微機(jī)接口綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容研究

摘要：本文從哈爾濱工程大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的實(shí)際建設(shè)情況出發(fā)，介紹了中心在硬件系列實(shí)驗(yàn)改革中的做法和探索，詳細(xì)闡述了對于微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)課程的具體改進(jìn)和創(chuàng)新舉措。

關(guān)鍵詞：微機(jī)；接口；實(shí)驗(yàn)；教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1新的課程體系

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁減，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，已受到歐美等發(fā)達(dá)國家的廣泛關(guān)注。針對當(dāng)今國際電子設(shè)計(jì)業(yè)界對人才培養(yǎng)能力的普遍認(rèn)同標(biāo)準(zhǔn)，必須強(qiáng)化學(xué)生嵌入式開發(fā)技術(shù)技能的培養(yǎng)?；谶@點(diǎn)考慮，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)系列實(shí)驗(yàn)課程采取了全新的層次遞進(jìn)的方式，分階段培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力特點(diǎn)。如圖1所示：

新的課程體系的特點(diǎn)是：從第四學(xué)期到第七學(xué)期硬件實(shí)驗(yàn)不斷線，層次逐步提高，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容銜接連貫；通過重組實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，構(gòu)建反映當(dāng)今計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)水平和加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的系列實(shí)驗(yàn)課程；強(qiáng)調(diào)各門課程明確分工、分層次培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立組織硬件實(shí)驗(yàn)的能力，軟件仿真驗(yàn)證能力，測量儀器使用能力；為提高教學(xué)效果，教師都認(rèn)真準(zhǔn)備，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)范例，還收到明顯成效。

為體現(xiàn)分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合性與設(shè)計(jì)性，進(jìn)一步提高學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。并有效結(jié)合學(xué)生在校所學(xué)習(xí)相應(yīng)理論知識(shí)的內(nèi)容，合理安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從時(shí)間和內(nèi)容上與理論課程相呼應(yīng)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)層次逐步提高，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容銜接連貫的目的；通過重組實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，構(gòu)建反映當(dāng)今計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)水平和加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的系列實(shí)驗(yàn)課程；強(qiáng)調(diào)各門課程明確分工、分層次遞進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立組織硬件實(shí)驗(yàn)的能力，軟件仿真驗(yàn)證能力，測量儀器使用能力；為提高教學(xué)效果，教師精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)范例。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容從初級實(shí)驗(yàn)開始，以一定的梯度逐步提升實(shí)驗(yàn)層次，最后完成設(shè)計(jì)一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)。

2新的指導(dǎo)思想

“軟硬件實(shí)驗(yàn)環(huán)境一體化、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)綜合化、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容系統(tǒng)化”是建立新的課程體系的指導(dǎo)思想。單純的軟件實(shí)驗(yàn)和單純的硬件實(shí)驗(yàn)都不利于學(xué)生軟硬件綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，傳統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)相分離的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)成為阻礙設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜大規(guī)模系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，構(gòu)建軟硬件一體化實(shí)驗(yàn)環(huán)境有利于培養(yǎng)學(xué)生軟硬件綜合素質(zhì)；綜合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以進(jìn)行多課程內(nèi)容交叉的綜合實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力；技術(shù)的進(jìn)步以及應(yīng)用需求的迅速提升推動(dòng)系統(tǒng)規(guī)模變得越來越大，功能實(shí)現(xiàn)也越來越復(fù)雜，這些都要求學(xué)生具有系統(tǒng)化設(shè)計(jì)能力，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的系統(tǒng)化有利于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)的思想和能力。

3新的教學(xué)理念

(1) 構(gòu)建國內(nèi)一流的多功能、開放型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大平臺(tái)

中心提出著力構(gòu)建多功能、開放型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大平臺(tái)的建設(shè)思路，并將這一思想確定為實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心不但要具有一流的師資隊(duì)伍、一流的辦學(xué)條件、一流的改革成果和一流的教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)還要高標(biāo)準(zhǔn)地建成多功能、開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和平臺(tái)。該平臺(tái)由通識(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分組成，通識(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以開展綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要體現(xiàn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的功能，所開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以綜合設(shè)計(jì)、自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為主。

(2) 實(shí)行針對“拔尖”學(xué)生的“個(gè)性化”培養(yǎng)模式

為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力，給“拔尖”學(xué)生提供創(chuàng)新訓(xùn)練環(huán)境與條件，中心除建有“數(shù)字邏輯與電路”、“嵌入式系統(tǒng)”、“可編程邏輯及數(shù)字系統(tǒng)”等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室外，還建有“網(wǎng)絡(luò)與信息安全實(shí)驗(yàn)室”、“軟件創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”、“嵌入式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”等創(chuàng)新訓(xùn)練環(huán)境，并相應(yīng)配備了經(jīng)驗(yàn)豐富的指導(dǎo)教師。這些實(shí)驗(yàn)室主要用于對“拔尖”學(xué)生進(jìn)行“個(gè)性化”培養(yǎng)、電子賽事培訓(xùn)及學(xué)生業(yè)余科技活動(dòng)制作。經(jīng)過此環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，學(xué)生的理論水平及實(shí)踐創(chuàng)新能力均可得到較大的提高。

4新的教學(xué)手段

為了提高教學(xué)質(zhì)量，目前中心各實(shí)驗(yàn)室都配備了多媒體投影設(shè)備，所有實(shí)驗(yàn)課都采用電子教案授課。同時(shí)，為方便實(shí)驗(yàn)室開放、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理，中心建立了計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)站，開發(fā)了實(shí)驗(yàn)室開放教學(xué)管理系統(tǒng)，各實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的CAI課件等多媒體實(shí)驗(yàn)教學(xué)材料均掛于中心網(wǎng)站上，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)習(xí)、準(zhǔn)備、下載實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和相關(guān)應(yīng)用軟件；教師可以通過網(wǎng)絡(luò)與學(xué)生開展互動(dòng)交流、成績管理等實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)；管理人員可實(shí)時(shí)掌握學(xué)生預(yù)約及上課情況。

籌劃建設(shè)網(wǎng)上計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。為了提高實(shí)驗(yàn)室的開放層次，擴(kuò)大開放的覆蓋面，利用網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)勢，為學(xué)生提供更多的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，中心積極籌劃建設(shè)網(wǎng)上計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)崿F(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的虛擬，學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)，在遠(yuǎn)程操控實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器件，并完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這一實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)為學(xué)生提供了全新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，可以充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的示范輻射作用。

5逐步完善的實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)體系

為了確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，課題組的成員編寫了《數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教材》、《計(jì)算機(jī)部件實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》、《計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》，這些教材著重強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)規(guī)則、基本實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)技巧、相關(guān)實(shí)驗(yàn)理論、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等方面的特點(diǎn)、注意事項(xiàng)和要求，其內(nèi)容豐富且前后銜接連貫，使一個(gè)個(gè)孤立的實(shí)驗(yàn)，綜合成一個(gè)知識(shí)的整體；課題組的成員準(zhǔn)備將上述教材重新整理，編輯成系列教材正式出版。這些教材和已獲校級重點(diǎn)教材由哈爾濱工程大學(xué)出版社出版的《數(shù)字電路與可編程技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程》及正準(zhǔn)備組稿的《ARM技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程》、《FPGA技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程》一起成為新實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系的重要支撐。

6微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)課程的創(chuàng)新與改革

微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)屬計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心所開設(shè)硬件系列課程體系中的提高課程。該課程是計(jì)算機(jī)本科硬件實(shí)驗(yàn)系列教學(xué)中的最后一門主干實(shí)驗(yàn)課程，是對數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)部件實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)的最終學(xué)習(xí)內(nèi)容的一次綜合應(yīng)用的檢驗(yàn)，見圖2。

目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，仍單一的停留在考核學(xué)生計(jì)算機(jī)接口課程本身的項(xiàng)目階段，多數(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目只著重于學(xué)生對已有接口知識(shí)的檢驗(yàn)。其目的是提高學(xué)生的硬件動(dòng)手能力和專業(yè)技術(shù)水平，但仍存在一定的弊端和缺陷?；诖?，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的過程中，中心在實(shí)踐中進(jìn)行了大膽的實(shí)施和探索：

(1) 采取設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和思維方式。要求學(xué)生運(yùn)用已有知識(shí)，發(fā)揮創(chuàng)造才能，設(shè)計(jì)較新穎的實(shí)驗(yàn)，選用不同電路和不同編程方法，啟發(fā)學(xué)生從不同的角度來全面地掌握微機(jī)接口知識(shí)。

首先教師誘導(dǎo)性地提出一些問題，布置學(xué)生廣開思路，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。這可以使學(xué)生課后積極思考、探究，從而達(dá)到拓寬、延伸課堂教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化教學(xué)效果的目的。

其次，由于每個(gè)學(xué)生的知識(shí)水平及認(rèn)知事物的方法和能力參差不齊，設(shè)計(jì)的方案也不盡如意，教師必須認(rèn)真檢查每個(gè)學(xué)生的設(shè)計(jì)方案，給予指導(dǎo)，使其完善?？商暨x部分優(yōu)秀方案，積極創(chuàng)造條件，讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，學(xué)生通過自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案自己動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)，可以喚起他們的學(xué)習(xí)興趣，充分挖掘?qū)W生的潛在能力，對開闊學(xué)生知識(shí)視野、培養(yǎng)學(xué)生由此及彼、由表及里、觸類旁通的微機(jī)接口思維素質(zhì)具有積極的作用。

在微機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，盡可能地不給學(xué)生所謂的“標(biāo)準(zhǔn)答案”，而是鼓勵(lì)學(xué)生大膽想象，大膽創(chuàng)新。對接口電路實(shí)行不同連接，芯片選擇不同，結(jié)果可能不同，鼓勵(lì)持不同意見者充分闡述自己的觀點(diǎn)，積極進(jìn)行爭論。因?yàn)?，只有通過爭論，才能發(fā)現(xiàn)自己的不足和別人的長處，才能對問題進(jìn)行深入的思考，才能促進(jìn)思維發(fā)生飛躍，才能得到最佳結(jié)果。如圖3所示。

(2) 分階段批次培養(yǎng)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室開放采取跳躍式選拔模式。通過微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)的基本教學(xué)環(huán)節(jié)，篩選和選拔表現(xiàn)較突出，理論知識(shí)扎實(shí)的學(xué)生進(jìn)行跳躍式培養(yǎng)。

通過實(shí)驗(yàn)室開放，提供充足的時(shí)間和空間保障，結(jié)合先進(jìn)的儀器設(shè)備提供了技術(shù)保障。接下來教師設(shè)計(jì)出盡可能多的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(目前為5-10個(gè))，鼓勵(lì)這些較優(yōu)秀的學(xué)生獨(dú)立思維和探索。

通過通過學(xué)生良好的反饋?zhàn)饔?，不斷完善和修改?shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高實(shí)驗(yàn)的靈活性和可操作性，并適當(dāng)調(diào)整綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的難度和知識(shí)覆蓋程度，進(jìn)入一個(gè)教學(xué)和實(shí)踐互相促進(jìn)的良性循環(huán)。

以教學(xué)小組為試點(diǎn)，從教師自身提高，積極開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和研究的探索。在結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，充分挖掘現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和儀器設(shè)備的最大效用空間，通過學(xué)生的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，加大改革力度，研發(fā)新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

7改革的成效

目前已完成的綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有：基于嵌入式ARM平臺(tái)的五子棋程序、觸摸評漢字輸入模塊、點(diǎn)對點(diǎn)通訊測試模塊，圖象編輯畫板等。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，培養(yǎng)一大批具有鮮明的創(chuàng)新思想，實(shí)踐能力突出的本科生同學(xué)，他們在各種全國性的嵌入式大賽中均獲得了突出的成績。

中心通過實(shí)施“個(gè)性化”培養(yǎng)、計(jì)算機(jī)軟硬件創(chuàng)新設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的開放、支持學(xué)生科技活動(dòng)等一系列措施，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)的范疇不單純拘泥于中心本身所開設(shè)的選題?！白灾鲗W(xué)習(xí)、獨(dú)立創(chuàng)新”的學(xué)研結(jié)合模式在極大程度上激發(fā)了學(xué)生的科研攻關(guān)和自我創(chuàng)新的意識(shí)。微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)的綜合性教學(xué)內(nèi)容還有待豐富和提高，這將是未來的發(fā)展方向和重點(diǎn)。相信隨著嵌入式技術(shù)的提高，產(chǎn)品性能的不斷改進(jìn)，微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)將越來越向生產(chǎn)實(shí)際傾斜，這也將是高校教學(xué)和科研的努力方向。

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