字频率计、数字波形发生器、单片机应用小系统等，或者是上述几种芯片的组合应用。上述实验内容不仅难以形成系统化的计算机接口实验效果，更是和计算机技术发展严重脱节，对学生后续的工作和研究作用甚微。基于上述实验内容很难设计出复杂大型的设计性或综合性实验，而验证性实验对于学生的能力培养效果很差，很难综合应用操作系统和接口驱动程序等系统级软件，导致计算机软件和硬件脱节，不利于对计算机形成深入系统的理解和掌握。

传统的教学方法过于单一，实验教学过程中，不管学生采用什么方法，做出了正确的实验结果就可以过关，实验过程中很少考虑对学生创新精神、新技术的实践能力、团队协作能力、语言表达能力等方面培养的考虑，因而不符合现代化建设对具备较高综合素质人才的要求。

2嵌入式技术作为实现计算机接口实验的载体

嵌入式系统是当今发展迅猛的技术之一，现今生活中所使用的电子设备大部分都属于嵌入式设备，如移动通信设备、数字家电、PDA、现代化的武器装备等，由于嵌入式系统与传统计算机系统设计方法差异很大，导致国内外嵌入式系统开发人才紧缺。嵌入式系统是专用的计算机系统，其系统软件和外围硬件都需要针对具体需求量体定做，因此要求开发人员熟悉系统底层的软硬件系统和基于底层的应用系统开发。

基于以上分析，选择基于嵌入式系统来实现计算机接口实验的改革。首先，嵌入式系统属于计算机系统重要的发展方向之一，其接口特性和传统计算机接口特性一致，另外学生可以学习和掌握实用的计算机技术，跟上计算机技术发展的潮流，所以能够激发学生的求知欲和强烈的学习兴趣。其次，通过对基于嵌入式系统的实验设计和实现，可以促使学生了解计算机底层的系统软硬件知识，不仅能理解和掌握计算机接口的知识，还可以促进学生形成完整的计算机软硬件知识结构，这是传统基于8086实验环境所无法实现的。

3基于嵌入式系统的系统化的实验内容

基于实验室课程改革的指导思想，经过对众多实验平台的对比分析，实验室在2005年选择了博创公司的ARM3000作为计算机接口实验开发平台，采用ADS1.2作为开发软件，操作系统根据实验内容分别选择uC/OSII和uCLinux。

在第一轮实验实践的过程中，基本上采用博创公司提供的实验内容进行实验，共32学时，8个必做实验，4个选做实验。经过一轮的实践，发现教学效果并不理想，主要存在以下问题：

(1) 学生普遍缺乏嵌入式系统设计所必需的理论基础。由于学校开设的理论课程还基于传统的计算机原理教学内容，例如计算机接口还是基于8086来讲，缺乏嵌入式系统理论和基础。

(2) 学生层次不一，指定的实验内容要求过于单一，有大部分学生不能按时完成。

(3) 部分学生相互复制源代码，使实验失去了真正的意义。

基于这些问题，在第二轮教学实践过程中，实验室对实验内容进行了相应的改进：

(1) 首先用8个学时对学生进行了嵌入式系统理论的介绍，主要分为两部分，一是嵌入式系统硬件体系结构，二是嵌入式系统软件体系结构和应用系统设计方法。这8个学时是对嵌入式系统理论体系的浓缩，对学生学习新知识起引导作用。在实验初期，由于学生缺乏嵌入式系统的实际设计经验，在每次实验课之前，每一名学生都会得到一个基础的原代码，基于此提出此次实验的实验任务，而且实验教师指出此次实验的要点，学生可以在课下自主直观地学习嵌入式应用系统源代码级的内部结构，并针对本次实验的要求做好书面的系统设计，也就是实验预习报告。

(2) 每个实验的设计和实现内容都分解为两部分，第一部分内容相对简单，是第二部分的基础，第二部分则是一个较完整的系统，这样不同层次的学生都可以充分融入实验。

(3) 针对第3个问题，解决的办法关键在于实验课教师，要求教师对实验内容熟悉，在实验验收时，不能仅查看实验结果，必须对每一名学生就该实验的关键点提出不同侧面的问题，如果该学生能回答出来，即使是抄袭别人的源代码，也说明他已经理解和掌握了该项实验的内容，达到了实验课的预期目的。为了鼓励每个实验小组自主设计和实现新颖的实验内容，在实验成绩评判时设置了相关的创新加分标准。

经过了第二轮和第三轮的教学实践，实验室形成了系统化的接口实验内容(如表1所示)。

表1系统化的计算机接口实验内容

表1中，第6个实验需要用到第5个实验的内容，第7个实验也需要用到第5个实验内容，第8个实验则需要用到第4、5、6、7的实验内容，这样到了最后一个实验，可以把前面所有的实验内容融为一体，既可以巩固前面所实践的内容，又可以形成一个较系统的实验。

另外，我们还通过加分的方式来鼓励学生在完成每个实验内容的前提下积极扩展实验内容。因为所有的必做实验的总成绩只有90分，学生如果想要得到优秀的成绩，必须自主扩充实验内容，通过加分达到优秀，这样可以达到培养学生创新意识的目的。

4教学方法改革和先进的教学手段

围绕实验教学“加强实践实验教学环节，培养创新能力”这一目标，经过两年多的改革与探索，我们逐渐形成了一些体现新型教育教学理念、行之有效的教学方法与手段。在教学方法上，任课老师选择切合课程特点、学生特点和自身特点的教学方法，体现了“以学生为主导”的新型的教育教学理念。在教学手段上，学院充分发挥计算机专业在信息技术方面的独特优势，大力倡导以现代教育技术、网络技术、通信技术为基础的先进教学手段的运用。

4.1教师指导与学生自主相结合

传统的实验教学是以辅导为主，在给定实验器材，给定实验电路的前提下，学生搭建电路进行验证实验，验证理论课学习的理论知识。随着实验教学改革的不断深入，特别是为了适应培养创新人才的需要，验证型实验已逐渐退出历史舞台，综合设计型实验已占主体，实验内容和难度也在逐步提高。学生在设计实验任务时，会遇到越来越多的问题，特别是理论课程无法交待清楚，甚至没有相应的理论课支撑的知识。时代的发展和市场的需要要求我们改变原来的以辅导为主的实验教学模式，采取以指导为主的实验教学模式，指导学生理解相关的理论知识，新的没有理论课做支撑的知识则采取集中讲授以及自我学习的方式，保证学生在实验理论、实验方法等方面知识的及时获取。指导与自主学习相结合的教学方式，加强了教师与学生之间的交流和沟通，使得教与学之间更加融洽，使得学生对相关理论及实验技能的学习和掌握更加容易，新的符合需要的实验改革更加便利，实验教学水平和质量得到提高。

4.2网络预约的实验“三开放”模式运用

学院在全校率先实行了实验室开放，所有实验室都全天候地对学生全方位的开放，并采取了网上预约选课的开放模式，实现了时间、内容、实验器材上的“三开放”。为配合实验室开放，学院组织教师开发了用于实验室开放的选课系统和门禁系统，学生通过网络预习实验内容、预约实验、刷卡进入实验室，教师对实验管理、成绩评定、信息发布均通过网络进行。这一措施的实施对提高实验室的开放效率起到了至关重要的作用，大大提高了实验设备的利用率，减轻了由开放而为实验教师和实验室管理人员所带来的负担，为实验室的健康有序开放奠定了基础。

4.3现代化实验教学手段的运用

为提高教学质量，各实验室都配备了多媒体教学系统，所有实验课程都采用了电子教案授课。同时，为方便实验室开放、实验教学管理，学院建立了计算机实验教学中心网站，开发了实验室开放教学管理系统，实验课程的CAI课件、电子教案等实验教学材料均挂在此网站上，学生可以通过网络下载获得相应的实验内容和配套软件，可以自主的进行实验的预习和准备。通过此网络平台，实验教师可以与学生开展互动交流、成绩管理等教学活动，实验管理人员也可以实时掌握学生预约及上课情况。

4.4 “3+5+2”实验成绩考核方式

由于实验内容和实验方法的多样性，决定了考核方式的多样化，但总的原则都是使考核方式能真实地反映学生的理论水平和实验技能水平。我们的考核方式是把学生在每一个实验环节的表现都作为期末考核的一部分，称之为“3+5+2新型实验成绩考核方式”，取得了良好的效果。其突出特点在于：

4.4.1突出预习在实验教学中的作用

实验教学要求理论与实践结合特别紧密，所以学生充分理解和掌握相关的理论知识对其实验设计和实验操作都是至关重要的，因此预习就成为实验教学中十分重要的环节。教师通过学生的预习报告了解学生理论知识掌握的情况和完成设计任务的情况，教师根据预习报告反映出的问题，对于共性问题教师在实验前给予提示性讲解，使教与学之间及时充分沟通。通过预习报告反映出的预习成绩，占总成绩的30%，预习报告作为参加实验的必要条件，不做预习报告，不得参加实验，从而使学生重视预习，教师通过预习报告，使实验指导更有针对性，从而提高了实验教学质量。

4.4.2强调实验操作和数据的收集是实验教学的中心环节

实验操作和实验数据的收集是实验教学的中心环节，其占总成绩的50%，不参加此环节的学生，此次实验课成绩为不及格。在这个环节中，对学生的动手能力进行全面的考核，包括：是否遵守实验规则、分析问题解决问题能力、对理论设计的实现能力和实现的熟练程度、语言表达能力等。为了锻炼学生的团队协作能力，要求学生自由组合，两人成立一个实验小组，自主分工协作，但是在验收实验的时候，小组的两名学生必须分别介绍自己的工作内容，并分别打分。

4.4.3提出实验报告应作为实验成果的总结

实验报告作为实验成果的总结，占总成绩20%，反映学生对科学实验的概括总结能力。

“3+5+2”考核方式增强了教师和学生对实验课程的重视，提高了实验教学质量，但给实验教师实施考核带来很大的工作量。为解决此问题，我们编制了实验考核成绩软件，只要把预习报告、实验报告的成绩，和实验过程中每项能力的等级输入微机，该软件将自动给出综合成绩。该考核方式从经过两年多的实践，取得良好的效果，后续课程教师普遍反映学生的实践能力有了很大的提高。现在学院已在所有的专业基础实验课中采用了这种考核方式。

5总结

教学改革对于培养高素质人才、创建一流大学是必须的。我们已经基本完成了接口实验教学的改革，并经过了3轮的教学实践，学生在实验过程中的积极性很高，大部分学生的实践能力得以提高，学生之间的协作能力得以增强，创新意识普遍加强。很多学生通过计算机接口实验课程中所学到的嵌入式系统设计知识，找到了理想的工作(如IBM、Intel、微软、百度等公司)。还有很多学生通过进一步的深入学习和实践，参加了大学生创新竞赛并获佳绩，最终保研。

实践证明，成功的教学改革有一些必备的条件，其中主要包括：教师必须拥有较新的知识体系和实际的项目开发经验；要有不断更新知识的能力；有根据实际教学过程中出现的不可预知问题进行教学内容调整的能力；有灵活科学的教学方法；有培养高素质人才的意识和敬业精神。

参考文献：

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