计算机硬件类课程实践教学改革的探索

陈立刚，邹逢兴，徐晓红

(国防科技大学 机电工程与自动化学院，湖南 长沙410073)

我校的计算机硬件类课程包括“计算机硬件技术基础”、“微机原理与接口技术”和“单片机/嵌入式系统设计”等，它是计算机基础教育的核心课程，更是自动化、仿真等以电为主专业的重要必修基础课。近年来，我们结合本校的人才培养实践和国家级精品课程“计算机硬件技术基础”建设，对计算机硬件类课程实践环节教学进行改革，将实践教学作为课程的重要内容和理论教学的延伸，建立与课程体系和课程内容改革相配套的创新型实践教学体系，并在此基础上，进一步探索实验室建设和改革。

1 实践教学体系改革

我校是国内最早按课内实验、课内课程设计和课外电子设计实践相结合建立计算机硬件实践教学体系的高校之一。但随着计算机技术的迅猛发展和新时期人才培养目标的变化，对计算机硬件类课程的理论和实践教学都提出了新的要求。为此，我们结合本校人才培养实践，对原有计算机硬件实践教学体系和实验内容进行不断的完善和改革，以适应新时期创新人才培养的需要。

1)优化实验内容

一方面，针对课内实验学时相对较少的现实，将课内实验分为功能认知性和自主设计性两类实验。自主设计性实验主要安排在课内时间完成，对功能认知性实验，则在课堂上讨论，鼓励学生课外完成，以缓解实验多和课时少的矛盾。另一方面，加强微机接口技术与各种执行机构和传感器的联系，改革和完善硬件实验内容，使之紧贴课程内容建设，具有自动化、仿真等专业应用背景。

2)分层次和有区别开展实践教学

我校计算机硬件类课程授课对象多，不同专业对象培养目标和教学要求均有所区别。为了适应不同对象教学需求，我们结合学校人才培养计划，将教学对象分为电为主理工科、非电为主理工科和学历合训三类，在此基础上建立分层次实践教学体系，如图1所示。

图1 分层次实践教学体系

我们根据不同对象和专业特点，实现分层次和有区别地开展实践教学。

(1)对非电为主理工科类和学历合训类专业，教学内容主要包括课内自主设计性实验和微机接口与应用综合设计。课内实验、课内课程设计或课外电子设计实践均以C 语言编程实现，不讲授汇编语言程序设计，以满足课时大幅减少的需求。

(2)对以电为主的理工科类专业，则在完成课内自主设计性实验和微机接口与应用综合设计的基础上，增设一门“单片机/嵌入式系统设计”课程，以培养学生应用单片机/嵌入式系统等主流微机技术解决武器装备信息化和自动化领域实际问题的能力。对课内实验要求以汇编语言编程，但对课内课程设计和课外电子设计实践则强调以汇编和C 语言混合编程，体现实际工程开发的特点。

(3)对课内自主设计性实验和微机接口与应用综合设计，不同层次教学对象的实验内容和要求均有所不同。

3)完善开放性实验环境

开放型选题实验是发挥学生主观能动性，拓展课程基本实验与课程设计，有效利用专业应用背景进行研究型学习的重要实践环节［2］。我院建立了以机器人和典型武器装备等为控制对象的创新实践教学基地，支撑学生进行课外科技活动，如大学生创新基金项目和各级各类电子设计竞赛活动等。形成一个具有自动化和仿真专业特色的，能满足课内实验、课程设计与课外创新实践需要的计算机硬件技术综合实践教学体系。

4)完善实践教材

我们特别注重实践教材的建设，先后编著出版了一系列在国内同领域有重大影响、体现素质教育创新教育思想的实践教材，如《计算机硬件技术基础实验教程》、《微型计算机原理与接口技术实验指导》和《微机原理与接口技术经典实验案例集》。

2 实践教学实施方法改革

1)科学设计实验内容、创新实验模式

通过科学设计实验内容和合理安排实验，形成由浅入深、由简单到复杂、由被动模仿到主动设计的实践模式。

我们从内容上将实验分为基本型、综合型和探究型三类，课内实验主要从基本型和综合型实验项目中选题，课程设计则主要从综合型和探究型实验项目中选题。

从实施安排上，我们遵循从简单到复杂的原则，顺序渐进，如图2所示。对原理性和单个可编程接口芯片等基本实验，可通过对理论和实验教材给出的案例模仿完成，并保存实验结果;对多芯片综合实验和基于控制对象的应用型实验，可将实验分解成多个基于单个接口芯片实现的部分，并安排在前面实验中实现，而后在已做实验的基础上层层组合来完成复杂功能。

图2 搭积木式实验实施方法

2)适当采用合作实验教学模式

实践表明，对一些实际动手能力较差的学生，学生间交流可以增加他们的自信，所以在课内实践教学中，将能力强的与相对较差的学生分为一组，利用学生间的相互交流和帮助，实现以好带差的合作模式。这种模式强调学生间的互助，而非代替他人完成，最终实验仍需一人一组验收完成。

另一方面，能力强的学生往往有各自的特长，在课外电子设计实践/竞赛中，将具有不同能力优势的学生分为一组合作攻关(如硬件设计能力强的与软件编程能力强的分为一组)，可以实现优势互补。

3)坚持教授和主讲教师参与指导实验

这样做的好处是，任课教师的亲历能较快、较好且较真实地发现、反馈教学中存在的问题，以便及时地微调教学进度和内容安排。教授参与指导使教学实施更有的放矢，也有利于在教学实践中不断改革和完善实验内容。

4)改革考核验收方法

我们将实践环节与课程考核统筹考虑、一体化设计。具体做法是，实验根据任务要求验收，但不直接评价给分，而是将实验/课程设计内容纳入课程考核试卷:从已做实验中选取一个综合性较强、但难度适中的实验项目作为考试题—实验重做题，并给出硬件、软件均有错误的实验答案，要求学生从中查找并纠正错误。

3 实验室建设改革的探索

1)不断提升硬件实验平台

在实验平台建设上，我们以改革需求牵引，改革方案驱动，坚持教授策划，主讲教师参与，采用自制和采购相结合的模式不断提升实验平台。我们自研了第一代PC 机硬件实验平台;以自研定制方式，与专业厂家合作研制了第二代PC 机硬件实验平台、单片机控制实验平台;此后根据深化教学改革的需求，进一步自研定制了第三代硬件实验平台。

第三代平台融合当前主流微机开发技术，支持基于PC 开发平台，也可支持基于单片机/嵌入式开发平台开展实践教学，同时与各种传感器和执行机构紧密联系。既可满足计算机硬件类和控制类课程实践教学的需求，又能支持学生进行研究性和探索性学习。

2)将科研成果转化为教学资源

结合我校在机器人领域和武器装备研究领域取得的科研成果，我们构建了以机器人和典型武器装备为控制对象，具有自动化及仿真专业应用背景的创新实践教学基地。支撑学生参加以机器人为背景的各类学科竞赛，从而取得了包括CCTV 机器人大赛亚军等一系列佳绩。

3)创新实验教学管理模式

结合“计算机硬件技术基础”国家精品课程建设，进一步完善计算机硬件虚拟实验，我们开发与实践教学改革思路相适应的实验室管理系统。实行了“虚拟实验准备、网上实验预约、现场实际动手、设备自动管理、过程自动监控”的运行管理模式。实现实验室在时间上、空间上和实验项目上全面开放。

4 结语

我们在实践教学改革中有如下进一步思考。

(1)针对自动化、仿真等非计算机专业应用计算机技术的特点，进一步加强与控制系列相关课程，如“自动控制原理”、“计算机控制技术”和“控制器件”等课程的统筹协调，构建控制系列和计算机硬件系列相融合的硬件实践体系。基本设想是:

结合计算机接口技术设计控制器件实验，在“控制器件”实验中保留一些基本原理实验(也可归入微机接口基本实验)，而将控制器件的综合应用结合计算机测控系统设计归入“微机接口与应用综合设计”课程完成。

在基于典型控制对象的综合实践教学平台上，应用单片机/嵌入式技术、自动控制技术和计算机控制技术，实现基于典型控制对象的自动控制系统，使“单片机/嵌入式系统设计”与“自动化系统综合设计”相融合。

上述设想实现，将有利于在控制系列课程和硬件系列课程教学时数普遍减少的今天，大幅提高实践教学的时效比。

2)结合我校顶尖人才培养计划，如“钱学森班”培养计划，进一步实现理论教学与实践教学的融合。在条件允许的情况下，实现小班教学，将理论教学搬到实验室，把实验内容作为研讨案例，使教学更形象生动，从提高学生的创新思维能力和实际动手能力。

［1］ 邹逢兴，陈立刚，徐晓红等. 关于自动化专业电子信息类课程教学改革的探索与思考［J］. 北京:中国大学教学. 2011(9)

［2］ 陈立刚，徐晓红，彭学锋.“计算机硬件技术基础”课程创新教学改革的实践［J］. 南京:电气电子教学学报. 2009(自动化教育专辑)

［3］ 张云洲，吴成东，崔建江等. 基于机器人竞赛的大学生创新素质培养与实践［J］. 南京:电气电子教学学报. 2007(1)

［4］ 王咏梅，葛建宏，王炳谦. 机器人创新开放实验室建设［J］. 上海:实验室研究与探索. 2009(11)