新工科背景下關(guān)于硬件電路課程的實(shí)踐教學(xué)研究

隋欣

【摘要】? ? 硬件電路課程體系是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)必修課。在新工科背景下，硬件電路課程體系的教學(xué)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。本文以硬件電路課程體系中的硬件電路設(shè)計(jì)課程為例，闡述了在新工科背景下，硬件課程的教育教學(xué)方法可以有那些改進(jìn)。并以課程中的交通燈電路設(shè)計(jì)為例，率先在課堂上進(jìn)行了教學(xué)改革的嘗試，使得學(xué)生對課堂的參與度大大提高，增強(qiáng)了動(dòng)手能力及邏輯思維能力，提高了課堂的滿意度。

【關(guān)鍵詞】? ?硬件電路? ? 教學(xué)改革? ? 數(shù)字邏輯? ? 新工科

引言：

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)迅速成為我國幾大炙手可熱的熱門專業(yè)之一。因此，由此而引發(fā)的計(jì)算機(jī)專業(yè)的在校生人數(shù)也在逐年上升。然而，隨著投入到計(jì)算機(jī)行業(yè)的人才越來越多，各行各業(yè)對計(jì)算機(jī)人才的要求也在逐年升高。自2017年始，我國各大高校掀起了一場新工科運(yùn)動(dòng)的浪潮。在新工科運(yùn)動(dòng)的背景下，社會(huì)以及高校對學(xué)生的要求發(fā)生了很大程度上的轉(zhuǎn)變。如今，在實(shí)際生產(chǎn)和生活中，人們不僅要求計(jì)算機(jī)類人才具有扎心的理論基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)，還要求大學(xué)生具有熟練的實(shí)際上手操作能力以及針對軟硬件的編程和調(diào)試能力。基于以上變化，教師的教學(xué)能力和學(xué)生的學(xué)習(xí)能力也將面臨新的變化，因此，教學(xué)改革被提上議程。

本次課題以計(jì)算機(jī)硬件課程的教學(xué)為例，進(jìn)行了新的教學(xué)模式的探索，在日常課堂教學(xué)中，加大并且深入了實(shí)踐課程的研究力度，達(dá)到實(shí)踐與理論相結(jié)合的目的，從而提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)水平。

一、硬件電路課程現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)硬件課程設(shè)計(jì)，是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)必修課，也是一門培養(yǎng)學(xué)生硬件思維和數(shù)字邏輯能力的重要課程。本門課程作為專業(yè)必修課，其前修課程有《計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ)》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《微型機(jī)接口技術(shù)》等，而這幾門課程都或多或少地存在著重理論輕實(shí)踐的基本問題，這就導(dǎo)致了學(xué)生的硬件基礎(chǔ)相對薄弱，同時(shí)對硬件課程的課程興趣度和重視度都不夠。因此，筆者將在計(jì)算機(jī)硬件電路教學(xué)中遇到的問題歸納為以下幾大類：

1.1重理論輕實(shí)踐

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件課程的教學(xué)多是以理論教學(xué)為主，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)知識(shí)點(diǎn)的理解和把握，傳統(tǒng)的教學(xué)方式也多是以教師在教室中講授為主。整體課程的設(shè)置相對枯燥，教學(xué)方法也是一成不變，少有創(chuàng)新。同時(shí)，幾門課程的銜接出現(xiàn)重復(fù)知識(shí)點(diǎn)重復(fù)講解的問題，在二進(jìn)制、組合邏輯等知識(shí)領(lǐng)域，每門課程大綱都有所涉及，令學(xué)生在重復(fù)的學(xué)習(xí)中失去新鮮感，從而對硬件課程產(chǎn)生相應(yīng)的抵觸感，學(xué)習(xí)積極性不高。

1.2理論與實(shí)踐不匹配

很多硬件課程在教學(xué)大綱設(shè)計(jì)之初沒有考慮到實(shí)踐課程的銜接，因此，實(shí)踐課程多是后期根據(jù)需求加入到課程體系中來的。這就導(dǎo)致理論課程側(cè)重于傳統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)領(lǐng)域，而實(shí)踐課程又往往和最新的實(shí)踐項(xiàng)目相結(jié)合，導(dǎo)致了理論課程和實(shí)踐課程的不對稱和不對等。學(xué)生在上實(shí)踐課程時(shí)有少許迷茫情緒。

1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊

目前實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)踐設(shè)備，多是以傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱、嵌入式開發(fā)板等為主，這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備配備的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容一成不變，與理論課中的基礎(chǔ)知識(shí)一脈相承，都是側(cè)重于基礎(chǔ)，而忽視技術(shù)的更新?lián)Q代，因此，偶有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與新進(jìn)技術(shù)脫節(jié)等問題存在。

基于對以上幾點(diǎn)現(xiàn)狀的思考和分析，結(jié)合新工科背景下行業(yè)對計(jì)算機(jī)人才的提出的更多的需求和更高的要求，本課題組對現(xiàn)有硬件課程設(shè)計(jì)課程進(jìn)行了教學(xué)改革，彌補(bǔ)了教學(xué)中存在的問題與出現(xiàn)的短板，以期培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)對新的社會(huì)需求、勝任新的技術(shù)崗位、解決新的技術(shù)難題的綜合能力。

二、硬件電路課程教學(xué)改革方法

針對上存在的問題，本課題組從計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的硬件課程設(shè)計(jì)這一門課程入手，對教學(xué)大綱、課程體系以及知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)一的整理歸納，理清各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在銜接關(guān)系，重新梳理教學(xué)大綱，改變以往的以理論授課為主，學(xué)生被動(dòng)接受的教學(xué)方式，重新找到一種以學(xué)生為主體的提高主觀能動(dòng)性的課堂形式。

課題組首先對傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)方案進(jìn)行了研討，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，普遍分為公共課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課、實(shí)踐教學(xué)課幾個(gè)大的板塊。為了讓學(xué)生能夠更好地掌握計(jì)算機(jī)硬件電路知識(shí)，課題組在專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課程中，注重前后課程的銜接，按照人才培養(yǎng)方案的要求，以我院計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)組成原理、微型機(jī)接口技術(shù)及硬件課程設(shè)計(jì)等偏硬件課程群為研究對象，相應(yīng)地調(diào)整了計(jì)算機(jī)硬件課程的教學(xué)大綱，在大綱中，著重調(diào)整了實(shí)踐課程的比例，重新設(shè)計(jì)了實(shí)踐課程的內(nèi)容，通過理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)換，來鍛煉學(xué)生的動(dòng)腦思維能力。通過讓學(xué)生嘗試著自行動(dòng)手設(shè)計(jì)電路等方式來提高學(xué)生的課堂積極性，提高學(xué)生的課堂動(dòng)手能力，提高學(xué)生的課堂參與感。

三、硬件課程設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐

在硬件電路的教學(xué)中，時(shí)常會(huì)遇到學(xué)生的理論知識(shí)已經(jīng)具備一定的基礎(chǔ)，但是輪到實(shí)際操作時(shí)，卻不知該從何處下手的困境。因此，為了減少學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)中感覺與理論脫節(jié)的迷茫感，課題組從生活中的實(shí)際案例出發(fā)，盡量尋找學(xué)生日常會(huì)經(jīng)常接觸到的并且相對比較熟悉的情景，從情境中提取相應(yīng)的數(shù)字邏輯或硬件電路等，作為本課程的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，來幫助學(xué)生將理論和實(shí)際聯(lián)系起來。

本課程以交通燈電路的設(shè)計(jì)為例，首先明確想要完成本電路需要的數(shù)字邏輯電路的知識(shí)點(diǎn)，并將知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行整合，在實(shí)踐課程開始前，將理論知識(shí)點(diǎn)通過授課的方式讓學(xué)生做到心中有數(shù)，具體內(nèi)容見表1。

由表1可見，知識(shí)點(diǎn)1、2和4的內(nèi)容屬于基礎(chǔ)知識(shí)范疇，可以將此部分理論知識(shí)于計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ)課程中進(jìn)行講授，在計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)上，完成本課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以使課程首尾銜接更加連貫，解決了學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)知識(shí)有斷層感，前后知識(shí)無法熟練運(yùn)用的困境。技能點(diǎn)3和5屬于實(shí)踐課程部分，對于同學(xué)來說相對陌生，可以在本課程的前幾個(gè)課時(shí)中向同學(xué)進(jìn)行講授，并在實(shí)驗(yàn)室中由同學(xué)親身實(shí)踐使用，熟練使用度，并將所學(xué)技能運(yùn)用到本次設(shè)計(jì)中。

3.1 實(shí)踐工具介紹

本課程使用Multisim仿真軟件來進(jìn)行硬件電路的設(shè)計(jì)。Multisim廣泛適用于板級的模擬電路板和數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入兩種輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。同學(xué)們可以利用Multisim仿真軟件交互式地搭建電路原理圖，并對電路進(jìn)行仿真，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。由于Multisim仿真軟件可以用于模擬電路和數(shù)字電路兩種電路的開發(fā)和設(shè)計(jì)工作，因此，該軟件可以普遍適用于硬件類相關(guān)課程的實(shí)踐教學(xué)，包括但不限于計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)組成原理、微型機(jī)接口技術(shù)等。

3.2 實(shí)踐教學(xué)實(shí)施

本課題組以2018級計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生為研究對象，授課班級人數(shù)為每班60人左右。因此，將學(xué)生進(jìn)行分組，每兩人為一組，由學(xué)生自行組隊(duì)。在課前，老師會(huì)將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及所用要用到的知識(shí)點(diǎn)以課堂講授的方式進(jìn)行講解，并在前序課程中讓學(xué)生熟悉Multisim仿真軟件的使用方法，做到熟練運(yùn)用。

課程開始時(shí)，會(huì)由教師將案例引入，并簡單啟發(fā)案例的分析方法及分析過程。引入工作結(jié)束后，由學(xué)生進(jìn)行課堂討論，討論內(nèi)容即為電路的具體設(shè)計(jì)方法，包括但不限于電路中使用到的數(shù)字邏輯、如何控制時(shí)長的選擇、如何完成電路的定時(shí)功能等。

在討論環(huán)節(jié)中，如果學(xué)生遇到困難或有問題解決不了，教師會(huì)及時(shí)提供給予幫助。第三階段，由小組內(nèi)部自行運(yùn)用Multisim仿真軟件繪制電路圖，在電路圖的繪制過程中，通過一邊設(shè)計(jì)一邊運(yùn)行調(diào)試的方式，來檢查電路是否能夠達(dá)到預(yù)期效果，判斷設(shè)計(jì)電路的正確與否。最后，在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，按照預(yù)先給出的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行總結(jié)和分析，達(dá)到鞏固理論知識(shí)并結(jié)合實(shí)際的目的。

四、結(jié)束語

新工科教育背景下，計(jì)算機(jī)硬件課程的教學(xué)枯燥繁瑣等問題尤為突出。在對硬件課程教學(xué)進(jìn)行了調(diào)研和探討之后，課題組選擇了硬件課程設(shè)計(jì)這門課程進(jìn)行教學(xué)改革，突出了實(shí)踐環(huán)節(jié)在教學(xué)中的作用。培養(yǎng)學(xué)生的硬件思維，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，是的理論與實(shí)踐相結(jié)合，提高學(xué)生學(xué)習(xí)硬件課程的積極性，是本次教學(xué)改革的終極目的。本論文以硬件電路設(shè)計(jì)課程中的交通燈電路設(shè)計(jì)為例，借助Multisim仿真軟件的應(yīng)用，在教學(xué)中引入現(xiàn)實(shí)生活中隨處可見的例子，通過仿真來模擬實(shí)際生活中的情況，鍛煉了學(xué)生的實(shí)際分析能力，提高了學(xué)生的課堂參與度，激發(fā)了學(xué)生的科研興趣，取得了較好的成績。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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