计算机硬件课程体系数字化实验教学平台初探

(1、2.安徽大学计算机科学与技术学院，安徽 合肥230601)

引言

高校作为国家创新体系的重要组成部分，在综合型高素质创新人才的培养中发挥着重要的作用。创新人才不仅需要具备扎实的基础理论与专业知识，同时，更需要拥有较强的综合分析与创造能力。作为人才培养体系中的一个关键环节，已经体现出了越来越重要的地位[1]。另一方面，随着近年来人工智能技术的迅猛发展，智能汽车、智能语音导航、智能医疗设备、智能家居等已走进我们的生活[2]。2017年，国务院印发的《新一代人工智能发展规划》明确指出：到2030年使中国人工智能理论、技术与应用总体达到世界领先水平，成为世界主要人工智能创新中心(国发[2017]35号)。在此背景下，面向计算机硬件课程体系的实验教学作为计算机教育体系的一个重要组成，在创新思维与创新能力的培养、学生综合素质的提升及促进国家人工智能技术的发展中发挥着不可替代的作用。笔者根据多年从事计算机硬件相关课程的教学经验，结合计算机网络技术、系统仿真技术与人机交互技术，提出了通过构建数字化实验教学平台，提升学生在教学实施过程中的主导地位的教学新思路，以充分激发其学习主动性与创造性，实现理论与实践的有机统一。

1 构建数字化实验教学平台的必要性

目前，很多高校在计算机硬件课程体系(主要包括：《汇编语言程序设计》《编译原理》《计算机体系结构》《微型计算机原理与接口技术》《单片机技术》等)的实验教学中，普遍采用的是：“传递→接受→模仿” 教学模式。该模式通过实验目标的讲解、基础理论的讲授、实际操作及综合实践4个环节实施教学，其优点是教师可以较好地组织实验环节、及时解决学生所遇到的问题及方便地进行课程进度的控制等，便于在实验教学中发挥教师的主导作用。然而，该模式却降低了学生在教学实施过程中的认知主体地位，遏制了其主观能动性与创造性的充分发挥[3]。因此，传统教学模式所带来的弊端是：逐步养成学生的思维惰性，使其形成对教科书与教师讲授内容的盲目“崇拜”，严重阻碍了学生发散思维与逆向思维的训练。更为严重的是，当学生发现实验结果与书本内容不一致时，他们首先否定了自己，缺失了对所学知识的质疑，扼杀了学生提出新想法的勇气，阻断了创新能力培养的源泉[4]。可以看出，这种教学模式移走了创新型人才赖以成长的沃土，人才培养质量根本无从谈起。另一方面，计算机硬件课程体系是以《数字逻辑》《电路与模电》《信号与系统》等相关课程为基础的专业核心课程群，不同课程之间具有较强的关联性，这对学生创新求异的开拓能力提出了更高的要求。如果仅强调局部专业能力的培养，而不重视知识的整体性把握，培养出的学生势必自主学习能力差、知识体系性弱、创新能力不强，这将很难适应如今快速发展的计算机技术。因此，传统实验教学模式改革势在必行，数字化实验教学平台则应运而生。

2 数字化实验教学平台的基本架构

数字化实验平台是基于互联网、局域网等信息资源，结合多种实验教学媒体的新型教学实验平台。该平台通过整合现有教学资源，开发新的教学交互软件，改变传统的教师到学生的讲授模式，使学生在实验过程中成为教学实施过程的主导者，从而充分激发其学习的主动性与创造性。面向计算机硬件课程体系的数字化实验教学平台主要由“硬件教学平台”和“软件教学平台”两个子平台构成。

2.1 硬件教学平台

数字化实验硬件教学平台的组成如图1所示。

图1 数字化实验硬件教学平台组成示意图

硬件平台主要由“校外资源”与“校内资源”两部分组成，两者之间通过校园网与互联网进行信息传输。其中，“校内资源”部分由实物设备实验室、虚拟实验室及学校的电子图书馆组成；“校外资源”部分由科研机构、其他高校及实习基地组成。学生实验内容的预习、资料的查阅、部分实验的仿真及结果的提交可在校内资源平台内实现；而对于一些本专业最新的动态、产品与思路可通过互联网从校外资源获取。在整个硬件平台中，“实物设备实验室”与“虚拟实验室”是两个核心组成部分。其中，“实物设备实验室”通过硬件的实际操作完成原理验证、开发或电子制作等实验；“虚拟实验室”通过相关设备和软件虚拟实验平台，用来完成理论的验证、算法的模拟和软件的开发等，从而解决硬件实验设备紧缺的问题。在进行虚拟仿真实验时，学生可以不用去实验室，只需在连接网络的电脑上进行预定实验内容的操作即可。同时，还可以将分析结果以及所遇到的问题发送给教师；教师则通过自己的办公电脑就可以观察学生的实验结果，并回答学生的提问。另外，教师和学生也可以通过网络进行实时对话，随时解决实验过程中遇到的问题。

2.2 软件教学平台

软件教学平台是基于硬件教学平台，它是实现交互教学功能的一个主要承担者，主要包括以下6个部分：

2.2.1 实验/实习指导教材：根据数字化平台教学特点，以教材内容为依据，以教学大纲为目标，由课题组与实验室有经验的教师进行撰写。为使学生能够快速地了解实验目的、掌握实验步骤、理解实验重/难点，该教材应具有提纲挈领与言简意赅的特点。

2.2.2 基于多媒体技术的教学交互软件：为保证学生能够准确地掌握实验基本原理、方法、步骤，软件通过视频、声音、文字等手段，以交互方式完成这一目标。具体来说，学生可以在学习过程中，根据实验目的，自主设计程序流程、修改参数设置等方式来观察初步的仿真结果。该软件与教师电脑相连，教师可以查看该学生的具体实验过程与结果，以便及时进行反馈。

2.2.3 理论仿真软件：该软件是教学交互软件的升级，采用模块化的设计思路，通过拖拽方式实现系统的搭建。学生在使用时，可根据所学原理，如：中断、串行通信、看门狗程序等，设计实验基本流程、编写程序、设置硬件电路及参数等；学生也可以通过已有的实验结果改变程序参数、调整硬件配置和程序运行环境进行仿真。在显示端，软件将同步输出/显示实验结果及部分波形。

2.2.4 实物制作仿真软件：计算机硬件教学主要面向硬件设备的制作与开发，如：定时器、计数器等，学生通过软、硬件设计锻炼独立思考能力。在实验过程中，他们将根据自己的兴趣，在得到教师的许可后，可以自行设计一些具有一定综合性的小系统。实物制作仿真软件就是为了避免初期设计失败而导致的资源浪费问题，同时，又可以为他们开发的系统提供必要的验证。通过该软件，学生可以实现系统模块的搭建、参数的设置及输出性能的分析等，通过结果的实时反馈，不断调整、完善系统性能，以获取最佳设计方案。

2.2.5 能力综合测试软件：为了检查学生学习效果的好坏，软件设计了笔试与实操两个测试内容。其中，笔试部分主要用于检测学生对理论知识、实验过程及实验现象的掌握与理解程度；实操部分则由教师随机抽取测试内容，如：设计流水灯、使用扬声器播放指定音乐、电子数码管的显示等，该测试依托实物制作仿真软件完成，用以考查学生运用综合知识的能力。

2.2.6 平台管理软件：为保证平台的正常运行，软件采用高、中、低三级管理方法，具体为：低级管理由学生推选的课程委员执行，主要负责信息的日常维护与数据的更新；中级管理则由任课教师和实验教师组成，主要负责软件功能的开发、试题库的维护等；高级管理由网络专家组成，主要负责网络的维护、资源的分配等技术问题。

3 基于数字化实验平台的教学特点

面向计算机硬件课程体系的数字化实验教学平台综合了计算机的快速交互、信息的实时更新、丰富的知识获取手段等优点[5, 6]，促进了学生在实验教学过程中地位的改变，使学生从被动的信息接收者变成主动的知识获取者。在这种教学模式下，教师从课堂的主宰者转变为学生创新能力的哺育者，实现对学生学习主动性与积极性的进一步激发。基于数字化实验平台的教学过程具有以下几个鲜明特点：

3.1 教学资源更加丰富。数字平台整合了校外与校内教学资源，学生在实验过程中，可以方便地利用这些资源对实验原理、实验现象及实验结果进行充分的准备与分析。另外，多媒体教学软件的开发，声音、视频、文本等多种手段的综合使用，在为学生提供良好信息获取环境的同时，也会极大地调动学生的学习热情，使他们有意愿去尝试，去探索。

3.2 有利于教学质量的提高。实验平台所提供的丰富教学资源为学生进行个性化学习提供了便利条件。学生可以通过指导教材与交互软件了解实验的重难点问题，在教师的指导下，可进行独立思考与自主安排实验内容与时间。实物制作仿真软件可辅助学生结合所学知识，设计系统并进行仿真与验证，帮助其在更高的层面上进行创新能力的培养。可以看出，这种实验模式使学生由传统教学中的“简单模仿”转变为“独立设计”，使之能够更加主动获取知识和处理信息；同时，也便于教师根据不同学生的特点，实现因材施教。

3.3 促进了教学模式的改革。在数字化教学平台的教学活动中，弱化了教师在教学实施过程中的主导地位，强化了学生独立与创新学习能力的培养。教师通过指导学生从理论验证到系统设计，再到系统实现及最终的实验结果分析这一完整实验过程，有效促进了学生自身探索和获取知识能力的提高，逐步使学生养成主动思考与主动探索的良好学习习惯。

3.4 促进学生创新能力的提升。数字化实验教学通过改变“教”与“学”在教学过程中的比重，强调学生的认知主体地位，注重“自主获取、自主探索、自主发现”能力的培养，通过学生与教师、学生与学生间的交流互动，将会有力促进学生创造与创新性思维的发展。

3.5 有助于团队精神的培养。网络在实验过程中的使用，使得学生之间随时、随地开展合作成为可能。传统教学中，学生的合作仅限于课堂教学时间，而在基于数字化平台的教学模式中，学生们可以将实验任务分解为多个模块，每个学生负责完成其中一部分工作，最后通过网络将功能进行整合。这种合作模式能够促进学生们深入理解和运用所学知识；同时，共同的目标、共同的努力以及成功所带来的满足感将会深化学生对开展团队合作重要性的认识，对于培养学生良好的协作精神与沟通协调能力具有重要的推动作用。

4 实施过程中可能会面临的问题

4.1 对实验条件提出了更高的要求

基于网络的新型数字化实验教学平台的使用，对各高校的基础网络保障、实验教学设备的更新与升级提出了更高的要求。以《微型计算机原理与接口技术》实验课程为例，我院现有的主要实验设备是基于单机版的实验箱，缺少网络版的在线仿真软件，这限制了数字化实验教学模式的实施。另外，平台的管理也是一个具有挑战的问题，如何保证网络资源的合理分配、教师与学生在网络上的信息安全及仿真结果的实时性，都是需要认真考虑的问题。

4.2 对教师的课程驾驭能力提出了新的挑战

在基于数字化实验教学平台的实验教学中，由于强化了学生认知主体的地位，教师的主导作用则有所下降。因此，在具体实施中，教师不再是实验的“重复器”，学生也不再是知识的“存储器”。相反，教师在教学中的主要工作变为引导学生在实验中发现问题，帮助其分析问题与解决问题，提高探索新知识的能力。因此，在新的教学模式下，教师将从传统教学方法中知识的讲授者转变为实验过程中的辅导者、学生的合作者。然而，这种关系的转变必然给教师带来新的挑战。在学生的自主思维下，在丰富教学资源的帮助下，实验过程中可能会产生各种难以预料的问题，这些问题可能是技术层面的，也可能是理论层面的。因此，快速、有效地“诊断”出问题所在，并给予学生合理的解决方案，对教师在课程内容的驾驭上提出了更高的要求。

4.3 教师队伍建设可能无法满足数字化实验教学的需求

目前，很多院校都存在实验教师资源紧张的现象，新的数字平台的应用，虽然教师可以在网络上对学生疑问进行解答，但依然难以有效缓解实验教师的工作强度。另外，对于一些年纪偏大的教师，虽在传统的教学模式中得心应手，但对于开发基于网络的实验软件、实施网络教学有可能存在一定的困难。因此，如何加强实验教师队伍建设，提高实验教师专业能力也是一个亟待解决的问题。

5 结语

数字化实验教学平台的构建是对传统实验教学模式的一种改革，通过教学过程中教师与学生在教学过程中发挥作用的改变，基于网络的资源共享的实现及多媒体交互软件的开发，将会大大提高学生在实验教学中的主动性与创造性。研究和探讨新的面向计算机硬件课程体系的实验教学模式和手段，利用数字化技术改进实验教学条件，是提高计算机专业人才培养质量的一个重要且有效的途径。作为一种行之有效的实验教学平台，目前我们已经完成了硬件平台中“校内资源”模块与“软件教学平台”的搭建，并在2017年度第一学期计算机科学与技术专业约300名学生中展开了测试。学生们普遍反映，该教学平台能够较好地调动他们的学习积极性，尤其是“理论仿真软件”与“实物制作仿真软件”两个模块对于促进他们深入理解、运用所学知识起到了非常好的推动作用；同时，在完成实验目标的过程中，共同的目标、共同的努力以及成功所带来的满足感深化了学生对开展团队合作重要性的认识，培养了他们良好的协作精神与沟通协调能力。目前，平台构建过程中，所遇到的主要问题是系统的稳定性与学生注册信息的安全性。在以后的工作中，我们除继续完成“校外资源”模块的搭建的同时，着手解决上述两个问题，进一步提高该教学平台的实用性。