谈计算机硬件实验教学及存在问题的改进措施

叶宗海

摘要：硬件实验教学在高校的人才培养中占有重要地位，着重培养计算机专业学生的动手实践和创新能力，是教学的必需环节。针对传统硬件实验教学上存在观念、教学体系、实验条件、实验教师队伍和实验考核等方面的不足，结合自身多年的计算机硬件实验教学经验，提出措施，希望以此改进实验教学，提高教学质量。

关键词：计算机硬件；实验教学；教学体系；实验室建设；师资队伍

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）16-0180-03

Abstract： Hardware experiment teaching plays an important role in the cultivation of talents in Colleges and universities. It emphasizes on cultivating students' practical ability and innovative ability， which is a necessary part of teaching. In view of the traditional hardware experiment teaching concepts， teaching system， experimental conditions， experimental teachers and evaluation etc.， combined with their years of computer hardware experimental teaching experience， this paper puts forward measures hoping to improve experimental teaching and enhance the quality of teaching.

Key words： computer hardware； experimental teaching； teaching system； laboratory construction； teaching staff

1 概述

硬件实验教学是计算机实验教学的重要组成部分，是计算机专业培养学生动手能力、实践与创新能力的必需环节。不断改进计算机硬件实验教学体系、更新实验教学内容、改革实验教学方法，以适应计算机硬件技术的不断发展[1]。以下结合自身多年来的计算机硬件实验教学经验，谈谈自己的看法。

2 硬件实验教学方式与特点

硬件实验教学具有理论性强、难度大、软硬件结合紧密等特点。与理论教学一样，具有一套完整的科学教学体系，同时又有区别于理论教学的一些特点[2]。计算机硬件实验一般需要用到的软硬件有微机、配套软件、实验设备、测量仪器仪表及各种线缆等，使用设备多、综合性强、复杂度高。实验成功与否涉及因素多，操作方式、软硬件结合等方面都会影响实验结果，实验时需要综合考虑。

实验课前，教师会要求学生进行实验预习。实验时，教师讲解实验目的、原理和电路，布置内容与要求。学生根据实验内容，结合硬件实验箱，进行电路连接、编写程序、运行并观看结果。若结果有出入或者错误，则需要进行排查，直到实验结束。实验完成后，记录数据，进行分析判断并填写实验报告。以单片机AD转换实验为例，讲授理论知识后布置实验预习；实验前教师讲解AD转换工作原理、电路并布置实验内容；实验时，学生按照要求将单片机硬件实验箱相关电路模块用导线连接，在上位机端使用KEIL软件进行编程，完成后进行调试验证。使用数字万用表观察模拟电压量以及实验箱上八段数码管显示的数字量，对比模拟量与数字量的对应关系，若模拟量与数字量都能正常同步增加与减小，实验基本成功；若不能，则需要检查硬件电路连接是否正确、软件编写是否到位；实验完成后，需要记录数据完成实验报告并分析结果。

3 存在的问题

3.1 观念滞后

国内的教育思想中存有“重理论，轻实践”的传统观念，实验教学仍处于理论教学的从属地位，被视为是单纯理论教学的验证和延伸[1]。及时转变观念，认识实验教学的重要性，就显得尤为重要。一般高校只重视学生的软件教学，轻视了硬件教学，存在“重软轻硬”现象。由于硬件实验的特殊性，学生也只对软件感兴趣，害怕硬件实验与操作。比如有的专业，学过单片机技术课程，却只懂得一点单片机理论知识，做起实验来，芯片控制与编程、电路连接，无从下手，更别说学以致用。同时，系部与教师对硬件实验也不够重视，这样对高校人才培养是不利的 。

3.2 实验教学体系缺乏系统性和科学性

计算机体系结构有很强的系统性。但硬件课程之间没有形成一个系统整体，缺乏系统性和完整性的实验教学体系，基本以演示性、验证性的实验为主，缺少综合性、设计性实验。大多高校一般都开设有数字逻辑电路、计算机组成原理、微机原理与接口、单片机技术、嵌入式系统等硬件课程，各门课各自按课程要求安排实验，实验内容之间缺乏相互联系。另外，课程开设有先后顺序关系，可能存在如“微型计算机原理与接口”与“单片机技术”同一学期进行教学的情况。同时，存在硬件实验在学时学分上的设置不合理、学时偏少、实验课程无学分、课程结束后无课程设计环节等情况。

3.3 实验条件不完善

近年来， 高校的软硬件设施建设有了很大提高，积极更新实验室设备、建设虚拟仿真实验室等。但是，一般高校在实验室建设更新上更侧重于软件类实验室的建设更新，比如计算机机房。造成了硬件实验条件的不足、设备老旧、更新不及时等问题。还存在实验场所不足，硬件实验室设置不全，相关课程只上理论、没有硬件实验的情况；有的实验室存放多套实验设备，实验室利用率高，却出现单套设备使用率较低的情况，这样给实验室增加使用学时、实验室开放、开设课程设计等方面增加了困难。

3.4 实验教师队伍相对薄弱

稳定的教师队伍，对高校的发展与人才培养至关重要。实验教师作为实验教学的设计者和执行者，对实验教学起到了关键的作用，其能力和素质的高低直接影响了学生学习的积极性和学习效果[3]。相对于公办高校，独立学院存在师资队伍不稳定、人员流动率高等问题。造成许多硬件课程是新老师任教、非专业教师上专业课程，以及一位教师任教多门专业课程等情况，这样不管是理论还是实验教学，都是不利的。另外，还缺乏专业的实验员，而硬件实验一般是由教师和实验员一块配合进行的。由于独立学院的特殊性，一位实验员需负责管理多间实验室，既要管理机房又要负责硬件实验室，还管理着网络实验室。而且硬件实验设备维护难度大，对专业技术要求高，实验室管理往往会套用计算机机房的管理方式，容易造成管理不足或“虚位”管理。

3.5 实验内容与考核方式需要改进

受旧的教学模式影响，以教师为中心，学生按照老师要求和步骤进行实验，缺乏主动性，这种模式影响学生创新精神和创造力的发挥。硬件理论教材陈旧，实验教材单调，或没有实验教材，多年使用同一本教材，不能与时俱进。一般来说，实验教材是各高校自行编写，实验电路、操作步骤、表格等都已经准备好，只需按照教材进行实验与验证、数据填写、完成报告后就算完成实验。这束缚了学生的思维，影响了创新能力的培养。有的设备配套实验教材，使用方便，但存在教材简单、错误多，不能完全满足实验要求。而且，实验教材上基本只有演示性和验证性实验，缺少设计性、综合性的实验内容。另外，在实验考核方法上，也有不足。一般硬件实验是依附于理论教学的，没有独立设课，学生对实验重视度不够，只注重于期末的考试，实验过程、数据记录和报告应付性完成，影响了教师对学生的量化考核，也影响学生学习的积极性。

4 改进措施

4.1 建立和改进硬件教学体系

培养学生创新能力和综合素质为出发点，以调动学生学习的主动性和创造性为目标，提高学生综合实践能力和应用能力为结果，做到实验教学融会贯通的模块化、实验教学体系的多层次、实验教学类型的多样化、实验教学内容的系统化[4]。根据计算机硬件知识结构，将硬件实验教学体系分为四层：入门层、基础层、拓展应用层和提高层，如图1所示。

入门层实验让学生熟悉常见的模拟电路、数字逻辑电路原理，具有设计一定功能电路的实践能力；基础层的“计算机组成原理”主要完成运算控制器、存储器、CPU等器件的原理与控制实验，熟悉简单的计算机原型组成与原理；微机原理接口培养使用与硬件紧密结合的汇编语言编程、CPU与外围部件的接口设计等，使学生对计算机软硬件系统有更进一步理解；拓展应用层实主要完成单片机、嵌入式系统的软硬件设计，使学生能熟悉应用系统的软硬件开发，提高实际应用能力；提高层的综合设计与应用创新，要求学生将所学专业知识进行综合运用，进行应用系统开发和新技术的研究应用，提升学生科研和开发能力。比如参与教师课研、毕业设计，参加各种电子设计竞赛等活动。

在实验教学内容层次上，可以将部分计算机硬件课程的实验内容分为4类，即验证型、设计型、综合型、探索型，实验内容由浅入深，循序渐进[5]。验证型实验强化理论知识的理解；设计型实验培养电路设计和调试能力；综合型实验使学生掌握综合应用软硬件的技能；探索性实验培养学生分析、判断和解决实际问题方法和能力。在改进实验教学体系和教学内容层次上，还需要根据硬件实验课程情况，在实验学时、课程设计和实验课程学分等方面做出改进，以加强学生从基础到应用、从探索实践到创新能力的层次化培养全过程。

4.2 加强建设，改善实验室环境

改善实验环境，从硬件和软件建设两方面入手。

1）硬件设备是保障实验正常开展的前提条件。微机与硬件实验箱使用3～5年就会出现设备老化、运行速度和设备可靠性下降等情况，一些常用仪器仪表，比如万用表、示波器之类的仪器，也需要及时更新换代，否则无法满足实验教学需求。因此，在硬件实验室建设上，根据教学内容的需要及新技术的发展来定期制定设备购置计划，及时让学生用上最先进的产品来适应社会的发展[6]。另外，尽量避免出现过多套数的硬件实验设备共用一间实验室情况，预留足够的空间和时间来进行实验室的开放。

2）在加强硬件建设基础上，也需加强软件方面建设。第一，及时安装更新当前主流系统软件和应用软件，使学生能够熟悉使用比较当前主流的应用软件，做到与时俱进。由于硬件实验箱存在硬件电路或芯片的不足，安装虚拟仿真软件进行实验，如数字逻辑电路、单片机技术实验课程使用PROTUES仿真软件，弥补硬件实验箱的短板，做到能实不虚、虚实结合的实验环境。第二，要加强实验室管理与维护，形成良好的实验环境，完善规章制度，保障实验室正常高效使用。第三，相对于理论授课，硬件实验在学时上明显偏少，导致学生动手能力不足。一种途径是增加实验学时数，也可以在课余时间进行硬件实验室的开放，开展有偿使用实验室服务工作，满足学生在课余时间使用设备做实验的要求。

4.3 加强师资队伍，提升水平

加强师资队伍建设，是培养高质量学生的前提条件。如何培养出一批既要有知识，又要有能力，更要具有使知识和能力得到充分发挥的高素质人才，对教育工作者而言是一大挑战[7]。硬件师资队伍建设，需要将理论教师与实验员队伍建设一起抓，两者不可或缺。除了留住在职教师之外，招聘有丰富经验的专业教师加入计算机硬件教学队伍，提高专业水平。同时，要加强对教师和实验员专业素质的培养，组织参与校内外的教学研讨交流，参加计算机硬件有关的学术会议、厂家举办的各种软硬件培训、与企业开展横行课题合作及带领学生参加各种计算机硬件类的竞赛等活动，以提升专业水平。

4.4 改进实验考核机制

硬件实验在增加实验学时、课程设计环节等内容之外，还需要改进实验考核机制，引起学生对硬件实验的重视，提高学习积极性。适当增加学时，让学生在学习理论知识后，有时间在硬件实验室完成实验，也可以让教师更好的进行实验成绩综合评定。增加课程设计、硬件实验课程设置学分，让学生提高动手能力之外，也可以提高学生对实验的重视程度。同时，为了实验成绩评定的公平性，实验时要求每位学生独立操作和完成实验报告。实验课程单独设置学分，意味着理论与实验的考核分开，让学生在学到相关理论知识外，能够独立完成实验，提高动手能力。

5 结束语

提高教学质量、培养学生动手能力和创新能力，是一项系统性工作。需要在学生学习态度、实验教学条件、教师专业水平、教学体系和实验考核等多方面下工夫，还要结合当前形式下的硬件实验教学情况，不断总结与思考，不断实践与提高。

参考文献：

[1] 戚梅，张鹏，东野长磊.计算机硬件实验教学改革与探索[J].实验科学与技术，2011，9（2）：80-81.

[2] 门晓丽.高校计算机硬件实验教学亟待解决的问题[J].呼伦贝尔学院学报，2008，16（4）：111.

[3] 张士磊，孟昕元.创新实践型人才培养的实验教学改革与探索[J].实验科学与技术，2014，12（1）：149-152.

[4] 李珍香，王红.立体化创新性的计算机硬件实验教学体系与模式研究[J].实验室技术与管理，2009，26（10）：104-106.

[5] 郝尚富，张晓，孙佰利.计算机硬件实验教学与管理的探索[J].河北北方学院学报，2009，25（4）：80-81.

[6] 戚梅，东野长磊.构建计算机硬件实验教学体系[J].实验室研究与探索，2009，28（9）：131-132.

[7] 霍学慧，王建华，郭风法.改革实验教学模式提高学生综合素质[J].实验室研究与探索，2011，30（3）：278-279.