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探索計算機硬件類課程實踐教學(xué)改革論文
我校的計算機硬件類課程包括“計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)”、“微機原理與接口技術(shù)”和“單片機/嵌入式系統(tǒng)設(shè)計”等，它是計算機基礎(chǔ)教育的核心課程，更是自動化、仿真等以電為主專業(yè)的重要必修基礎(chǔ)課。近年來，我們結(jié)合本校的人才培養(yǎng)實踐和國家級精品課程“計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)”建設(shè)，對計算機硬件類課程實踐環(huán)節(jié)教學(xué)進行改革，將實踐教學(xué)作為課程的重要內(nèi)容和理論教學(xué)的延伸，建立與課程體系和課程內(nèi)容改革相配套的創(chuàng)新型實踐教學(xué)體系，并在此基礎(chǔ)上，進一步探索實驗室建設(shè)和改革。
1.實踐教學(xué)體系改革
我校是國內(nèi)最早按課內(nèi)實驗、課內(nèi)課程設(shè)計和課外電子設(shè)計實踐相結(jié)合建立計算機硬件實踐教學(xué)體系的高校之一。但隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和新時期人才培養(yǎng)目標的變化，對計算機硬件類課程的理論和實踐教學(xué)都提出了新的要求。為此，我們結(jié)合本校人才培養(yǎng)實踐，對原有計算機硬件實踐教學(xué)體系和實驗內(nèi)容進行不斷的完善和改革，以適應(yīng)新時期創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要。
1) 優(yōu)化實驗內(nèi)容
一方面，針對課內(nèi)實驗學(xué)時相對較少的現(xiàn)實，將課內(nèi)實驗分為功能認知性和自主設(shè)計性兩類實驗。自主設(shè)計性實驗主要安排在課內(nèi)時間完成，對功能認知性實驗，則在課堂上討論，鼓勵學(xué)生課外完成，以緩解實驗多和課時少的矛盾。另一方面，加強微機接口技術(shù)與各種執(zhí)行機構(gòu)和傳感器的聯(lián)系，改革和完善硬件實驗內(nèi)容，使之緊貼課程內(nèi)容建設(shè)，具有自動化、仿真等專業(yè)應(yīng)用背景。
2) 分層次和有區(qū)別開展實踐教學(xué)
我校計算機硬件類課程授課對象多，不同專業(yè)對象培養(yǎng)目標和教學(xué)要求均有所區(qū)別。為了適應(yīng)不同對象教學(xué)需求，我們結(jié)合學(xué)校人才培養(yǎng)計劃，將教學(xué)對象分為電為主理工科、非電為主理工科和學(xué)歷合訓(xùn)三類，在此基礎(chǔ)上建立分層次實踐教學(xué)體系。我們根據(jù)不同對象和專業(yè)特點，實現(xiàn)分層次和有區(qū)別地開展實踐教學(xué)。
( 1) 對非電為主理工科類和學(xué)歷合訓(xùn)類專業(yè)，教學(xué)內(nèi)容主要包括課內(nèi)自主設(shè)計性實驗和微機接口與應(yīng)用綜合設(shè)計。課內(nèi)實驗、課內(nèi)課程設(shè)計或課外電子設(shè)計實踐均以C 語言編程實現(xiàn)，不講授匯編語言程序設(shè)計，以滿足課時大幅減少的需求。
( 2) 對以電為主的理工科類專業(yè)，則在完成課內(nèi)自主設(shè)計性實驗和微機接口與應(yīng)用綜合設(shè)計的基礎(chǔ)上，增設(shè)一門“單片機/嵌入式系統(tǒng)設(shè)計”課程，以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用單片機/嵌入式系統(tǒng)等主流微機技術(shù)解決武器裝備信息化和自動化領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力。對課內(nèi)實驗要求以匯編語言編程，但對課內(nèi)課程設(shè)計和課外電子設(shè)計實踐則強調(diào)以匯編和C 語言混合編程，體現(xiàn)實際工程開發(fā)的特點。
( 3) 對課內(nèi)自主設(shè)計性實驗和微機接口與應(yīng)用綜合設(shè)計，不同層次教學(xué)對象的實驗內(nèi)容和要求均有所不同。
3) 完善開放性實驗環(huán)境
開放型選題實驗是發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，拓展課程基本實驗與課程設(shè)計，有效利用專業(yè)應(yīng)用背景進行研究型學(xué)習(xí)的重要實踐環(huán)節(jié)我院建立了以機器人和典型武器裝備等為控制對象的創(chuàng)新實踐教學(xué)基地，支撐學(xué)生進行課外科技活動，如大學(xué)生創(chuàng)新基金項目和各級各類電子設(shè)計競賽活動等。形成一個具有自動化和仿真專業(yè)特色的，能滿足課內(nèi)實驗、課程設(shè)計與課外創(chuàng)新實踐需要的計算機硬件技術(shù)綜合實踐教學(xué)體系。
4) 完善實踐教材
我們特別注重實踐教材的建設(shè)，先后編著出版了一系列在國內(nèi)同領(lǐng)域有重大影響、體現(xiàn)素質(zhì)教育創(chuàng)新教育思想的實踐教材，如《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)實驗教程》、《微型計算機原理與接口技術(shù)實驗指導(dǎo)》和《微機原理與接口技術(shù)經(jīng)典實驗案例集》。
2.實踐教學(xué)實施方法改革
1) 科學(xué)設(shè)計實驗內(nèi)容、創(chuàng)新實驗?zāi)Ｊ酵ㄟ^科學(xué)設(shè)計實驗內(nèi)容和合理安排實驗，形成由淺入深、由簡單到復(fù)雜、由被動模仿到主動設(shè)計的實踐模式。
我們從內(nèi)容上將實驗分為基本型、綜合型和探究型三類，課內(nèi)實驗主要從基本型和綜合型實驗項目中選題，課程設(shè)計則主要從綜合型和探究型實驗項目中選題。
從實施安排上，我們遵循從簡單到復(fù)雜的原則，順序漸進。對原理性和單個可編程接口芯片等基本實驗，可通過對理論和實驗教材給出的案例模仿完成，并保存實驗結(jié)果; 對多芯片綜合實驗和基于控制對象的應(yīng)用型實驗，可將實驗分解成多個基于單個接口芯片實現(xiàn)的部分，并安排在前面實驗中實現(xiàn)，而后在已做實驗的基礎(chǔ)上層層組合來完成復(fù)雜功能。
2) 適當(dāng)采用合作實驗教學(xué)模式
實踐表明，對一些實際動手能力較差的學(xué)生，學(xué)生間交流可以增加他們的自信，所以在課內(nèi)實踐教學(xué)中，將能力強的與相對較差的學(xué)生分為一組，利用學(xué)生間的相互交流和幫助，實現(xiàn)以好帶差的合作模式。這種模式強調(diào)學(xué)生間的互助，而非代替他人完成，最終實驗仍需一人一組驗收完成。
另一方面，能力強的學(xué)生往往有各自的特長，在課外電子設(shè)計實踐/競賽中，將具有不同能力優(yōu)勢的學(xué)生分為一組合作攻關(guān)( 如硬件設(shè)計能力強的與軟件編程能力強的分為一組) ，可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補。
3) 堅持教授和主講教師參與指導(dǎo)實驗
這樣做的好處是，任課教師的親歷能較快、較好且較真實地發(fā)現(xiàn)、反饋教學(xué)中存在的問題，以便及時地微調(diào)教學(xué)進度和內(nèi)容安排。教授參與指導(dǎo)使教學(xué)實施更有的放矢，也有利于在教學(xué)實踐中不斷改革和完善實驗內(nèi)容。
4) 改革考核驗收方法
我們將實踐環(huán)節(jié)與課程考核統(tǒng)籌考慮、一體化設(shè)計。具體做法是，實驗根據(jù)任務(wù)要求驗收，但不直接評價給分，而是將實驗/課程設(shè)計內(nèi)容納入課程考核試卷: 從已做實驗中選取一個綜合性較強、但難度適中的實驗項目作為考試題—實驗重做題，并給出硬件、軟件均有錯誤的實驗答案，要求學(xué)生從中查找并糾正錯誤。
3.實驗室建設(shè)改革的探索
1) 不斷提升硬件實驗平臺
在實驗平臺建設(shè)上，我們以改革需求牽引，改革方案驅(qū)動，堅持教授策劃，主講教師參與，采用自制和采購相結(jié)合的模式不斷提升實驗平臺。我們自研了第一代PC 機硬件實驗平臺; 以自研定制方式，與專業(yè)廠家合作研制了第二代PC 機硬件實驗平臺、單片機控制實驗平臺; 此后根據(jù)深化教學(xué)改革的需求，進一步自研定制了第三代硬件實驗平臺。第三代平臺融合當(dāng)前主流微機開發(fā)技術(shù)，支持基于PC 開發(fā)平臺，也可支持基于單片機/嵌入式開發(fā)平臺開展實踐教學(xué)，同時與各種傳感器和執(zhí)行機構(gòu)緊密聯(lián)系。既可滿足計算機硬件類和控制類課程實踐教學(xué)的需求，又能支持學(xué)生進行研究性和探索性學(xué)習(xí)。
2) 將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源
結(jié)合我校在機器人領(lǐng)域和武器裝備研究領(lǐng)域取得的科研成果，我們構(gòu)建了以機器人和典型武器裝備為控制對象，具有自動化及仿真專業(yè)應(yīng)用背景的創(chuàng)新實踐教學(xué)基地。支撐學(xué)生參加以機器人為背景的各類學(xué)科競賽，從而取得了包括CCTV 機器人大賽亞軍等一系列佳績。
3) 創(chuàng)新實驗教學(xué)管理模式
結(jié)合“計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)”國家精品課程建設(shè)，進一步完善計算機硬件虛擬實驗，我們開發(fā)與實踐教學(xué)改革思路相適應(yīng)的實驗室管理系統(tǒng)。實行了“虛擬實驗準備、網(wǎng)上實驗預(yù)約、現(xiàn)場實際動手、設(shè)備自動管理、過程自動監(jiān)控”的運行管理模式。實現(xiàn)實驗室在時間上、空間上和實驗項目上全面開放。
4.結(jié)語
我們在實踐教學(xué)改革中有如下進一步思考。
( 1) 針對自動化、仿真等非計算機專業(yè)應(yīng)用計算機技術(shù)的特點，進一步加強與控制系列相關(guān)課程，如“自動控制原理”、“計算機控制技術(shù)”和“控制器件”等課程的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，構(gòu)建控制系列和計算機硬件系列相融合的硬件實踐體系。基本設(shè)想是:結(jié)合計算機接口技術(shù)設(shè)計控制器件實驗，在“控制器件”實驗中保留一些基本原理實驗( 也可歸入微機接口基本實驗) ，而將控制器件的綜合應(yīng)用結(jié)合計算機測控系統(tǒng)設(shè)計歸入“微機接口與應(yīng)用綜合設(shè)計”課程完成。
在基于典型控制對象的綜合實踐教學(xué)平臺上，應(yīng)用單片機/嵌入式技術(shù)、自動控制技術(shù)和計算機控制技術(shù)，實現(xiàn)基于典型控制對象的自動控制系統(tǒng)，使“單片機/嵌入式系統(tǒng)設(shè)計”與“自動化系統(tǒng)綜合設(shè)計”相融合。
上述設(shè)想實現(xiàn)，將有利于在控制系列課程和硬件系列課程教學(xué)時數(shù)普遍減少的今天，大幅提高實踐教學(xué)的時效比。
2) 結(jié)合我校頂尖人才培養(yǎng)計劃，如“錢學(xué)森班”培養(yǎng)計劃，進一步實現(xiàn)理論教學(xué)與實踐教學(xué)的融合。在條件允許的情況下，實現(xiàn)小班教學(xué)，將理論教學(xué)搬到實驗室，把實驗內(nèi)容作為研討案例，使教學(xué)更形象生動，從提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和實際動手能力。
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