计算机类本科专业硬件实践教学改革探讨

2018-05-24胡海根

中国信息技术教育 2018年8期

摘要：本文对计算机类硬件实验教学现状进行了分析，对该类课程的特点及教学弊端进行了剖析，并结合笔者的实际教学经验与体会，以及学校现有的实验条件，提出了理顺硬件课程的实验教学体系、注重动手能力培养、提高实践教学方法等措施，充分发挥学生的积极性、主动性，培养学生的实践能力。

关键词：硬件类课程；实验教学；实践能力；计算机大类

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2018）08-0073-03

引言

诸如物联网工程、计算机等专业的计算机类的课程体系内容基本可以分为两部分：一部分是软件类课程，另一部分是硬件类课程。硬件是软件的有效载体，在计算机类课程体系中起着关键作用。因此，利用学校现有的实验室条件，充分运用现代化的实验教学手段，提高学生的动手实践能力，是硬件类课程教学的重要环节。另外，教师要以培养学生的实践创新能力为目标，不断地改革与完善数模电、微机接口、单片机等硬件课程实验教学的内容和方法，进而引导和激发学生学习硬件开发技术的学习兴趣，充分发挥学生的主观能动性和创造性。

下面，笔者结合自己在计算机类专业（物联网、计算机、计算机自动化等专业）多年的教学经验与体会，探讨如何在硬件实践教学中激发学生的硬件开发兴趣，培养学生的实践创新能力。

现状分析

目前，与其他高校类似，笔者所在学院计算机类相关专业在培养计划的制订、教学模式及教学实验室的配置等方面也存在“重软轻硬”的现象，使得计算机硬件课程体系相对薄弱，学生对硬件类的设计与开发工作缺少兴趣。在这种教学氛围下，学生也自然对硬件类课程感到陌生、畏惧，甚至达到逢“硬”必“怕”的地步。硬件类课程的学习有其自身的特点，如硬件知识比较抽象，学生要不断实践才能体会等。因此，必须加强与重视硬件类课程实践教学环节，只有通过大量的实践练习，并结合理论教学，才能让学生较好地掌握硬件知识。

在硬件教学设施方面，传统的硬件实验均以实验箱或实验模块装置为实验平台，开设的实验教学内容大多数属于验证性实验、训练性实验。在学习、操作过程中，学生往往很被动，学生做完实验后，甚至都不知道实验原理，就更不要说去结合工业生产和人们生活需求去开发、创新一些具有实用价值的东西了。

理顺硬件课程的实验教学体系

计算机类相关专业的硬件实验课程体系应坚持完整性、系统性及不重复性三个原则，并按照人才培养方案要求，课堂实验与课程设计实践相互补充，内容前后连贯衔接，其中实验涉及的是单一知识点基础，实践则是各知识点的综合应用，且层次在逐步提高。因此，可以从以下三方面着手解决。

1.遵循“循序渐进，逐步加强”原则，将硬件实验体系知识划分为基础、应用和提高三个层次

基础部分是要求学生掌握课程的基础知识点，并通过一些验证性实验加以理解和巩固。这部分的验证性实验仍然用实验箱完成，即在现有的实验条件下，学生掌握相关的基本软、硬件的开发知识，能够根据系统原理图正确地连线，并在计算机上编写、调试、下载程序，能够结合外围电路对系统功能进行测试，设计并实现参考选题中要求设计的系统。

应用和提高部分则对学生提出了更高的要求，即通过设计性、综合性实验的训练达到要求。一般要求学生能够动手搭建硬件模块，分组进行，设计若干个综合设计电路，最终完成软硬件的搭建、调试，以硬件产品的形式完成。

2.把简单验证性实验改为“验证性—设计性—综合性”的实验模式，培养学生实践动手能力

对于验证性实验，按照基本的知识点要求，即：①根据实验指导书的任务要求，设计硬件系统方案，连线、编程实现系统功能，并填写实验报告册；②在理解硬件方案的基础上，自己动手修改程序，并正确连线、构成新硬件电路系统，且通过独立调试实现设计方案（汇编语言程序编写、实验箱实验系统的使用、定时器/计数器的应用、I/O口的应用、串行口应用及中断应用等）。另外，通过大量反复的基本练习，使学生熟练掌握基本的语言知识，具备基本的编程能力。

在此基础上，对一些难度稍大的实验进行训练，并完成设计性、综合性的实验项目，将汇编知识和硬件设计的内容串成两条相互呼应的主线，加深学生对硬件的全面理解和掌握，培养其综合应用开发能力，提高硬件编程水平。在这部分实验教学中，从最基本的硬件系统设计到比较复杂的综合系统设计，都要突出由基本的电子元器件的认知到综合应用各知识点进行设计的思想，从而达到培养学生软件分析、设计与调试和硬件分析、设计与调试的综合能力的教学目的。

3.協调整合多门硬件类课程，对内容重复的部分进行删减

在计算机类的硬件课程体系中，在不同的课程中可能会涉及到相同的知识点内容，对于多门硬件实验课程的内容重复问题，要协同各课程教师，对重复内容予以去除，如“微机接口技术”“数字电路”“单片机原理及应用”等课程中的一些接口芯片（ADC0809、DA0832、8255A）等内容可删减。

注重学生的动手能力培养，着力提高实践教学方法

1.优化实践教学手段与方法，提高学生的硬件设计效率与兴趣

在单片机原理与应用等硬件课程中，采用诸如Keil+Proteus等虚拟仿真实验平台进行实践教学，可以有效培养学生对硬件的感性认识，提高学生的硬件系统设计、基于硬件的软件编程及软硬件联合调试的能力，满足学生的实践创新需求，充分发挥其积极性和主动性，进而有效弥补理论教学与实践教学相互脱节的矛盾。同时，Keil+Proteus等虚拟仿真实验平台使用方便，完全摆脱了在实验室做实验的空间限制，学生在自己的计算机上安装好软件便可以进行实验仿真，这突破了学生做实验时在时间和空间上的限制，进而有效提高了实验效率和学生的硬件开发兴趣。

2.充分利用现有实验室条件，改进实践教学方法，提高教学效率

虽然现有的实验平台大部分为实验箱，但这并不是说就不能完成一些设计性、综合性实验，我们可充分利用现有的实验条件，对实验资源进行挖掘，创造条件设计一些设计性、综合性的实验。例如，在笔者所在学院的“微机接口技术”课程中，选用了由西安唐都科教仪器公司开发的TD-PITE32位微机原理与接口技术教学实验系统，该实验系统由8255单元、8259单元、8254单元、A/D转换单元、D/A转换单元、点阵显示单元、键盘及数码管显示单元、电子发声及步进电机单元、直流电机单元、开关及 LED显示单元等组成。为了充分发挥学生的创造性和想象力，培养其综合实践能力和创新精神，在该课程的课程设计教学中，教师先利用现有的实验条件，改进实践教学方法，要求每位学生独立进行课程设计，通过不同模块的组合（至少用到实验平台的三个单元，并且内容不完全一样），完成一个微机接口综合系统。最后，根据该系统的复杂程度（知识点）、实验演示、答辩情况及实验报告等对学生进行综合考核评分。经过两学期的教学试验，取得了较好的教学效果，一方面，充分发挥了学生的聪明才智，设计开发出了诸如密码锁、超级玛丽、音乐播放器、交通灯等功能较为完善的系统或“产品”，调动了学生的积极性、主动性和创造性。另一方面，也让那些平时喜欢“蹭”实验的学生亲自动手完成实验，达到了硬件设计实践全覆盖的目的。

3.以工程项目为驱动，优化实践教学内容，提高软、硬件综合开发能力

计算机的硬件和软件知识相辅相成，构成了一个完整的课程体系，但往往负责软、硬件教学的教师不同，而且教师之间或者课程之间缺乏有效的沟通，导致学生学到的知识点较为零散，达不到对计算机系统软、硬件基本知识的融会贯通。例如，学生学习了寄存器、存储器等硬件知识后，却不知如何结合汇编语言对硬件进行编程。因此，教师应该在硬件的实践教学中，注意软、硬件课程间的衔接，使学生能够基于硬件知识去理解软件编程，以及基于软件知识去理解硬件编程，从而提高学生的计算机系统软、硬件协同编程、设计、综合能力。

为此，笔者提出以教师的工程项目经验为驱动，结合“微机接口技术”“单片机原理及应用”的各知识点，以一个小型项目开发为例，引导学生对相关的时钟芯片（DS1302）、485总线、继电器控制、按键模块、12864液晶模块，以及AD、DA等模块进行逐次、分模块地开发。

总之，在计算机类专业的硬件实践教学过程中，以上几点做法有较强的可行性和可操作性，这样能让学生充分发挥自身的聪明才智，积极主动参与到硬件的设计、编程、调试等实践开发过程中来，充分锻炼和培养学生的实践创新能力。

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作者简介：胡海根（1977—），男（汉），江西丰城人，博士，副教授，研究方向为机器学习、嵌入式系统开发。