計算機硬件課程體系數字化實驗教學平臺初探

(1、2.安徽大學計算機科學與技術學院，安徽 合肥230601)

引言

高校作為國家創新體系的重要組成部分，在綜合型高素質創新人才的培養中發揮著重要的作用。創新人才不僅需要具備扎實的基礎理論與專業知識，同時，更需要擁有較強的綜合分析與創造能力。作為人才培養體系中的一個關鍵環節，已經體現出了越來越重要的地位[1]。另一方面，隨著近年來人工智能技術的迅猛發展，智能汽車、智能語音導航、智能醫療設備、智能家居等已走進我們的生活[2]。2017年，國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》明確指出：到2030年使中國人工智能理論、技術與應用總體達到世界領先水平，成為世界主要人工智能創新中心(國發[2017]35號)。在此背景下，面向計算機硬件課程體系的實驗教學作為計算機教育體系的一個重要組成，在創新思維與創新能力的培養、學生綜合素質的提升及促進國家人工智能技術的發展中發揮著不可替代的作用。筆者根據多年從事計算機硬件相關課程的教學經驗，結合計算機網絡技術、系統仿真技術與人機交互技術，提出了通過構建數字化實驗教學平臺，提升學生在教學實施過程中的主導地位的教學新思路，以充分激發其學習主動性與創造性，實現理論與實踐的有機統一。

1 構建數字化實驗教學平臺的必要性

目前，很多高校在計算機硬件課程體系(主要包括：《匯編語言程序設計》《編譯原理》《計算機體系結構》《微型計算機原理與接口技術》《單片機技術》等)的實驗教學中，普遍采用的是：“傳遞→接受→模仿” 教學模式。該模式通過實驗目標的講解、基礎理論的講授、實際操作及綜合實踐4個環節實施教學，其優點是教師可以較好地組織實驗環節、及時解決學生所遇到的問題及方便地進行課程進度的控制等，便于在實驗教學中發揮教師的主導作用。然而，該模式卻降低了學生在教學實施過程中的認知主體地位，遏制了其主觀能動性與創造性的充分發揮[3]。因此，傳統教學模式所帶來的弊端是：逐步養成學生的思維惰性，使其形成對教科書與教師講授內容的盲目“崇拜”，嚴重阻礙了學生發散思維與逆向思維的訓練。更為嚴重的是，當學生發現實驗結果與書本內容不一致時，他們首先否定了自己，缺失了對所學知識的質疑，扼殺了學生提出新想法的勇氣，阻斷了創新能力培養的源泉[4]。可以看出，這種教學模式移走了創新型人才賴以成長的沃土，人才培養質量根本無從談起。另一方面，計算機硬件課程體系是以《數字邏輯》《電路與模電》《信號與系統》等相關課程為基礎的專業核心課程群，不同課程之間具有較強的關聯性，這對學生創新求異的開拓能力提出了更高的要求。如果僅強調局部專業能力的培養，而不重視知識的整體性把握，培養出的學生勢必自主學習能力差、知識體系性弱、創新能力不強，這將很難適應如今快速發展的計算機技術。因此，傳統實驗教學模式改革勢在必行，數字化實驗教學平臺則應運而生。

2 數字化實驗教學平臺的基本架構

數字化實驗平臺是基于互聯網、局域網等信息資源，結合多種實驗教學媒體的新型教學實驗平臺。該平臺通過整合現有教學資源，開發新的教學交互軟件，改變傳統的教師到學生的講授模式，使學生在實驗過程中成為教學實施過程的主導者，從而充分激發其學習的主動性與創造性。面向計算機硬件課程體系的數字化實驗教學平臺主要由“硬件教學平臺”和“軟件教學平臺”兩個子平臺構成。

2.1 硬件教學平臺

數字化實驗硬件教學平臺的組成如圖1所示。

圖1 數字化實驗硬件教學平臺組成示意圖

硬件平臺主要由“校外資源”與“校內資源”兩部分組成，兩者之間通過校園網與互聯網進行信息傳輸。其中，“校內資源”部分由實物設備實驗室、虛擬實驗室及學校的電子圖書館組成；“校外資源”部分由科研機構、其他高校及實習基地組成。學生實驗內容的預習、資料的查閱、部分實驗的仿真及結果的提交可在校內資源平臺內實現；而對于一些本專業最新的動態、產品與思路可通過互聯網從校外資源獲取。在整個硬件平臺中，“實物設備實驗室”與“虛擬實驗室”是兩個核心組成部分。其中，“實物設備實驗室”通過硬件的實際操作完成原理驗證、開發或電子制作等實驗；“虛擬實驗室”通過相關設備和軟件虛擬實驗平臺，用來完成理論的驗證、算法的模擬和軟件的開發等，從而解決硬件實驗設備緊缺的問題。在進行虛擬仿真實驗時，學生可以不用去實驗室，只需在連接網絡的電腦上進行預定實驗內容的操作即可。同時，還可以將分析結果以及所遇到的問題發送給教師；教師則通過自己的辦公電腦就可以觀察學生的實驗結果，并回答學生的提問。另外，教師和學生也可以通過網絡進行實時對話，隨時解決實驗過程中遇到的問題。

2.2 軟件教學平臺

軟件教學平臺是基于硬件教學平臺，它是實現交互教學功能的一個主要承擔者，主要包括以下6個部分：

2.2.1 實驗/實習指導教材：根據數字化平臺教學特點，以教材內容為依據，以教學大綱為目標，由課題組與實驗室有經驗的教師進行撰寫。為使學生能夠快速地了解實驗目的、掌握實驗步驟、理解實驗重/難點，該教材應具有提綱挈領與言簡意賅的特點。

2.2.2 基于多媒體技術的教學交互軟件：為保證學生能夠準確地掌握實驗基本原理、方法、步驟，軟件通過視頻、聲音、文字等手段，以交互方式完成這一目標。具體來說，學生可以在學習過程中，根據實驗目的，自主設計程序流程、修改參數設置等方式來觀察初步的仿真結果。該軟件與教師電腦相連，教師可以查看該學生的具體實驗過程與結果，以便及時進行反饋。

2.2.3 理論仿真軟件：該軟件是教學交互軟件的升級，采用模塊化的設計思路，通過拖拽方式實現系統的搭建。學生在使用時，可根據所學原理，如：中斷、串行通信、看門狗程序等，設計實驗基本流程、編寫程序、設置硬件電路及參數等；學生也可以通過已有的實驗結果改變程序參數、調整硬件配置和程序運行環境進行仿真。在顯示端，軟件將同步輸出/顯示實驗結果及部分波形。

2.2.4 實物制作仿真軟件：計算機硬件教學主要面向硬件設備的制作與開發，如：定時器、計數器等，學生通過軟、硬件設計鍛煉獨立思考能力。在實驗過程中，他們將根據自己的興趣，在得到教師的許可后，可以自行設計一些具有一定綜合性的小系統。實物制作仿真軟件就是為了避免初期設計失敗而導致的資源浪費問題，同時，又可以為他們開發的系統提供必要的驗證。通過該軟件，學生可以實現系統模塊的搭建、參數的設置及輸出性能的分析等，通過結果的實時反饋，不斷調整、完善系統性能，以獲取最佳設計方案。

2.2.5 能力綜合測試軟件：為了檢查學生學習效果的好壞，軟件設計了筆試與實操兩個測試內容。其中，筆試部分主要用于檢測學生對理論知識、實驗過程及實驗現象的掌握與理解程度；實操部分則由教師隨機抽取測試內容，如：設計流水燈、使用揚聲器播放指定音樂、電子數碼管的顯示等，該測試依托實物制作仿真軟件完成，用以考查學生運用綜合知識的能力。

2.2.6 平臺管理軟件：為保證平臺的正常運行，軟件采用高、中、低三級管理方法，具體為：低級管理由學生推選的課程委員執行，主要負責信息的日常維護與數據的更新；中級管理則由任課教師和實驗教師組成，主要負責軟件功能的開發、試題庫的維護等；高級管理由網絡專家組成，主要負責網絡的維護、資源的分配等技術問題。

3 基于數字化實驗平臺的教學特點

面向計算機硬件課程體系的數字化實驗教學平臺綜合了計算機的快速交互、信息的實時更新、豐富的知識獲取手段等優點[5, 6]，促進了學生在實驗教學過程中地位的改變，使學生從被動的信息接收者變成主動的知識獲取者。在這種教學模式下，教師從課堂的主宰者轉變為學生創新能力的哺育者，實現對學生學習主動性與積極性的進一步激發。基于數字化實驗平臺的教學過程具有以下幾個鮮明特點：

3.1 教學資源更加豐富。數字平臺整合了校外與校內教學資源，學生在實驗過程中，可以方便地利用這些資源對實驗原理、實驗現象及實驗結果進行充分的準備與分析。另外，多媒體教學軟件的開發，聲音、視頻、文本等多種手段的綜合使用，在為學生提供良好信息獲取環境的同時，也會極大地調動學生的學習熱情，使他們有意愿去嘗試，去探索。

3.2 有利于教學質量的提高。實驗平臺所提供的豐富教學資源為學生進行個性化學習提供了便利條件。學生可以通過指導教材與交互軟件了解實驗的重難點問題，在教師的指導下，可進行獨立思考與自主安排實驗內容與時間。實物制作仿真軟件可輔助學生結合所學知識，設計系統并進行仿真與驗證，幫助其在更高的層面上進行創新能力的培養。可以看出，這種實驗模式使學生由傳統教學中的“簡單模仿”轉變為“獨立設計”，使之能夠更加主動獲取知識和處理信息；同時，也便于教師根據不同學生的特點，實現因材施教。

3.3 促進了教學模式的改革。在數字化教學平臺的教學活動中，弱化了教師在教學實施過程中的主導地位，強化了學生獨立與創新學習能力的培養。教師通過指導學生從理論驗證到系統設計，再到系統實現及最終的實驗結果分析這一完整實驗過程，有效促進了學生自身探索和獲取知識能力的提高，逐步使學生養成主動思考與主動探索的良好學習習慣。

3.4 促進學生創新能力的提升。數字化實驗教學通過改變“教”與“學”在教學過程中的比重，強調學生的認知主體地位，注重“自主獲取、自主探索、自主發現”能力的培養，通過學生與教師、學生與學生間的交流互動，將會有力促進學生創造與創新性思維的發展。

3.5 有助于團隊精神的培養。網絡在實驗過程中的使用，使得學生之間隨時、隨地開展合作成為可能。傳統教學中，學生的合作僅限于課堂教學時間，而在基于數字化平臺的教學模式中，學生們可以將實驗任務分解為多個模塊，每個學生負責完成其中一部分工作，最后通過網絡將功能進行整合。這種合作模式能夠促進學生們深入理解和運用所學知識；同時，共同的目標、共同的努力以及成功所帶來的滿足感將會深化學生對開展團隊合作重要性的認識，對于培養學生良好的協作精神與溝通協調能力具有重要的推動作用。

4 實施過程中可能會面臨的問題

4.1 對實驗條件提出了更高的要求

基于網絡的新型數字化實驗教學平臺的使用，對各高校的基礎網絡保障、實驗教學設備的更新與升級提出了更高的要求。以《微型計算機原理與接口技術》實驗課程為例，我院現有的主要實驗設備是基于單機版的實驗箱，缺少網絡版的在線仿真軟件，這限制了數字化實驗教學模式的實施。另外，平臺的管理也是一個具有挑戰的問題，如何保證網絡資源的合理分配、教師與學生在網絡上的信息安全及仿真結果的實時性，都是需要認真考慮的問題。

4.2 對教師的課程駕馭能力提出了新的挑戰

在基于數字化實驗教學平臺的實驗教學中，由于強化了學生認知主體的地位，教師的主導作用則有所下降。因此，在具體實施中，教師不再是實驗的“重復器”，學生也不再是知識的“存儲器”。相反，教師在教學中的主要工作變為引導學生在實驗中發現問題，幫助其分析問題與解決問題，提高探索新知識的能力。因此，在新的教學模式下，教師將從傳統教學方法中知識的講授者轉變為實驗過程中的輔導者、學生的合作者。然而，這種關系的轉變必然給教師帶來新的挑戰。在學生的自主思維下，在豐富教學資源的幫助下，實驗過程中可能會產生各種難以預料的問題，這些問題可能是技術層面的，也可能是理論層面的。因此，快速、有效地“診斷”出問題所在，并給予學生合理的解決方案，對教師在課程內容的駕馭上提出了更高的要求。

4.3 教師隊伍建設可能無法滿足數字化實驗教學的需求

目前，很多院校都存在實驗教師資源緊張的現象，新的數字平臺的應用，雖然教師可以在網絡上對學生疑問進行解答，但依然難以有效緩解實驗教師的工作強度。另外，對于一些年紀偏大的教師，雖在傳統的教學模式中得心應手，但對于開發基于網絡的實驗軟件、實施網絡教學有可能存在一定的困難。因此，如何加強實驗教師隊伍建設，提高實驗教師專業能力也是一個亟待解決的問題。

5 結語

數字化實驗教學平臺的構建是對傳統實驗教學模式的一種改革，通過教學過程中教師與學生在教學過程中發揮作用的改變，基于網絡的資源共享的實現及多媒體交互軟件的開發，將會大大提高學生在實驗教學中的主動性與創造性。研究和探討新的面向計算機硬件課程體系的實驗教學模式和手段，利用數字化技術改進實驗教學條件，是提高計算機專業人才培養質量的一個重要且有效的途徑。作為一種行之有效的實驗教學平臺，目前我們已經完成了硬件平臺中“校內資源”模塊與“軟件教學平臺”的搭建，并在2017年度第一學期計算機科學與技術專業約300名學生中展開了測試。學生們普遍反映，該教學平臺能夠較好地調動他們的學習積極性，尤其是“理論仿真軟件”與“實物制作仿真軟件”兩個模塊對于促進他們深入理解、運用所學知識起到了非常好的推動作用；同時，在完成實驗目標的過程中，共同的目標、共同的努力以及成功所帶來的滿足感深化了學生對開展團隊合作重要性的認識，培養了他們良好的協作精神與溝通協調能力。目前，平臺構建過程中，所遇到的主要問題是系統的穩定性與學生注冊信息的安全性。在以后的工作中，我們除繼續完成“校外資源”模塊的搭建的同時，著手解決上述兩個問題，進一步提高該教學平臺的實用性。