“双一流”建设中应用型地方本科院校计算机硬件类课程实践教学体系改革研究

2018-12-25肖娟，王嵩，于芳，谢慧

计算机教育 2018年11期

肖娟，王嵩，于芳，谢慧

（湘南学院软件与通信工程学院，湖南郴州 423000）

0 引言

“双一流”建设是党中央、国务院在中国高等教育领域继“211工程”“985工程”之后作出的另一重大高等教育战略决策。2017年9月21日，我国教育部、财政部、国家发展改革委联合发布《关于公布世界一流大学和一流学科建设高校及建设学科名单的通知》，公布了我国建设一流大学和一流学科的名单[1]。在公布名单之列的高校都是我国办学基础扎实、发展实力强劲的高校，对于绝大多数的地方本科院校而言,没有悠久的办学历史，也没有充裕的办学经费，如何在“双一流”建设的春风中找到自身定位和发展目标是地方本科院校发展的关键。

应用型地方本科院校在“双一流”建设中，应抓住自身的特点，建设适合自身发展需求的“一流”应用特色学科。应用型地方本科院校的最大特点就是培养能把成熟的技术和理论应用到实际生成、生活中的技能型人才。作为应用型地方本科院校的计算机学科，应该抓住其应用特色，从应用实践方面入手加强学科竞争力。

计算机硬件类课程是计算机学科各类专业所必修的专业基础课程，而实践教学又是培养学生实践动手能力最为直接和关键的环节，因此，在“双一流”建设中，应用型地方本科院校对计算机硬件类课程实践教学的改革是非常必要的。

1 实践教学体系现状

近年来，计算机微处理器技术、芯片集成技术和半导体技术等计算机硬件相关技术得到了突飞猛进的发展，其发展极大程度地降低了计算机的应用成本，使计算机的应用渗透到人们生产和生活的方方面面，并在逐渐改变人们生产生活方式的同时，推动社会迅速地向前发展。因此，作为计算机相关专业的高校学生，必须掌握计算机硬件设计技术和硬件工程能力等相关的计算机硬件知识技能。

在我国，计算机硬件相关课程随着计算机学科的发展也在逐渐成熟，由于现在计算机学科下的二级学科发展方向不同，对于计算机相关硬件课程的选择也有所侧重。计算机硬件相关课程在不同的二级学科中有着不同的设置，但目前从计算机学科这个一级学科的全局来看，从硬件底层技术向上发展的课程主要包括电路与电子学、数字电路、模拟电路、微机原理、计算机组成原理、微机接口、汇编语言、单片机技术、嵌入式系统、体系结构等。前面3门课程是最底层的硬件电路知识相关课程，这3门课程中的电路与电子学和模拟电路在有的偏向软件和应用的二级学科已停止开设。第4～6门课程目前来说一般只开设计算机组成原理。汇编语言这门面向硬件底层的低级语言课程也只是在部分二级学科有开设，有部分二级学科专业把此课程合并到计算机组成原理之中，取名为计算机组成原理与汇编。单片机技术和嵌入式系统这2门课程是面向计算机硬件技术的应用层面，其应用技术价值相对较高，是目前物联网专业方向的必修课程，因此这2门课程的开设较为广泛，同时其技术难度也较大。体系结构这门课程的理论性较强，在计算机相关专业的硕士研究生阶段会继续学习，因此，许多高校在本科学习阶段都已不开设这门课程。

这些计算机硬件课程的设置和实践体系结构对于国内一些底蕴深厚、技术雄厚的高校，如“985”“211”这类高校，都随着时代的发展有所发展和改革[2-4]，这些高校的硬件类课程实践体系的改革都是针对其自身情况特点和培养目标所作出的改革和尝试，值得其他高校学习和借鉴。然而，对处于转型发展阶段的绝大多数应用型地方本科院校来说，由于技术上和资金上都相对薄弱，不能直接照搬“985”“211”这类高校的硬件课程实践教学体系，而应该在深入分析自身培养目标、发展方向的基础上，建立一套适合自身特色和需求的实践教学体系。

2 实践教学体系存在的问题

1）缺乏适合自身发展需求的实践教学体系。

目前，绝大部分应用型地方本科高校计算机硬件课程的实践教学体系基本上都是照搬“985”“211”这类高校的。然而，由于学情不同、发展定位不同、培养目标不同，纯粹地照搬其他高校的实践教学体系，是难以适应目前新形势下应用型地方本科院校“双一流”建设需求的。

2）实验设备陈旧、实验方式落后、实验内容老套。

当前，大部分地方本科高校计算机硬件课程的实验设备还在沿用十多年前的实验箱，其实验内容也很少变动，这些老套的实验内容早已跟不上现代硬件相关应用技术的发展。

3）实验课时不足，影响实践能力的培养。

在传统计算机硬件类专业课程培养方案的设置中，理论课时和实验课时的比例通常是3:1或者4:1，这么少的实验课时，对于应用型人才实践能力的培养是完全不能满足的。

4）课程设计环节不被重视。

在传统计算机硬件类专业课程的设置中，只有少部分应用性较强的课程，如嵌入式系统开设了课程设计，但其课程设计的内容和选题都比较单调和简单，并没有与现行的相关应用技术和热点技术相适应。

综上，在“双一流”建设中，应用型地方本科院校计算机硬件类课程实践教学体系的改革迫在眉睫。

3 实践教学体系改革方案

1）实践教学目标。

应用型地方本科院校的定位就是培养应用型人才，而应用型人才最主要的特点是具有较强的实践动手能力和技能。计算机硬件类课程的实践教学目标是从硬件底层的电路设计到硬件技术的高级应用嵌入式系统的开发，这些都离不开相关硬件实践技术的掌握。因此，需要分析计算机硬件类各门课程的特点，并调研目前相关课程所涉及的前沿应用技术，如一线企业应用到生产方面的关键技术，以此为结合点，确定计算机硬件类每门课程的实践教学目标。例如，数字逻辑课程的实践教学目标应该是在掌握各种类型电路设计原理的基础上，学生能设计出各种实际应用的逻辑电路图；计算机组成原理课程的实践教学目标应该是在理解计算机各部件原理的基础上，学生能自主设计出简单的计算机模型机；单片机课程的实践教学目标应该是学生在掌握某类单片机开发板的基础上，能针对某方面应用开发出具有一定功能的软硬件模块；嵌入式课程的实践教学目标应该是学生能开发出某方面应用的完整嵌入式系统。

2）增加计算机硬件类课程实践课时的比例。

以提高实践动手能力为目标来培养应用型人才，就必须改革陈旧的课时比例。对于计算机硬件类的课程应该根据计算机硬件类各课程的不同特点，作出不同的修改和调整。例如，数字逻辑和计算机组成原理这种理论性较强的课程，其理论课和实验课的比例可以不变，但除了基本的实验课时之外，还应该设置一定的课程设计课时和课外实践课时，以此增加实践课时比例；单片机和嵌入式系统这种实践性较强的课程，其理论课程和实践课程的比例应该调整为1:1或1:2。

3）确定合适的实验项目。

在设置实验项目时，要针对实践应用需求来设置，从简单到复杂，从验证型到设计型再到综合型，对所有的实验项目要进行分类设置。改变以往大部分实验以验证型为主的现象，增加设计型实验和综合型实验的比重，验证型实验应该只占20%的比重，而设计型和综合型实验的比重要增加到80%，以此提高学生的实验自主性和设计创新能力。

4）改革实验方式。

在计算机硬件相关课程的实验中，把传统使用实验箱的实验方式改为实验箱、虚拟实验平台和实验开发板相结合的多种实验方式。根据课程不同、实验项目和内容的不同，确定不同的实验方式，多种实验方式的结合，有利于提高学生的实验兴趣和调动学生的实验积极性。例如，数字逻辑中的验证型实验可以用古老的实验箱完成，让学生观察不同的输入得到不同的实验输出，通过灯泡的亮灭真实感受实验结果；数字逻辑中的设计型和综合型实验就可以让学生在虚拟实验平台上完成设计的过程，这样学生可以专注于实验设计的本身。

5）设置案例式课程设计。

认真分析计算机硬件相关课程的特性，对有应用设计需求的课程开设课程设计。在课程设计的选题中，需要结合技术发展热点和应用前景，选择典型的真实案例作为课程设计的项目，提高学生独立设计和开发硬件的能力。例如，数字逻辑和计算机组成原理课程在需要开设课程设计时，教师可以给出设计的项目，让学生利用虚拟实验平台完成设计，而设计项目的选择则以实际应用为前景。数字逻辑课程的课程设计题目可以拟定一些生活中的实例，如数字式温度计、电子钟、报警器、抢答器的设计等，并鼓励学生通过查阅资料自主完成。

6）开展创新型实践项目。

由于课时总是有限的，因此需要利用学生的课外时间，开展课外创新型实践项目。在正常课时之外，可以开放一些硬件相关的实验室或者建立独立的硬件创新开放实验室，给学生提供学习资源和实验平台，并且教师给予一定的辅导和高于正常课时的实验项目，主要依靠学生自主的学习和实验完成。同时，鼓励学生利用开发的项目参加相关的学科竞赛，加快学生项目设计和产品成果转化的进度，以此提高学生的应用能力。

7）积极发展校外实训基地。

校企合作是应用型地方本科院校提高学生应用能力水平的一个重要途径。与企业合作，让高校培养的人才走出校门就能上岗工作，与社会需求相适应。针对计算机硬件相关课程，寻找相关企业，了解其所开发的项目资源，让学生在毕业前期进入企业进行实习，可以提高学生的社会融入能力。

8）改革考核体系，加大实践教学考核力度。

作为一个完整的实践教学体系改革，其实践考核的改革是不可或缺的。传统的实践教学考核是并入课程考核之内的，以理论考核为重，实践考核不计或只占非常小的比重。实践考核因为不被重视，而导致实践教学也不被重视，实践能力的培养也无法正确地衡量，因此，必须加大实践考核力度，制定相对完善的实践考核方案，以学生的实践动手能力为主要考核目标，以学生的实践作品为考核内容，完善计算机硬件课程实践教学考核方案。

4 实践教学体系改革需解决的关键问题

“双一流”建设中，应用型地方本科院校计算机硬件类课程实践教学体系改革需要解决以下两个方面的关键问题。

1）课内实验项目、课程设计项目和课外实践项目的设置。

在“双一流”建设中，应用型地方本科院校计算机硬件类课程实践教学体系应把实践项目分为3个层次，从基础实验项目到课程设计再到课外实践，这3个层次构成了完整的实践项目体系。这3个层次的项目要从简单的单元实验，到设计型的专项实践项目，再到综合型的复杂实践项目，考虑到学生学习是一个循序渐进地规律，需依次增进难度和复杂度。因此，如何根据实际应用需求，并结合当下相关硬件技术，设置出符合学生理论知识、技术应用能力、设计开发能力及应用创新能力培养的各类实践项目，是实践教学体系改革中需要解决的关系。

2）实验箱、Multisim仿真软件和自主研发虚拟实验系统的整合应用。

实验箱是计算机硬件类课程最古老的实验方式。Multisim仿真软件是目前业界流行的电路设计虚拟仿真软件，Multisim是美国国家仪器有限公司（National Instrument ）推出的以windows为基础的目前业界最流行的电路设计仿真软件之一。Multisim功能较为强大，但并不能完全适合实践教学的需求。因此，根据实践教学项目的需求，结合理论知识的讲解，笔者自主设计和研发了数字逻辑和计算机组成原理这两门课程的虚拟实验平台，并且将计算机组成原理虚拟实验平台做成了开源的网站，可供学生自主下载使用。这3种不同的实验方式有着各自的优缺点，实验箱比较简单直观，但实验受时间和空间的限制，也会因为实验箱本身的原因影响实验结果，因此只适合于简单验证型实验项目的使用。Multisim是专门针对于底层电路设计的仿真实验软件，其提供了较为丰富的虚拟组件，也适合于电子设计方面设计型和综合型较强的实践项目。自主研发的虚拟实验平台以书本为基础，又高于理论知识，是为某门课程特制的虚拟实验平台，实验组件是专门设置开发的，适合于设计型和综合型较强的实践项目。在计算机硬件类课程实践教学体系改革中，要根据课程设置的各类实践项目的不同，选择不同的实验方式。