計算機類本科專業硬件實踐教學改革探討

摘要：本文對計算機類硬件實驗教學現狀進行了分析，對該類課程的特點及教學弊端進行了剖析，并結合筆者的實際教學經驗與體會，以及學校現有的實驗條件，提出了理順硬件課程的實驗教學體系、注重動手能力培養、提高實踐教學方法等措施，充分發揮學生的積極性、主動性，培養學生的實踐能力。

關鍵詞：硬件類課程；實驗教學；實踐能力；計算機大類

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）08-0073-03

引言

諸如物聯網工程、計算機等專業的計算機類的課程體系內容基本可以分為兩部分：一部分是軟件類課程，另一部分是硬件類課程。硬件是軟件的有效載體，在計算機類課程體系中起著關鍵作用。因此，利用學校現有的實驗室條件，充分運用現代化的實驗教學手段，提高學生的動手實踐能力，是硬件類課程教學的重要環節。另外，教師要以培養學生的實踐創新能力為目標，不斷地改革與完善數模電、微機接口、單片機等硬件課程實驗教學的內容和方法，進而引導和激發學生學習硬件開發技術的學習興趣，充分發揮學生的主觀能動性和創造性。

下面，筆者結合自己在計算機類專業（物聯網、計算機、計算機自動化等專業）多年的教學經驗與體會，探討如何在硬件實踐教學中激發學生的硬件開發興趣，培養學生的實踐創新能力。

現狀分析

目前，與其他高校類似，筆者所在學院計算機類相關專業在培養計劃的制訂、教學模式及教學實驗室的配置等方面也存在“重軟輕硬”的現象，使得計算機硬件課程體系相對薄弱，學生對硬件類的設計與開發工作缺少興趣。在這種教學氛圍下，學生也自然對硬件類課程感到陌生、畏懼，甚至達到逢“硬”必“怕”的地步。硬件類課程的學習有其自身的特點，如硬件知識比較抽象，學生要不斷實踐才能體會等。因此，必須加強與重視硬件類課程實踐教學環節，只有通過大量的實踐練習，并結合理論教學，才能讓學生較好地掌握硬件知識。

在硬件教學設施方面，傳統的硬件實驗均以實驗箱或實驗模塊裝置為實驗平臺，開設的實驗教學內容大多數屬于驗證性實驗、訓練性實驗。在學習、操作過程中，學生往往很被動，學生做完實驗后，甚至都不知道實驗原理，就更不要說去結合工業生產和人們生活需求去開發、創新一些具有實用價值的東西了。

理順硬件課程的實驗教學體系

計算機類相關專業的硬件實驗課程體系應堅持完整性、系統性及不重復性三個原則，并按照人才培養方案要求，課堂實驗與課程設計實踐相互補充，內容前后連貫銜接，其中實驗涉及的是單一知識點基礎，實踐則是各知識點的綜合應用，且層次在逐步提高。因此，可以從以下三方面著手解決。

1.遵循“循序漸進，逐步加強”原則，將硬件實驗體系知識劃分為基礎、應用和提高三個層次

基礎部分是要求學生掌握課程的基礎知識點，并通過一些驗證性實驗加以理解和鞏固。這部分的驗證性實驗仍然用實驗箱完成，即在現有的實驗條件下，學生掌握相關的基本軟、硬件的開發知識，能夠根據系統原理圖正確地連線，并在計算機上編寫、調試、下載程序，能夠結合外圍電路對系統功能進行測試，設計并實現參考選題中要求設計的系統。

應用和提高部分則對學生提出了更高的要求，即通過設計性、綜合性實驗的訓練達到要求。一般要求學生能夠動手搭建硬件模塊，分組進行，設計若干個綜合設計電路，最終完成軟硬件的搭建、調試，以硬件產品的形式完成。

2.把簡單驗證性實驗改為“驗證性—設計性—綜合性”的實驗模式，培養學生實踐動手能力

對于驗證性實驗，按照基本的知識點要求，即：①根據實驗指導書的任務要求，設計硬件系統方案，連線、編程實現系統功能，并填寫實驗報告冊；②在理解硬件方案的基礎上，自己動手修改程序，并正確連線、構成新硬件電路系統，且通過獨立調試實現設計方案（匯編語言程序編寫、實驗箱實驗系統的使用、定時器/計數器的應用、I/O口的應用、串行口應用及中斷應用等）。另外，通過大量反復的基本練習，使學生熟練掌握基本的語言知識，具備基本的編程能力。

在此基礎上，對一些難度稍大的實驗進行訓練，并完成設計性、綜合性的實驗項目，將匯編知識和硬件設計的內容串成兩條相互呼應的主線，加深學生對硬件的全面理解和掌握，培養其綜合應用開發能力，提高硬件編程水平。在這部分實驗教學中，從最基本的硬件系統設計到比較復雜的綜合系統設計，都要突出由基本的電子元器件的認知到綜合應用各知識點進行設計的思想，從而達到培養學生軟件分析、設計與調試和硬件分析、設計與調試的綜合能力的教學目的。

3.協調整合多門硬件類課程，對內容重復的部分進行刪減

在計算機類的硬件課程體系中，在不同的課程中可能會涉及到相同的知識點內容，對于多門硬件實驗課程的內容重復問題，要協同各課程教師，對重復內容予以去除，如“微機接口技術”“數字電路”“單片機原理及應用”等課程中的一些接口芯片（ADC0809、DA0832、8255A）等內容可刪減。

注重學生的動手能力培養，著力提高實踐教學方法

1.優化實踐教學手段與方法，提高學生的硬件設計效率與興趣

在單片機原理與應用等硬件課程中，采用諸如Keil+Proteus等虛擬仿真實驗平臺進行實踐教學，可以有效培養學生對硬件的感性認識，提高學生的硬件系統設計、基于硬件的軟件編程及軟硬件聯合調試的能力，滿足學生的實踐創新需求，充分發揮其積極性和主動性，進而有效彌補理論教學與實踐教學相互脫節的矛盾。同時，Keil+Proteus等虛擬仿真實驗平臺使用方便，完全擺脫了在實驗室做實驗的空間限制，學生在自己的計算機上安裝好軟件便可以進行實驗仿真，這突破了學生做實驗時在時間和空間上的限制，進而有效提高了實驗效率和學生的硬件開發興趣。

2.充分利用現有實驗室條件，改進實踐教學方法，提高教學效率

雖然現有的實驗平臺大部分為實驗箱，但這并不是說就不能完成一些設計性、綜合性實驗，我們可充分利用現有的實驗條件，對實驗資源進行挖掘，創造條件設計一些設計性、綜合性的實驗。例如，在筆者所在學院的“微機接口技術”課程中，選用了由西安唐都科教儀器公司開發的TD-PITE32位微機原理與接口技術教學實驗系統，該實驗系統由8255單元、8259單元、8254單元、A/D轉換單元、D/A轉換單元、點陣顯示單元、鍵盤及數碼管顯示單元、電子發聲及步進電機單元、直流電機單元、開關及 LED顯示單元等組成。為了充分發揮學生的創造性和想象力，培養其綜合實踐能力和創新精神，在該課程的課程設計教學中，教師先利用現有的實驗條件，改進實踐教學方法，要求每位學生獨立進行課程設計，通過不同模塊的組合（至少用到實驗平臺的三個單元，并且內容不完全一樣），完成一個微機接口綜合系統。最后，根據該系統的復雜程度（知識點）、實驗演示、答辯情況及實驗報告等對學生進行綜合考核評分。經過兩學期的教學試驗，取得了較好的教學效果，一方面，充分發揮了學生的聰明才智，設計開發出了諸如密碼鎖、超級瑪麗、音樂播放器、交通燈等功能較為完善的系統或“產品”，調動了學生的積極性、主動性和創造性。另一方面，也讓那些平時喜歡“蹭”實驗的學生親自動手完成實驗，達到了硬件設計實踐全覆蓋的目的。

3.以工程項目為驅動，優化實踐教學內容，提高軟、硬件綜合開發能力

計算機的硬件和軟件知識相輔相成，構成了一個完整的課程體系，但往往負責軟、硬件教學的教師不同，而且教師之間或者課程之間缺乏有效的溝通，導致學生學到的知識點較為零散，達不到對計算機系統軟、硬件基本知識的融會貫通。例如，學生學習了寄存器、存儲器等硬件知識后，卻不知如何結合匯編語言對硬件進行編程。因此，教師應該在硬件的實踐教學中，注意軟、硬件課程間的銜接，使學生能夠基于硬件知識去理解軟件編程，以及基于軟件知識去理解硬件編程，從而提高學生的計算機系統軟、硬件協同編程、設計、綜合能力。

為此，筆者提出以教師的工程項目經驗為驅動，結合“微機接口技術”“單片機原理及應用”的各知識點，以一個小型項目開發為例，引導學生對相關的時鐘芯片（DS1302）、485總線、繼電器控制、按鍵模塊、12864液晶模塊，以及AD、DA等模塊進行逐次、分模塊地開發。

總之，在計算機類專業的硬件實踐教學過程中，以上幾點做法有較強的可行性和可操作性，這樣能讓學生充分發揮自身的聰明才智，積極主動參與到硬件的設計、編程、調試等實踐開發過程中來，充分鍛煉和培養學生的實踐創新能力。

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作者簡介：胡海根（1977—），男（漢），江西豐城人，博士，副教授，研究方向為機器學習、嵌入式系統開發。

基金項目：本論文獲浙江工業大學創新性實驗項目“我校計算機類相關專業硬件實驗項目的改革與探索”等項目資助。