基于案例項目任務驅動的計算機硬件課程實踐教學

摘要：針對傳統計算機硬件實踐課程多以驗證和演示性實驗為主，學生綜合創新能力無法有效發揮的教學現狀，提出一種基于案例項目任務驅動的計算機硬件課程實踐教學方法。該方法結合案例教學、項目和任務驅動各自的優點，以“實際案例”、“具體項目和任務”驅動學生建構和內化知識結構體系，提高學生的學習主觀能動性和綜合創新能力。

關鍵詞：實踐教學；案例項目任務驅動；創新能力

為培養高素質創新人才，提高學生創新能力和就業競爭力，各大高校都非常重視實踐教學，并將其課時設置大幅提升，在有些高校中甚至已經超過了理論教學課時量，同時學校在科研和設備投入方面也給予了大量傾斜。但受傳統教學理念的影響，實踐課程的設置過分依賴理論教學，實驗內容仍以驗證性和演示性實驗為主，教師在實踐教學過程中處于中心地位，學生被動地跟隨教師的思路進行實驗方法和技能的學習。因此，學生的主觀能動性和創新能力難以有效發揮。

計算機硬件課程是計算機專業的重要分支，是軟件課程學習的基礎，對學生實際動手能力與創新能力的培養起著舉足輕重的作用。鑒于計算機硬件課程本身的復雜性，學生在硬件實踐課程的學習中存在著畏難情緒，同時硬件實踐教學改革滯后，教學方法陳舊，實踐課程與快速的計算機信息技術發展嚴重脫節，學生對計算機硬件實踐課程學習的主觀能動性不夠，學習效果不佳，為此筆者探討案例項目任務驅動教學法在計算機硬件實踐教學中的應用，引導學生重視硬件課程，以提高學生學習興趣，切實地提高學生實際動手能力、創新意識和就業核心競爭力。

1、基于案例項目任務驅動的教學方法

案例教學法基于啟發式教學理念，寓教學內容和知識點于具體案例，結合典型案例的剖析，引導學生主動解決案例所遇到的問題，培養學生分析和解決問題的能力，發揮學生的學習主觀能動性。項目教學法則是依托實際項目，融教學知識點于具體項目，學生在完成項目的過程中，學習教學大綱中設置的知識點，由于項目完成需要小組人員的通力合作，利于增強學生的團隊意識，提高其自主創新能力。而任務驅動教學法是以學生作為學習主體，結合自己分擔任務模塊的完成，建構知識體系，極大地發揮了學生的學習主觀能動性。上述3種教學方法已在當前教學實踐中獲得了良好的教學效果，但多以單一課程作為研究對象，教學方案設計過分依賴所選案例、項目和任務，且教學內容與設計案例、項目和任務嚴重脫節，影響了教學方法的效果。同時3種教學方法在培養學生創新能力和發揮學生主觀能動性等方面各有側重，為此，筆者以計算機硬件課程系統為研究對象，融3種教學方法于一體，以學生喜聞樂見的“案例”為“引導”，以“實際項目”為“主線”，寓課程知識點于項目實施的每個任務模塊，“驅動”學生在完成任務的同時，建構理論體系。

2、基于案例項目任務驅動的計算機硬件實踐課程的實施

2.1 計算機硬件課程實踐教學內容的優化設置

計算機專業硬件課程主要有“模擬電路”、“數字電路”、“計算機組成原理”、“微型計算機原理”、“單片機原理及應用”以及“嵌入式系統”等。由于課程之間在內容上存在交叉部分，我們需要深入分析和研究計算機硬件課程的教學任務，按照硬件課程體系培養能力結構的要求，優化整合硬件課程實踐教學的內容，將其分為電子技能訓練教學內容、計算機系統訓練教學內容、單片機與嵌入式系統教學內容3個部分，而每個部分又可分為驗證性、綜合性和創新性3個層次。

電子技能訓練教學內容是計算機硬件課程實踐教學的基礎，主要以驗證性和綜合性試驗為主，通過驗證性試驗鞏固深化教學內容。綜合性試驗則是以學生熟知的案例（如設計系統電源、放大電路以及信號采集調理電路等）驅動學生綜合解決系統級任務課題，提高學生綜合解決問題的能力。實踐教學平臺包括基于Proteus仿真試驗平臺和自主性創新試驗平臺2種類型，其中基于Proteus仿真試驗平臺用于模擬電子電路運行機理，驗證和鞏固課堂教學知識點；而自主性創新試驗平臺是在教師引導下，學生自主搭建電子線路，從而加深其對課堂知識點的理解，提高其動手能力，激發學生的科研探究興趣。

計算機系統訓練教學內容多以綜合性和創新性實驗為主，主要設計內容包含處理器設計和計算機控制系統設計等方面，采用基于EDA試驗平臺和自主性創新試驗平臺2種類型。其中基于EDA試驗平臺的實驗主要用于訓練學生自主設計CPU的能力，強化其計算機底層理論體系，以便使學生建立整機的概念，優化軟件編程效率。創新性試驗平臺則是基于實際的計算機控制系統，由學生自主地完成某一控制系統的設計，深化學生理解計算機專業硬件課程的重要性，激發學生對計算機硬件專業課程學習興趣。

單片機與嵌入式系統教學內容主要以自主性創新試驗為主，主要是對計算機硬件課程知識體系的綜合檢測。其試驗平臺多以教師實際承擔的科研項目和電子設計大賽題目為主，項目具有較強的時效性和復雜性特點，易于提高學生參與課題的主觀能動性，可作為計算機硬件實踐課程的項目資源。學生在教師的任務分配下，獨立完成自己所承擔的任務，在任務完成過程中建構自己的知識體系。

2.2 項目資源的優化選擇

計算機硬件課程實踐教學項目資源的選擇應以培養學生的創新能力為首要目的。所選項目應盡量涵蓋教學大綱要求內容，同時項目還需具備一定的難度和時效性。為此，我們必須深入分析計算機硬件實踐教學內容，獲取相關知識點，并將其融于項目實施過程，使學生在解決項目實施過程中所遇到的問題時，掌握和深化課程知識點。

項目資源優化選擇的原則有3個：①鑒于計算機硬件課程實踐教學內容由電子技能訓練內容、計算機系統訓練教學內容和單片機與嵌入式系統教學內容3部分組成，項目資源需融合上述3種教學內容所涉及知識點，并充分涵蓋相關教學內容；②項目資源內容需緊跟信息技術的發展方向，應有較強的時效性，易于激發學生學習的積極性；③項目在實施過程中所遇到的問題難度應適中，最后實驗結果要明顯，易于激發學生強烈的成就感。

我們以單片機與嵌入式系統教學內容為例說明項目資源優化選擇原則。項目資源選擇“基于單片機的智能車控制系統的設計”，包括軟、硬件2部分，其中硬件部分包括了電源部分、硬件濾波部分、信號采集調理放大部分、數模轉換部分、控制電路部分等電子電路部分，基本涵蓋了模擬電路和數字電路的基本教學知識點；軟件部分涵蓋了定時器控制、中斷應用、鍵盤使用、AD轉換等，基本涵蓋了微機原理和單片機原理的相關知識內容，且相關知識點均為硬件課程教學內容的基本知識點，難度適中。通過項目的實施，智能車可實現快速避障運行，易于激發學生的學習興趣。智能車快速避障功能是智能機器人研究領域的熱點，具有強烈的時代背景。此項目的開發經歷，對于學生就業以及進一步深造都具有較強的指導意義。

2.3 實踐案例的合理剖析

項目分解要注意與實踐教學內容相結合，分解后的案例模塊在功能上要保持一定的完整性，且各模塊之間具有一定的漸進性、擴展性，這樣可逐步引發學生的學習興趣，避免產生畏懼和抵觸情緒。我們需要針對每一個案例模塊，進行有效地評價和優化，分析每個案例模塊所運用的知識點、用到或可能替代的相關算法以及相關聯的案例模塊等，并實現和演示。

我們以“基于單片機的智能車控制系統的設計”為例，說明實踐案例剖析過程。“基于單片機的智能車控制系統的設計”可分解成：智能車系統的電源模塊、智能車系統信號調理模塊、智能車系統顯示模塊、智能車系統速度控制模塊、智能車系統循跡模塊和智能車紅外避障控制模塊等典型案例。上述案例直接由實際智能車系統分解而成，功能上具有完整性，難度逐步加大，具有一定漸進性，且各案例均涉及計算機硬件課程相關知識點，譬如智能車紅外避障控制模塊包括硬件電子電路和軟件設計部分，硬件電子電路設計部分還有模擬電子的信號推挽放大電路、12C總線擴展、中斷硬件電路設計等，軟件設計部分包括數字濾波設計信號、定時器設定控制周期、中斷避障判定等。這樣，一個案例就涉及了計算機專業硬件課程的相關知識點，便于學生在項目實施過程中，強化理論知識的學習，激發學習興趣。

2.4 具體任務分配

案例剖析完畢后，我們必須指導學生將所選項目分解成相應的任務，使其與案例密切相關，并通過“模仿”、利用教學資源等學習方式完成任務，同時引導學生按照課堂上的案例步步深入，每完成一個任務，就將該任務“組裝”進來，最終“組裝”成一個完整的項目應用程序。結合“基于單片機的智能車控制系統的設計”剖析完成的案例，以任務的形式下達給各試驗小組，分別用相關案例給各實驗小組分配相關任務，因此會有智能車電源模塊實驗小組、智能車系統信號調理實驗小組、智能車系統顯示實驗小組、智能車系統速度控制實驗小組、智能車系統循跡控制實驗小組以及智能車紅外避障控制實驗小組。各小組人員的具體任務進一步被分解，使得每一個學生都承擔一定的具體任務。每位學生的責任明確，自己任務的完成都是項目完成必不可少的部分，使每位學生充分意識到團隊合作的重要性，提高學生學習的主觀能動性和創新能力。

2.5 客觀評價體系的優化設置

具體任務下達以后，學生便進入動手操作環節，充分地發揮了學生的主體能動作用。為有效防止學生任務完成過程中出現困惑和畏難情緒，教師需要做好正確的引導，但必須時刻堅持“學生為主導”的教學理念，僅需在解決途徑和思路上給予指導。學生在具體任務完成過程中建構自己的理論體系。項目完成時，每位同學需對自己所完成的任務進行總結和評價，并接受教師和學生的提問，教師做出點評。各實驗小組都要對自己所承擔的任務進行評價，這不僅對目標達成的結果作出判斷，還對小組成員目標達成的情況作出分析評價。學生通過參與自己學習成果的評價，認識到自己的智力潛能，利于激發學生的科研熱情。教師依據各小組評價、任務完成過程、設計方案、調試過程、實驗報告等部分，按一定的比例計算出學生最終的考評成績。

3、結語

計算機硬件實踐課程引入了“案例項目任務驅動”的教學理念。筆者系統研究了計算機硬件課程的教學內容，根據課程設置層次將計算機硬件實踐課程設置為電子技能訓練教學內容、計算機系統訓練教學內容、單片機與嵌入系統教學內容3部分，并結合“基于單片機的智能車控制系統的設計”進行項目選擇、案例剖析和任務分配，給出了基于案例項目任務驅動實踐教學過程的項目選擇、具體案例剖析、任務分配以及評價體系的原則和設計理念。該教學方法具有寓教學知識點于具體項目實施中，學生任務明確，案例背景明確，具有較強的時效性以及優化的評價體系等優點，極大地調動了學生學習的積極性，提高了學生綜合知識的運用能力和創新能力，提升了學生就業的核心競爭力。