计算机硬件课程实验教学研究

杨鑫

摘要：计算机科学与技术是當今发展最迅速的学科之一，同时计算机科学与技术专业也是我国工科教育中在校生最多的专业。“计算机组成原理”等计算机硬件类课程是计算机专业的重要核心课程，也是计算机系统知识体系的重要组成部分，更是直接培养计算机硬件专业人才的重要途径。本文对计算机硬件课程实验教学进行分析，以供参考。

关键词：计算机;硬件课程;实验教学

引言

实验课程不仅是理论课程的延续，也是其内容的补充和提升。如果因为学生理论课程学习不够深入而淡化实验课程，实验课程内容简单而无趣，则学生更不会主动学习该课程。如果学生理论课程学习较好，而实验课程不够丰富或过于枯燥，则可能会对理论课的学习起负面影响。反之，如果能合理布置实验课程，则能使实验课程与理论课程相互促进，使学生因兴趣而主动学习，使理论与实践共同提高。本文主要从课前操作、思政案例引入、实验指导过程及课程制度激励等方面进行分析，通过对实验课的精心设计与布置，能很好地提高学生学习计算机硬件课程的兴趣，使学生积极主动地投入计算机硬件相关方向的学习与研发当中来。

1目前现状

1.1理论讲解与实际操作联系不紧密

当前的科技制作教学以理论概念和知识点的讲解为首要任务。课堂授课过程中教师首先讲解各实践电路的知识点，并以教师讲授为主，学生训练为辅，学生的课堂学习主动性和参与度不高。其次，教师在授课过程中往往忽视了对于课本知识点与实际电路之间联系的引导和启发，而以正确操作步骤的讲解为主要出发点。课程实践通常是在理论课程学习之后，先理论后实践的教学模式造成了学生在知识理解与动手实践之间的间隔，实践时理论知识记忆模糊，这使得学生学习兴趣不高，学习效果不佳。

1.2考核方式单一

由于选题一致，实现方案一致，对学生科技作品的考核方式以教师的主观评价为主。这种考核方式偏重于结果，忽视了对于学生从问题分析、方案设计、元器件选择、逻辑设计、软件设计、测试系统设计、软硬件联合调试、文档编写等，全流程工程实践能力的引导、培养和考核，以及学生终身学习、团队协作能力的培养。

2基于双路互引的教学方法与手段

2.1提问引导

首先以原有的指令知识为基础，提出“MIPS指令如何在CPU上执行/CPU如何实现MIPS指令”引导学生思考如何将指令和硬件联系起来。从专业知识产生的问题启发并培养学生形成科学精神和敢于探究的品德。然后，以“数据通路有哪几类主要部件，这些部件如何构成数据通路”的问题，启发并培养学生开拓创新的职业素养和专业专注的工程师品格。最后，通过思考“我国芯片行业有哪些短板”的问题来激励学生努力学习高精尖的知识，争取自主研发掌握最新技术，为国家的硬件事业而奋斗的民族自豪感和爱国情怀。

2.2技术剖析

首先，通过剖析“CPU的设计与计算机性能的关系”一层一层地说明CPU的设计与实现决定了CPI和时钟周期，从而直接影响计算机的性能，从技术分析的角度培养学生不怕困难和思辨的逻辑思维。其次，通过剖析CPU芯片制造工艺的技术节点标准，来解释每一代芯片之间的“代差”，使学生明白纳米工艺对于面积来说是指两代芯片之间算力翻倍的关系，从而启迪学生形成去除表象的思辨逻辑，引导其形成去伪存真的科学素养。

3计算机硬件课程实验教学

3.1思政教学效果

CPU数据通路概述是计算机硬件基础课程中的一个重要的知识模块，可以将其作为思政元素融入专业知识的一个教学案例。本案例从MIPS指令开始引入，过渡到数据通路的设计，最后介绍CPU的制造与工艺，并讨论中国芯片的发展现状，引入华为芯片事件，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。整个课堂内容组织逻辑清晰，以芯片的设计制造和工艺为主线，课堂讲授和视频教学相结合，融入了许多思政要素，例如精益求精的工匠精神、技术兴国的爱国情怀等。从总体上来说，该思政案例教学效果良好，学生学习氛围浓烈。

3.2多渠道、系统性地强化实践教学体系

工程教育认证尤其注重大学生工程实践能力和创新创业能力的培养。针对计算机硬件课程实践教学，在硬件课程教学过程中进一步建立多渠道、系统性的实践教学体系，为学生创造更完备的专业实践平台和更充分的专业实践机会：（1）建立专业课程与学科竞赛的学赛融合机制，鼓励学生积极参与各类学科竞赛，在专业教师认可的前提下，支持学生在课程设计教学周以相关学科竞赛项目替代专业课程设计题目，支持专业课教师指导学生积极参与相关学科竞赛，并将竞赛题目进一步延伸拓展为课程设计题目及毕业设计题目等，既为参与学科竞赛的学生提供更充足的竞赛准备时间，又为理论教学提供了更丰富的实践训练机会。（2）探索开放实验室及口袋实验室实践教学模式。传统的硬件课程专业实验室多采用实验箱作为学生实验实践平台，但实验箱不仅成本高，而且不便于携带和借出。为此，硬件专业课实验平台选用一定量的开发板替代实验箱，既满足专业课程的实践教学要求，也可以随时随地地将开发板出借给学生进行硬件实践训练，以支持学生积极参与各类学科竞赛，更好地完成硬件类毕业设计。（3）探索面向本科专业教学的校企联合实验室实践教学模式。目前与10余家中小企业合作建立了“长安大学信息工程学院智慧物联”联合实验室。由企业提出一些需要解决的小微技术问题，并以奖学金的形式支持联合实验室开展相关技术创新和课题研究，联合实验室指派专业课教师组织和指导有兴趣的学生在课余开展课题研究，让学生充分体验专业知识如何用于解决工程实践问题，让专业知识学以致用。

3.3课程制度与激励

各专业理论课程和实验课程最大的问题就是课程知识点不能协调统一，学生学习到的是孤立的课程知识，不能很好地明白这些课程之间到底有什么联系，不能立即从事相关的项目设计与开发，从而可能会认为学习这些课程枯燥而无用。所以，应由学院统一组织，各专业内课程之间的教学内容和实验内容形成统一规划，使各课程教学内容相互衔接而有序，有利于学生的学习和设计。为了提高学生对专业前沿和背景知识的了解，为了提高学生的项目设计能力，甚至可以统一规划各理论课程和实验课程的思政元素内容和插入方式等。设置激励制度，鼓励学生实验操作和参与学科竞赛等的积极性。为鼓励学生更积极地做好实验，可设置一些奖惩措施，如每次实验课第一组完成实验的可给予平时成绩加分等。通过开放实验室、DIY实验室等提高学生的动手能力和设计能力，进而提高学生参与各种大赛的积极性。可设置奖励措施，对参加全国性学科竞赛的学生和指导教师根据成绩分别给予形式不同的奖励。

结束语

通过计算机硬件基础课程CPU数据通路概述的课堂实例，提出一种专业知识点与思政元素互相引导的双路互引教学方法与观点，其优势在于使专业知识与思政元素结合得更加协调并互相交融，这种思路的意义在于，对思政元素的隐式融入专业知识进行了有益的尝试。在未来，我们还要将本文的思想与方法运用到大数据专业的其他课程，以期能产生更多更好的课堂思政教学方法。

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