基于嵌入式技術的計算機接口實驗課教學改革

劉書勇　武俊鵬　張國印

文章編號：1672-5913(2009)08-0093-03

摘要：本文通過分析傳統計算機接口實驗教學存在的不足，對基于嵌入式技術改革實驗內容、實驗內容系統化、先進的教學方法和教學手段進行了研究，提出了基于嵌入式技術的計算機接口實驗教學改革方案。實踐證明，新的實驗內容加深了學生對計算機底層軟硬件的系統化理解，新的教學方法和教學手段提高了學生學習的積極性，有利于培養學生較高的綜合素質。

關鍵詞：計算機接口實驗；嵌入式技術；教學改革；教學內容；教學方法

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

實驗教學是大學教育中一個重要的環節，它在提高學生的求知能力、團隊協作能力、實踐能力、創新精神，加強綜合能力培養方面具有突出的作用，它正逐步成為一些理工科教學的核心環節。由于實驗技術的落后和教學方法跟不上技術發展的步伐，很多傳統的實驗已不能適應新時代社會對人才培養的要求，其特點有：教學內容陳舊，教學方法死板，缺乏培養綜合素質的教學理念等。這種實驗體系很難使學生真正理解實驗所涉及知識和技術的內涵，更不能跟上新技術發展的步伐。嵌入式系統是當今發展比較迅猛的新技術之一，嵌入式系統的開發環境使學生能夠比較直觀全面地接觸計算機系統的核心：微處理器、操作系統、接口驅動、以及應用開發，能夠加深學生對大學階段所學到的基礎理論知識的理解，并有助于形成計算機科學知識體系。

1傳統計算機接口實驗內容和教學方法的不足

傳統的計算機接口實驗大部分是基于8086系列微處理器為背景實現的。實驗內容基本上是對芯片單獨編程進行功能驗證，如三態緩沖器、鎖存器、存儲器芯片、8259、ADC、DAC、8255、8253、鍵盤和七段顯示器、8279、數字頻率計、數字波形發生器、單片機應用小系統等，或者是上述幾種芯片的組合應用。上述實驗內容不僅難以形成系統化的計算機接口實驗效果，更是和計算機技術發展嚴重脫節，對學生后續的工作和研究作用甚微。基于上述實驗內容很難設計出復雜大型的設計性或綜合性實驗，而驗證性實驗對于學生的能力培養效果很差，很難綜合應用操作系統和接口驅動程序等系統級軟件，導致計算機軟件和硬件脫節，不利于對計算機形成深入系統的理解和掌握。

傳統的教學方法過于單一，實驗教學過程中，不管學生采用什么方法，做出了正確的實驗結果就可以過關，實驗過程中很少考慮對學生創新精神、新技術的實踐能力、團隊協作能力、語言表達能力等方面培養的考慮，因而不符合現代化建設對具備較高綜合素質人才的要求。

2嵌入式技術作為實現計算機接口實驗的載體

嵌入式系統是當今發展迅猛的技術之一，現今生活中所使用的電子設備大部分都屬于嵌入式設備，如移動通信設備、數字家電、PDA、現代化的武器裝備等，由于嵌入式系統與傳統計算機系統設計方法差異很大，導致國內外嵌入式系統開發人才緊缺。嵌入式系統是專用的計算機系統，其系統軟件和外圍硬件都需要針對具體需求量體定做，因此要求開發人員熟悉系統底層的軟硬件系統和基于底層的應用系統開發。

基于以上分析，選擇基于嵌入式系統來實現計算機接口實驗的改革。首先，嵌入式系統屬于計算機系統重要的發展方向之一，其接口特性和傳統計算機接口特性一致，另外學生可以學習和掌握實用的計算機技術，跟上計算機技術發展的潮流，所以能夠激發學生的求知欲和強烈的學習興趣。其次，通過對基于嵌入式系統的實驗設計和實現，可以促使學生了解計算機底層的系統軟硬件知識，不僅能理解和掌握計算機接口的知識，還可以促進學生形成完整的計算機軟硬件知識結構，這是傳統基于8086實驗環境所無法實現的。

3基于嵌入式系統的系統化的實驗內容

基于實驗室課程改革的指導思想，經過對眾多實驗平臺的對比分析，實驗室在2005年選擇了博創公司的ARM3000作為計算機接口實驗開發平臺，采用ADS1.2作為開發軟件，操作系統根據實驗內容分別選擇uC/OSII和uCLinux。

在第一輪實驗實踐的過程中，基本上采用博創公司提供的實驗內容進行實驗，共32學時，8個必做實驗，4個選做實驗。經過一輪的實踐，發現教學效果并不理想，主要存在以下問題：

(1) 學生普遍缺乏嵌入式系統設計所必需的理論基礎。由于學校開設的理論課程還基于傳統的計算機原理教學內容，例如計算機接口還是基于8086來講，缺乏嵌入式系統理論和基礎。

(2) 學生層次不一，指定的實驗內容要求過于單一，有大部分學生不能按時完成。

(3) 部分學生相互復制源代碼，使實驗失去了真正的意義。

基于這些問題，在第二輪教學實踐過程中，實驗室對實驗內容進行了相應的改進：

(1) 首先用8個學時對學生進行了嵌入式系統理論的介紹，主要分為兩部分，一是嵌入式系統硬件體系結構，二是嵌入式系統軟件體系結構和應用系統設計方法。這8個學時是對嵌入式系統理論體系的濃縮，對學生學習新知識起引導作用。在實驗初期，由于學生缺乏嵌入式系統的實際設計經驗，在每次實驗課之前，每一名學生都會得到一個基礎的原代碼，基于此提出此次實驗的實驗任務，而且實驗教師指出此次實驗的要點，學生可以在課下自主直觀地學習嵌入式應用系統源代碼級的內部結構，并針對本次實驗的要求做好書面的系統設計，也就是實驗預習報告。

(2) 每個實驗的設計和實現內容都分解為兩部分，第一部分內容相對簡單，是第二部分的基礎，第二部分則是一個較完整的系統，這樣不同層次的學生都可以充分融入實驗。

(3) 針對第3個問題，解決的辦法關鍵在于實驗課教師，要求教師對實驗內容熟悉，在實驗驗收時，不能僅查看實驗結果，必須對每一名學生就該實驗的關鍵點提出不同側面的問題，如果該學生能回答出來，即使是抄襲別人的源代碼，也說明他已經理解和掌握了該項實驗的內容，達到了實驗課的預期目的。為了鼓勵每個實驗小組自主設計和實現新穎的實驗內容，在實驗成績評判時設置了相關的創新加分標準。

經過了第二輪和第三輪的教學實踐，實驗室形成了系統化的接口實驗內容(如表1所示)。

表1系統化的計算機接口實驗內容

表1中，第6個實驗需要用到第5個實驗的內容，第7個實驗也需要用到第5個實驗內容，第8個實驗則需要用到第4、5、6、7的實驗內容，這樣到了最后一個實驗，可以把前面所有的實驗內容融為一體，既可以鞏固前面所實踐的內容，又可以形成一個較系統的實驗。

另外，我們還通過加分的方式來鼓勵學生在完成每個實驗內容的前提下積極擴展實驗內容。因為所有的必做實驗的總成績只有90分，學生如果想要得到優秀的成績，必須自主擴充實驗內容，通過加分達到優秀，這樣可以達到培養學生創新意識的目的。

4教學方法改革和先進的教學手段

圍繞實驗教學“加強實踐實驗教學環節，培養創新能力”這一目標，經過兩年多的改革與探索，我們逐漸形成了一些體現新型教育教學理念、行之有效的教學方法與手段。在教學方法上，任課老師選擇切合課程特點、學生特點和自身特點的教學方法，體現了“以學生為主導”的新型的教育教學理念。在教學手段上，學院充分發揮計算機專業在信息技術方面的獨特優勢，大力倡導以現代教育技術、網絡技術、通信技術為基礎的先進教學手段的運用。

4.1教師指導與學生自主相結合

傳統的實驗教學是以輔導為主，在給定實驗器材，給定實驗電路的前提下，學生搭建電路進行驗證實驗，驗證理論課學習的理論知識。隨著實驗教學改革的不斷深入，特別是為了適應培養創新人才的需要，驗證型實驗已逐漸退出歷史舞臺，綜合設計型實驗已占主體，實驗內容和難度也在逐步提高。學生在設計實驗任務時，會遇到越來越多的問題，特別是理論課程無法交待清楚，甚至沒有相應的理論課支撐的知識。時代的發展和市場的需要要求我們改變原來的以輔導為主的實驗教學模式，采取以指導為主的實驗教學模式，指導學生理解相關的理論知識，新的沒有理論課做支撐的知識則采取集中講授以及自我學習的方式，保證學生在實驗理論、實驗方法等方面知識的及時獲取。指導與自主學習相結合的教學方式，加強了教師與學生之間的交流和溝通，使得教與學之間更加融洽，使得學生對相關理論及實驗技能的學習和掌握更加容易，新的符合需要的實驗改革更加便利，實驗教學水平和質量得到提高。

4.2網絡預約的實驗“三開放”模式運用

學院在全校率先實行了實驗室開放，所有實驗室都全天候地對學生全方位的開放，并采取了網上預約選課的開放模式，實現了時間、內容、實驗器材上的“三開放”。為配合實驗室開放，學院組織教師開發了用于實驗室開放的選課系統和門禁系統，學生通過網絡預習實驗內容、預約實驗、刷卡進入實驗室，教師對實驗管理、成績評定、信息發布均通過網絡進行。這一措施的實施對提高實驗室的開放效率起到了至關重要的作用，大大提高了實驗設備的利用率，減輕了由開放而為實驗教師和實驗室管理人員所帶來的負擔，為實驗室的健康有序開放奠定了基礎。

4.3現代化實驗教學手段的運用

為提高教學質量，各實驗室都配備了多媒體教學系統，所有實驗課程都采用了電子教案授課。同時，為方便實驗室開放、實驗教學管理，學院建立了計算機實驗教學中心網站，開發了實驗室開放教學管理系統，實驗課程的CAI課件、電子教案等實驗教學材料均掛在此網站上，學生可以通過網絡下載獲得相應的實驗內容和配套軟件，可以自主的進行實驗的預習和準備。通過此網絡平臺，實驗教師可以與學生開展互動交流、成績管理等教學活動，實驗管理人員也可以實時掌握學生預約及上課情況。

4.4 “3+5+2”實驗成績考核方式

由于實驗內容和實驗方法的多樣性，決定了考核方式的多樣化，但總的原則都是使考核方式能真實地反映學生的理論水平和實驗技能水平。我們的考核方式是把學生在每一個實驗環節的表現都作為期末考核的一部分，稱之為“3+5+2新型實驗成績考核方式”，取得了良好的效果。其突出特點在于：

4.4.1突出預習在實驗教學中的作用

實驗教學要求理論與實踐結合特別緊密，所以學生充分理解和掌握相關的理論知識對其實驗設計和實驗操作都是至關重要的，因此預習就成為實驗教學中十分重要的環節。教師通過學生的預習報告了解學生理論知識掌握的情況和完成設計任務的情況，教師根據預習報告反映出的問題，對于共性問題教師在實驗前給予提示性講解，使教與學之間及時充分溝通。通過預習報告反映出的預習成績，占總成績的30%，預習報告作為參加實驗的必要條件，不做預習報告，不得參加實驗，從而使學生重視預習，教師通過預習報告，使實驗指導更有針對性，從而提高了實驗教學質量。

4.4.2強調實驗操作和數據的收集是實驗教學的中心環節

實驗操作和實驗數據的收集是實驗教學的中心環節，其占總成績的50%，不參加此環節的學生，此次實驗課成績為不及格。在這個環節中，對學生的動手能力進行全面的考核，包括：是否遵守實驗規則、分析問題解決問題能力、對理論設計的實現能力和實現的熟練程度、語言表達能力等。為了鍛煉學生的團隊協作能力，要求學生自由組合，兩人成立一個實驗小組，自主分工協作，但是在驗收實驗的時候，小組的兩名學生必須分別介紹自己的工作內容，并分別打分。

4.4.3提出實驗報告應作為實驗成果的總結

實驗報告作為實驗成果的總結，占總成績20%，反映學生對科學實驗的概括總結能力。

“3+5+2”考核方式增強了教師和學生對實驗課程的重視，提高了實驗教學質量，但給實驗教師實施考核帶來很大的工作量。為解決此問題，我們編制了實驗考核成績軟件，只要把預習報告、實驗報告的成績，和實驗過程中每項能力的等級輸入微機，該軟件將自動給出綜合成績。該考核方式從經過兩年多的實踐，取得良好的效果，后續課程教師普遍反映學生的實踐能力有了很大的提高。現在學院已在所有的專業基礎實驗課中采用了這種考核方式。

5總結

教學改革對于培養高素質人才、創建一流大學是必須的。我們已經基本完成了接口實驗教學的改革，并經過了3輪的教學實踐，學生在實驗過程中的積極性很高，大部分學生的實踐能力得以提高，學生之間的協作能力得以增強，創新意識普遍加強。很多學生通過計算機接口實驗課程中所學到的嵌入式系統設計知識，找到了理想的工作(如IBM、Intel、微軟、百度等公司)。還有很多學生通過進一步的深入學習和實踐，參加了大學生創新競賽并獲佳績，最終保研。

實踐證明，成功的教學改革有一些必備的條件，其中主要包括：教師必須擁有較新的知識體系和實際的項目開發經驗；要有不斷更新知識的能力；有根據實際教學過程中出現的不可預知問題進行教學內容調整的能力；有靈活科學的教學方法；有培養高素質人才的意識和敬業精神。

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