基于项目驱动的计算机硬件课程改革

侯艳艳　王秀贞　刘三荣　刘彩霞

摘要：针对计算机硬件类课程教学中存在的实践性、综合性不强，缺少创新等问题，提出基于项目驱动的计算机硬件教學改革方案，改革中以综合应用性实践项目为驱动，在整个理论及实践教学过程以应用性项目为驱动开展教学，理论教学通过应用性项目展开知识点，实践教学在理论教学知识点的基础上引入项目任务。通过物联网技术与应用课程的项目驱动教学案例介绍了项目驱动教学的开展情况，项目驱动的计算机硬件课程教学改革，有利于提高学生的分析解决问题及实践动手能力。

关键词：项目驱动；理论教学；实践教学；温室大棚

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）08-0104-02

1 引言

计算机类专业的课程设置的目标主要培养学生具有良好的科学素养，使学生系统地掌握计算机软硬件的基本理论、基本知识和基本实践方法与技能，计算机硬件类课程在计算机类课程体系中处于重要核心地位。计算机硬件类课程主要包括数字电路、微机原理与接口技术、计算机组成原理、单片机原理与应用、嵌入式系统、物联网技术与应用等课程，计算机硬件类课程的教学目的是为了帮助学生建立计算机硬件的概念，理解计算机系统的工作过程，学习计算机及相关硬件电路设计方法，能够开发设计计算机及嵌入式系统的相关电路，提高学生的计算机工程实践与创新能力，培养具有计算机系统研究、开发和应用型人才，使学生能够胜任在科研部门、教育单位、企事业、技术和行政管理等单位的计算机的相关工作。

本文基于计算机硬件课程教学的特点，提出以开放性、实训性、应用性项目为课程改革的切入点，改革计算机硬件课程的理论和实践教学内容。计算机硬件类课程以小型计算机系统的硬件设计为统一视图建立课程体系，教学过程以设计一个小型计算机应用电路、嵌入式计算机系统、物联网应用等为驱动任务，理论教学的知识点通过项目任务需求引入，通过任务驱动层层展开知识点，实践教学以设计项目的具体功能模块为任务完成相应功能模块的设计，最后通过计算机硬件应用项目的设计与实现完成理论和实践的融合，帮助学生建立计算机系统的概念，掌握计算机系统的设计与开发方法，提高学生的计算机系统的应用能力。

2 项目驱动教学的开展

项目驱动教学是一种建立在建构主义教学理论基础上的教学方法。项目驱动教学过程强调以学生为中心，在整个教学过程中教师主要充当教学的组织者、指导者和促进者的角色，充分利用情境、实验、任务等环境要素来发挥学生的学习主动性、积极性和创造性，最终达到使学生能够有效对所学知识重新进行建构的目的。

根据实用性、可行性、难度适用、综合性的原则，教师应紧扣课程教学内容和目标，以培养应用能力为出发点，结合当前流行技术的特点，拟定切实可行的实践应用项目。项目驱动式教学过程分为四个阶段完成：

第一阶段，教师根据实践应用需求，提出项目要求并布置项目题目，学生根据项目要求进行调查和研究、写出项目申请报告书，申请报告书主要包括项目组成员及分工、选题目的、研究现状、题目应用及实践价值。

第二阶段，开展讨论式教学，组织学生对项目进行汇报，教师与学生充分交流和探讨，帮助完成项目调研并确定项目总体方案。以项目问题为驱动，教师开展基础的教学内容，引导学生完成实践环境及实践模块的搭建。

第三阶段，教师对于项目中的难点及重点问题进行分析讲解。在实践教学中，教师引导学生以项目为驱动导向， 将课程知识点与实践应用进行结合，完成综合性实践项目。项目的设计与实践主要由学生独立完成，教师定期检查项目的完成情况，并对难点问题进行及时指导，该阶段教师扮演“咨询师”的角色，学生成为项目开发过程中的中心。

第四阶段，教师对项目进行验收，项目验收作为课程考核的重要组成部分，采用项目组答辩与项目功能演示相结合的方式，主要考查学生的综合实践与应用能力。

3 计算机硬件的项目驱动教学的开展

计算机硬件课程教学案例应选取应用性强，知识点全面的综合实践项目，采用“项目驱动、任务分解、项目合作”的全新教学方式，将项目贯穿于教学过程，学生全面参与项目准备、设计、实践的全过程，并优化计算机硬件课程教学体系和知识结构，达到培养学生的实践动手能力、综合设计和团队协作能力的目的。

基于项目驱动的计算机硬件类课程教学，不仅强调项目在课程内部的驱动作用，更强调项目在整个计算机课程体系中的驱动作用，在具体教学过程中，应保证前后衔接课程教学过程中实践项目和实践方法的统一性和延伸性。 数字电路课程作为计算机专业的硬件基础课程，采用项目驱动教学方法使学生理解计算机的基本电路，掌握计算机基本组成部件寄存器、译码器、计数器等电路的设计方法，该课程设计的计算机硬件模块为后续课程计算机组成原理的开展输出功能模块。计算机组成原理课程在计算机专业硬件课程体系中处于核心地位，设计小型计算机硬件系统的任务驱动将CPU、存储器、I/O设备等的理论教学与CPU、存储器、I/O设备等的实践教学相结合，将基础模块 CPU、存储器、I/设备等功能模块进行综合开发，完成小型计算机硬件系统的设计，并为后修课程嵌入式系统开展打下基础， 嵌入式系统课程中以基于A8处理器的嵌入式linux操作系统的移植与开发为后续物联网相关课程的开展提供了理论准备和实践支持。

4 项目驱动课程案例

在物联网技术技术与应用课程教学过程中采用了项目驱动的教学方法，取得了较好的教学效果。以下以物联网技术技术与应用课程教学为例介绍项目驱动式教学的开展。物联网技术与用是一门综合性较强的课程，课程内容涉及无线传感网络技术、嵌入式操作系统，RFID技术，传感器技术和嵌入式网关技术等。将项目驱动式教学模式应用到物联网技术与应用课程，将物联网的核心技术整合到一个应用案例中，通过案例使学生理解物联网的核心技术，掌握物联网系统的设计方法。

目前在物联网应用系统中，温室大棚系统简单易懂，贴近生活，具有广泛实用价值等优点。本课程选用温室大棚系统的设计与实现作为驱动项目。温室大棚系统整体功能框图如图1所示：

温室大棚系统可实时采集大棚内的温湿度、光照、安防等信息，通过高精度测量温室大棚生产过程中的参数，智能控制温室内温度、湿度、通风状况等，自动实现保温、保湿和历史数据的记录的功能。该系统还具有远程访问和控制功能，用户可以通过PC机远程访问温室内的相关数据，并可远程控制农业大棚内部设备的开关，调整大棚内部环境。温室大棚系统的设计包含了物联网技术与应用课程的无线传感网络、嵌入式操作系统、传感器技术、嵌入式网关技术等知识点，该项目可以使学生全面掌握物联网技术的基本原理、掌握物联网工程实践与调试方法，提高学生的物联网系统的综合开发和设计能力。物联网技术与应用课程选择的温室大棚系统作为项目驱动，分五个阶段开展过程：

第一阶段，物联网系统概述，通过温室大棚系统项目引入物联网的应用系统的基本组成和相关的知识点，帮助学生建立物联网系统的概念。引入温室大棚控制管理的系统需求。 布置温室大棚系统项目设计要求。

第二阶段，结合物联网系统感知层、传输层、应用层的特点，引入物联网系统感知层理论知识点，将理论知识点与基于CC2530单片机设计温湿度传感器节点、红外传感节点，光照节点，执行节点等模块的设计相结合，完成温室大棚系统的物联网的感知层设计。

第三阶段，在物联网感知层的基础上，引入物联网传输层的理论知识点，将物联网传输层的知识点以Zigbee协议为案例，将红外传感节点、光照节点，温湿度传感器节点、执行器节点相结合完成温室大棚系统的传输层的设计。

第四阶段，基于温室大棚系统的应用层需求，引入物联网应用层的理论知识点，将第三阶段设计的传输层与应用层融合，通过无线传感器网络与嵌入式网关通信的设计，完成温湿度信息、光照度信息、控制信息上传到嵌入式网关及嵌入式网关控制网络的功能，完成物联网系统传输层及应用层的设计。

第五阶段，归纳总结物联网技术与应用的基本知识点及设计方法，将温室大棚系统的感知层、网络层、应用层进行综合设计，完成温室大棚控制系统的综合测试和验证。并通过项目组答辩与项目演示的考核方式，考查学生的物联网技术综合实践与应用能力。

基于项目驱动的计算机硬件教学改革，改变了原有计算机硬件教学过程中理论教学与实践教学脱节的情况，采用基于工程项目任务的讨论式教学，以实践项目设计为主线，学生动手实践为主，教师辅导为辅开展教学过程；并对原有的实践教学模式进行改革，对于课堂未完成的实践内容， 突破原有实验项目受时间，地点限制等问题， 实现开放性实验，学生可以自主选择时间进入实验室完成实验，使学生最终可以较好地完成实践项目。

5 结语

基于项目驱动的计算机硬件教学改革的开展，使学生不仅能够掌握计算机硬件的专业知识和研究方法，还可以进一步提高学生的创新和动手能力，为进一步深造和就业打下良好的基础。在基于项目驱动的计算机硬件教学过程中应注意以下几点，课程选择的项目能与当代科技前沿或社会发展紧密联系，选择的项目覆盖知识点全面，与具体的生产实践结合密切，项目的开展能进一步促进学生对计算机硬件的理解，使学生硬件设计和开发调试能力得以全面的提高。

参考文献：

[1] 崔莉，刘强，李栋.物联网系统及核心设备[J].中国计算机学会通讯，2010，6（4）.

[2] 沈苏彬，范曲立.物联网的体系结构与相关技术研究[J].南京邮电大学学报，2009.29（6）：1-11.

[3] 基于“项目驱动”的单片机类课程實践教学改革[J].实验室研究与探索，2010，29（5）.

[4] 岳云峰，顾晖. 计算机硬件课程教学中的项目驱动教学法[J].南通大学学报，2007（3）：93-94.

[5] 李纯青，王志玲. 基于建构主义的课题研究教学模式对学生创新能力的影响研究[J].清华大学教育研究，2006（S1）：36-40.130-132.

[6] 乐英高，任小洪，徐卫东，等.基于Zigbee技术的物联网开发平台构建[J].单片机与嵌入式系统应用，2011，11（2）：56.