計算機與電子類專業自主實驗教學模式研究

　　文章編號：1672-5913(2011)17-0077-05 中圖分類號：G642 文獻標識碼：A
　　摘 要：在研究可供計算機與電子類專業學生隨身攜帶的系列便攜式實驗教學設備的基礎上，探討一種新型的自主實驗教學模式。介紹研發該系列設備的基本設想、便攜式EDA實驗板的設計以及該模式的理念與內容，在有限的資源下為學生提供充足的實驗條件，營造良好的學習與課外科技創新氛圍，并有效緩解實驗場地、設備等資源不足的矛盾。
　　關鍵詞：自主實驗教學模式；計算機與電子類專業便攜式實驗設備；案例開發；考核評價體系
　　作者簡介：徐成，男，博導，教授，研究方向為嵌入式系統。
　　1 研究背景
　　作為計算機與電子類專業教學體系的重要組成部分，實驗教學在整個教學過程中是至關重要、不可缺少的環節[1]，學生綜合素質的提高及創新能力的培養更離不開實驗教學[2]。近年來，國內外各高校高度重視實驗教學，不斷增加資金與師資力量的投入，推行實驗教學改革，以提高教學質量。國外高校的計算機與電子類專業已實行“開放式”實驗教學：實驗室的場地、時間及設備全面開放，提供充分的條件，培養學生的個性與素質。而國內各高校的計算機與電子類專業近年也在不同程度上進行了實驗教學改革，“開放性”、“設計性”、“綜合性”等概念被引入，減少驗證性實驗，增加設計綜合性實驗的改革方式已被大家所公認。
　　當今計算機與電子技術的進步在給各行各業帶來方便的同時也促進了實踐教學的改革，其中集成電路的飛速發展使得實驗設備的便攜化與普及化成為可能且形成趨勢。而傳統的計算機實驗教學已不能滿足時代的要求，如何進行改革，加強學生的動手能力，成為教師共同探討的話題[3]。基于上述原因，我們從實驗教學設備的研制到實驗案例開發，以及教材編寫直至實驗教學模式進行了全面改革，研究并探索出一種適合計算機與電子類專業的自主實驗教學模式。
　　2 自主實驗教學模式理念
　　自主實驗教學模式，是指緊跟新技術自制系列便攜式實驗設備，并配備給學生人手一臺，在此基礎上學生可“自主”安排實驗的內容、時間、空間，教師則集中管理、答疑和考核。
　　該模式通過研制供計算機與電子類專業學生可隨身攜帶的系列便攜式實驗教學設備，實現實驗設備的低成本、便攜化和普及化，滿足學生人手一臺，將該專業學生系列硬件實驗的傳統實驗環節延伸到學生宿舍等實驗室之外的普通場所，改觀了資源短缺的矛盾，為學生提供充足的實驗條件，并使各層次學生在課余時間不受地點限制，充分利用實驗設備，自主思考，主動參與，營造好的學習與課外科技創新氛圍，以獲取較好的實驗教學效果。該模式以案例開發為驅動，精編涵蓋認知型、設計型和綜合型實驗的指導教材，并以學生為主體，鼓勵學生在實驗內容上進行自主創新，而不局限于實驗教材。該模式以教師為主導，集中管理，建立合理的評價體系，避免傳統實驗中過分關注實驗報告和出勤率而造成學生不注重實驗過程的單一考核方式，注重實驗過程中學生的自主性、知識運用能力與探索思考能力，并從知識、能力和素質三方面對學生進行全面考核評價。
　　
　　自主實驗教學模式堅持的是以教師為主導，學生為主體，利用可供計算機與電子類專業學生可隨身隨帶的系列便攜式實驗教學設備，讓學生在時間、空間、內容等方面進行自主性實驗與學習的教學理念。
　　3 自主實驗教學模式研究內容
　　自主實驗教學模式研究的內容包括研制可供計算機與電子類專業學生隨身攜帶的系列便攜式實驗教學設備、設定硬件類課程體系、開發案例、編寫實驗教材、組織管理實驗教學活動以及建立科學合理的考核評價體系。
　　3.1 自制便攜式實驗設備
　　目前，計算機與電子類專業實驗教學存在一些問題與不足，內容如下。
　　1) 實驗設備成本高，限于資金問題，只能滿足多個學生共用一實驗平臺，并且只能在指定時間到指定實驗室進行實驗，無法實現開放與自主實驗教學。
　　2) 現有同類教學設備沒能很好針對我們計算機專業特定課程的教學需求而設計，系統復雜、冗余功能較多，使入門學生產生畏懼，對硬件學習缺乏信心。
　　3) 實驗平臺所用技術相對落后，需要多種附加配件，缺乏便攜性，使學生實驗的時間、地點和相關環境受到了限制。
　　基于以上問題，開發設計系列硬件類便攜式實驗設備，是加快教學改革步伐的關鍵。在自主實驗教學模式的理念下，通過研究相關新技術，我們完成了研制便攜式實驗設備的方案設計與論證，并對其具體實施及完善。預計自制的系列硬件類實驗設備有便攜式EDA實驗平臺、便攜式單片機開發板、便攜式ARM開發板等，使主要硬件實驗設備實現便攜化和普及化，為自主實驗教學提供硬件環境，推進自主實驗教學模式的研究與探索。
　　目前，我們已研制出便攜式EDA實驗平臺并投入實驗教學。該平臺可用于數字電路與邏輯設計實驗、計算機組成原理實驗、數字集成電路設計基礎實驗、USB串并通信實驗、基于IP核的數字系統設計、CPU設計等實驗課程。其資源布局和實物圖分別如圖1和圖2所示。該平臺集成當前新技術，其下載、通信與供電僅需一條UBS線，保持與時俱進的科技活力，方便筆記本電腦用戶隨時隨地使用；平臺小巧輕便，面積比2張銀行卡還要小(約為12×8cm2)，便于隨身攜帶；平臺操作簡單、實用，成本低，可滿足學生人手一臺的需求，打破了傳統EDA實驗箱體積大，成本高，需購買配套電源線、下載線及通信轉接卡，無法滿足學生人手一臺的格局，為學生學習數字邏輯、計算機組成原理、集成電路設計等系列硬件類課程提供了充分的實驗條件，為實驗教學改革增添了新的篇章。
　　
　　圖1 便攜式EDA實驗平臺資源布局圖 圖2 便攜式EDA實驗平臺實物圖
　　
　　3.2 計算機與電子類專業自主教學模式下的硬件類課程體系設置
　　目前，國內不同高校計算機與電子類專業硬件實驗教學體系及內容各不相同。有的將實驗貫穿于理論課程中；有的為主干課程的實驗內容單列實驗課；還有的是將基礎實驗與理論課程同步開設，另增設側重于設計型、綜合型、研究與探索型實驗內容的綜合與創新實驗課程[4]。隨著教學改革的推進，以“加強基礎訓練、注重能力培養、強調素質提高、突出創新意識”為基準和原則[5]，從滿足社會的需要，培養具備足夠動手實踐能力的學生出發，我們結合研制的系列硬件類便攜式實驗平臺的技術特點，綜合考慮該專業硬件類課程間的銜接等問題，重新構建了“理論教學的‘精講多練’(基礎)→實驗教學的‘做中學’(提高)→創新工程設計訓練(綜合運用)”這種適合計算機與電子類專業硬件類課程教學的三級實驗體系。
　　理論教學設置了相應的“課程實驗”，學生利用仿真軟件以及人手一臺的針對不同硬件課程的自制便攜式實驗平臺，學習基本專業軟件的應用，搭建基本概念模型，達到理解基本概念，促進理論學習的目的。實驗課程則在實驗教師的指導下，進一步強化訓練，系統學習實驗技能與技巧，培養學生的綜合實驗技能。其中“做中學”是指學生充分利用人手一臺的便攜實驗平臺，在實踐中摸索學習，進而啟發創造思維的過程。工程設計訓練是利用最新的平臺和工具進行實際工程設計訓練，注重專業知識的融合，誘導并培養學生的創新意識。
　　要實現自主實驗教學模式這一目標，不僅要實現教育理念的轉變，還要將最新的計算機知識帶到課程體系中[6]。該專業的硬件類實驗內容涉及數字邏輯、計算機組成原理、集成電路設計、單片機、接口技術、嵌入式系統應用等，不同課程配備不同種類的便攜式實驗平臺。其中數字邏輯、計算機組成原理是該專業必修的硬件基礎核心課程，設置了相應的課程實驗、實驗課程以及工程訓練，其他硬件類課程則設置相應的課程實驗，所有課程學完后有一綜合設計訓練，可綜合運用所有硬件知識。
　　
　　以上體系設置與內容安排使硬件類課程教學具有鮮明的層次性，實現了基礎、提高與創新的教學目標，使實踐教學遞進化推進，培養的學生能滿足社會需求。
　　3.3 針對自制便攜式設備的案例開發
　　開發高品質的實驗案例是實驗教學有效開展的基礎，一個設計型、綜合型和研究型實驗案例的開發具備兩個要素：可操作性和創新性。基于此，我們在自制便攜式實驗平臺的基礎上，結合專業課程的特點，從設計性、綜合性實驗出發，組織學生參與開發適用于計算機與電子類專業實驗教學的案例，激發學生的自主創新能力，引導學生迅速入門并順利開展實驗教學活動。
　　目前，我們已組織了部分具有創新精神的學生，對正處于試驗階段的便攜式EDA實驗平臺進行案例開發。同時引入案例開發的其他有效途徑，如將優秀畢業設計、優秀大學生創新訓練項目、學科競賽作品轉化為案例，鼓勵優秀學生自選題目，并將其轉化為教學案例等。在我院2008-2009學年上學期的嵌入式系統應用課程中，學生所獲全國嵌入式系統競賽一等獎的作品“互動視窗”、學生的自選課題塔吊遙控器等，作為案例被引入課程教學中，有利于激發學生的學習自主性。
　　3.4 自主實驗教學活動的組織開展
　　自主實驗教學活動的內容包括實驗教材的編寫、實驗過程、實驗答疑及實驗考核，并可延伸至創新訓練項目與學科競賽等活動。教師組織學生以所開發的實驗案例為題材，編寫涵蓋認知型、設計型和綜合型實驗的適合計算機與電子類專業的硬件實驗教材，以提高實驗項目的綜合性、應用性和探索性。實驗的開展過程中，學生人手一臺實驗設備，實驗內容、時間及空間可由其“自主”安排，實現隨時、隨地實驗，教師則組織集中答疑，及時幫助學生解除疑惑，了解學生的實驗自主性與思考問題的過程。學生完成實驗后，撰寫相應的實驗報告，提交并參與實驗檢查、考核或答問，最后教師通過實驗答疑環節中學生的表現、實驗報告及考核問答過程，對學生的實驗進行綜合評價。
　　在便攜式實驗設備基礎上，我們進行的一系列自主實驗教學活動，探討在案例教學方式下如何引導學生自主創新學習，激發學生的興趣與潛力，以及在自主開放實驗環境下如何引導學生進行創新性項目的開展，培養學生的創新思維與實踐能力的新教學理念。同時實現對傳統實驗教學內容的擴展，即通過自主實驗教學來引導部分優秀學生參加創新項目訓練及學科競賽，激發學生的潛能，培養學生解決實際問題的能力，提高綜合素質。
　　3.5 自主實驗教學模式下的考核評價體系
　　考核評價體系是自主實驗教學的重要研究部分，前面做得再好，落實不到位，只能讓少數學生受益而不能達到預期效果。引導、鼓勵能對想學的自覺學生發揮作用，但很多學生仍缺乏主動性，惰性思想較重。而考核應在提高學生的創新能力上發揮積極的導向作用[7]，因此如何落實實驗教學各環節，如何監督到位、檢查到位是一個重點研究內容，工作開展如下。
　　1) 在自主實驗教學模式下，對學生日常實驗活動開展調查，分析在實驗教學活動開展過程中學生、教師所扮演的不同角色，組織教師和學生分別對實驗教學的各個環節進行討論，參考計算機與電子類專業的實驗教學大綱，探討在學生自主實驗、教師集中管理的新模式下如何制定實驗考核評價方案。
　　2) 通過針對性較強的教學案例的引導和自主實驗教學活動的開展，從實驗開展、答疑及考核問答等各個實驗環節對學生的自主性和將知識運用于實踐的能力進行綜合評價，避免傳統實驗以實驗報告和出
　　
　　勤為主的單一考核方式，有利于培養學生解決實際問題的能力。
　　3) 研制一個人人過關的硬件語言應用的考核系統，為研究并建立自主實驗教學模式下的綜合考核評價體系增添砝碼。
　　針對自主實驗教學模式建立合理的評價體系，注重實驗過程中學生是否正確運用基礎知識及學生的探索思考能力，我們從知識、能力和素質三個方面對學生的自主實驗進行全面的考核評價，盡可能以科學合理的考核評價體系考核學生的自主實驗，從而最大化挖掘其潛能。
　　4 總結與展望
　　湖南大學信息科學與工程學院計算機與電子類專業實驗教學改革與創新取得了佳績：實驗載體“便攜式通用數字邏輯設計與EDA綜合實驗板”申請了國家專利，硬件課程計算機系統組成與系統結構2009年成為國家精品課程；硬件實驗室“湖南大學信息技術實驗室”2006年獲湖南省普通高校實踐教學示范實驗室建設資格，2009通過合格驗收并得到評估專家的一致好評。
　　實驗教學改革盡管有了好的開端，但仍有很大的提升空間。除實驗教學外，創新訓練、學科競賽、畢業論文等環節的作用亦不可忽略。該自主實驗教學模式將傳統實驗環節延伸到實驗室之外的普通場所，改善了學習條件和氛圍，促進了實驗教學改革、創新訓練及學科競賽活動的開展，有利于培養學生的創新思維與實踐能力，將推廣應用于我院的計算機科學與技術、通信工程、電子及人工智能等其他一級學科的專業。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 陳琦. 計算機實驗教學改革的思考和探索[J]. 教