新工科背景下关于硬件电路课程的实践教学研究

隋欣

【摘要】    硬件电路课程体系是计算机科学与技术专业学生的专业必修课。在新工科背景下，硬件电路课程体系的教学面临着前所未有的挑战。本文以硬件电路课程体系中的硬件电路设计课程为例，阐述了在新工科背景下，硬件课程的教育教学方法可以有那些改进。并以课程中的交通灯电路设计为例，率先在课堂上进行了教学改革的尝试，使得学生对课堂的参与度大大提高，增强了动手能力及逻辑思维能力，提高了课堂的满意度。

【关键词】   硬件电路    教学改革    数字逻辑    新工科

引言：

随着计算机技术以及信息技术的飞速发展，计算机科学与技术专业迅速成为我国几大炙手可热的热门专业之一。因此，由此而引发的计算机专业的在校生人数也在逐年上升。然而，随着投入到计算机行业的人才越来越多，各行各业对计算机人才的要求也在逐年升高。自2017年始，我国各大高校掀起了一场新工科运动的浪潮。在新工科运动的背景下，社会以及高校对学生的要求发生了很大程度上的转变。如今，在实际生产和生活中，人们不仅要求计算机类人才具有扎心的理论基础知识，同时，还要求大学生具有熟练的实际上手操作能力以及针对软硬件的编程和调试能力。基于以上变化，教师的教学能力和学生的学习能力也将面临新的变化，因此，教学改革被提上议程。

本次课题以计算机硬件课程的教学为例，进行了新的教学模式的探索，在日常课堂教学中，加大并且深入了实践课程的研究力度，达到实践与理论相结合的目的，从而提高学生的计算机硬件知识水平。

一、硬件电路课程现状

计算机硬件课程设计，是计算机科学与技术专业的一门专业必修课，也是一门培养学生硬件思维和数字逻辑能力的重要课程。本门课程作为专业必修课，其前修课程有《计算机电路基础》、《计算机组成原理》、《微型机接口技术》等，而这几门课程都或多或少地存在着重理论轻实践的基本问题，这就导致了学生的硬件基础相对薄弱，同时对硬件课程的课程兴趣度和重视度都不够。因此，笔者将在计算机硬件电路教学中遇到的问题归纳为以下几大类：

1.1重理论轻实践

传统的计算机硬件课程的教学多是以理论教学为主，重点强调知识点的理解和把握，传统的教学方式也多是以教师在教室中讲授为主。整体课程的设置相对枯燥，教学方法也是一成不變，少有创新。同时，几门课程的衔接出现重复知识点重复讲解的问题，在二进制、组合逻辑等知识领域，每门课程大纲都有所涉及，令学生在重复的学习中失去新鲜感，从而对硬件课程产生相应的抵触感，学习积极性不高。

1.2理论与实践不匹配

很多硬件课程在教学大纲设计之初没有考虑到实践课程的衔接，因此，实践课程多是后期根据需求加入到课程体系中来的。这就导致理论课程侧重于传统的基础知识领域，而实践课程又往往和最新的实践项目相结合，导致了理论课程和实践课程的不对称和不对等。学生在上实践课程时有少许迷茫情绪。

1.3实验设备陈旧

目前实验室中的实践设备，多是以传统的数字电路实验箱、嵌入式开发板等为主，这些实验设备配备的实验项目和内容一成不变，与理论课中的基础知识一脉相承，都是侧重于基础，而忽视技术的更新换代，因此，偶有实验项目与新进技术脱节等问题存在。

基于对以上几点现状的思考和分析，结合新工科背景下行业对计算机人才的提出的更多的需求和更高的要求，本课题组对现有硬件课程设计课程进行了教学改革，弥补了教学中存在的问题与出现的短板，以期培养学生应对新的社会需求、胜任新的技术岗位、解决新的技术难题的综合能力。

二、硬件电路课程教学改革方法

针对上存在的问题，本课题组从计算机科学与技术专业的硬件课程设计这一门课程入手，对教学大纲、课程体系以及知识点进行了统一的整理归纳，理清各个知识点之间的内在衔接关系，重新梳理教学大纲，改变以往的以理论授课为主，学生被动接受的教学方式，重新找到一种以学生为主体的提高主观能动性的课堂形式。

课题组首先对传统的人才培养方案进行了研讨，计算机科学与技术专业的人才培养方案，普遍分为公共课、专业基础课、专业课、实践教学课几个大的板块。为了让学生能够更好地掌握计算机硬件电路知识，课题组在专业基础课和专业课程中，注重前后课程的衔接，按照人才培养方案的要求，以我院计算机电路基础、计算机组成原理、微型机接口技术及硬件课程设计等偏硬件课程群为研究对象，相应地调整了计算机硬件课程的教学大纲，在大纲中，着重调整了实践课程的比例，重新设计了实践课程的内容，通过理论到实践的转换，来锻炼学生的动脑思维能力。通过让学生尝试着自行动手设计电路等方式来提高学生的课堂积极性，提高学生的课堂动手能力，提高学生的课堂参与感。

三、硬件课程设计的教学实践

在硬件电路的教学中，时常会遇到学生的理论知识已经具备一定的基础，但是轮到实际操作时，却不知该从何处下手的困境。因此，为了减少学生在实践环节中感觉与理论脱节的迷茫感，课题组从生活中的实际案例出发，尽量寻找学生日常会经常接触到的并且相对比较熟悉的情景，从情境中提取相应的数字逻辑或硬件电路等，作为本课程的教学实践环节，来帮助学生将理论和实际联系起来。

本课程以交通灯电路的设计为例，首先明确想要完成本电路需要的数字逻辑电路的知识点，并将知识点进行整合，在实践课程开始前，将理论知识点通过授课的方式让学生做到心中有数，具体内容见表1。

由表1可见，知识点1、2和4的内容属于基础知识范畴，可以将此部分理论知识于计算机电路基础课程中进行讲授，在计算机电路基础课程的基础上，完成本课程的实验设计，可以使课程首尾衔接更加连贯，解决了学生认为学习知识有断层感，前后知识无法熟练运用的困境。技能点3和5属于实践课程部分，对于同学来说相对陌生，可以在本课程的前几个课时中向同学进行讲授，并在实验室中由同学亲身实践使用，熟练使用度，并将所学技能运用到本次设计中。

3.1 实践工具介绍

本课程使用Multisim仿真软件来进行硬件电路的设计。Multisim广泛适用于板级的模拟电路板和数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入两种输入方式，具有丰富的仿真分析能力。同学们可以利用Multisim仿真软件交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。由于Multisim仿真软件可以用于模拟电路和数字电路两种电路的开发和设计工作，因此，该软件可以普遍适用于硬件类相关课程的实践教学，包括但不限于计算机电路基础、计算机组成原理、微型机接口技术等。

3.2 实践教学实施

本课题组以2018级计算机科学与技术专业的学生为研究对象，授课班级人数为每班60人左右。因此，将学生进行分组，每两人为一组，由学生自行组队。在课前，老师会将实验内容以及所用要用到的知识点以课堂讲授的方式进行讲解，并在前序课程中让学生熟悉Multisim仿真软件的使用方法，做到熟练运用。

课程开始时，会由教师将案例引入，并简单启发案例的分析方法及分析过程。引入工作结束后，由学生进行课堂讨论，讨论内容即为电路的具体设计方法，包括但不限于电路中使用到的数字逻辑、如何控制時长的选择、如何完成电路的定时功能等。

在讨论环节中，如果学生遇到困难或有问题解决不了，教师会及时提供给予帮助。第三阶段，由小组内部自行运用Multisim仿真软件绘制电路图，在电路图的绘制过程中，通过一边设计一边运行调试的方式，来检查电路是否能够达到预期效果，判断设计电路的正确与否。最后，在实验指导教师的指导下，按照预先给出的实验指导书的要求，完成实验报告，对实践环节进行总结和分析，达到巩固理论知识并结合实际的目的。

四、结束语

新工科教育背景下，计算机硬件课程的教学枯燥繁琐等问题尤为突出。在对硬件课程教学进行了调研和探讨之后，课题组选择了硬件课程设计这门课程进行教学改革，突出了实践环节在教学中的作用。培养学生的硬件思维，提高学生的动手能力，是的理论与实践相结合，提高学生学习硬件课程的积极性，是本次教学改革的终极目的。本论文以硬件电路设计课程中的交通灯电路设计为例，借助Multisim仿真软件的应用，在教学中引入现实生活中随处可见的例子，通过仿真来模拟实际生活中的情况，锻炼了学生的实际分析能力，提高了学生的课堂参与度，激发了学生的科研兴趣，取得了较好的成绩。

参  考  文  献

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