基于嵌入式技術(shù)的計算機(jī)接口實驗課教學(xué)改革

劉書勇　武俊鵬　張國印

文章編號：1672-5913(2009)08-0093-03

摘要：本文通過分析傳統(tǒng)計算機(jī)接口實驗教學(xué)存在的不足，對基于嵌入式技術(shù)改革實驗內(nèi)容、實驗內(nèi)容系統(tǒng)化、先進(jìn)的教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行了研究，提出了基于嵌入式技術(shù)的計算機(jī)接口實驗教學(xué)改革方案。實踐證明，新的實驗內(nèi)容加深了學(xué)生對計算機(jī)底層軟硬件的系統(tǒng)化理解，新的教學(xué)方法和教學(xué)手段提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，有利于培養(yǎng)學(xué)生較高的綜合素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)接口實驗；嵌入式技術(shù)；教學(xué)改革；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

實驗教學(xué)是大學(xué)教育中一個重要的環(huán)節(jié)，它在提高學(xué)生的求知能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、實踐能力、創(chuàng)新精神，加強(qiáng)綜合能力培養(yǎng)方面具有突出的作用，它正逐步成為一些理工科教學(xué)的核心環(huán)節(jié)。由于實驗技術(shù)的落后和教學(xué)方法跟不上技術(shù)發(fā)展的步伐，很多傳統(tǒng)的實驗已不能適應(yīng)新時代社會對人才培養(yǎng)的要求，其特點有：教學(xué)內(nèi)容陳舊，教學(xué)方法死板，缺乏培養(yǎng)綜合素質(zhì)的教學(xué)理念等。這種實驗體系很難使學(xué)生真正理解實驗所涉及知識和技術(shù)的內(nèi)涵，更不能跟上新技術(shù)發(fā)展的步伐。嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)今發(fā)展比較迅猛的新技術(shù)之一，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境使學(xué)生能夠比較直觀全面地接觸計算機(jī)系統(tǒng)的核心：微處理器、操作系統(tǒng)、接口驅(qū)動、以及應(yīng)用開發(fā)，能夠加深學(xué)生對大學(xué)階段所學(xué)到的基礎(chǔ)理論知識的理解，并有助于形成計算機(jī)科學(xué)知識體系。

1傳統(tǒng)計算機(jī)接口實驗內(nèi)容和教學(xué)方法的不足

傳統(tǒng)的計算機(jī)接口實驗大部分是基于8086系列微處理器為背景實現(xiàn)的。實驗內(nèi)容基本上是對芯片單獨編程進(jìn)行功能驗證，如三態(tài)緩沖器、鎖存器、存儲器芯片、8259、ADC、DAC、8255、8253、鍵盤和七段顯示器、8279、數(shù)字頻率計、數(shù)字波形發(fā)生器、單片機(jī)應(yīng)用小系統(tǒng)等，或者是上述幾種芯片的組合應(yīng)用。上述實驗內(nèi)容不僅難以形成系統(tǒng)化的計算機(jī)接口實驗效果，更是和計算機(jī)技術(shù)發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié)，對學(xué)生后續(xù)的工作和研究作用甚微?；谏鲜鰧嶒瀮?nèi)容很難設(shè)計出復(fù)雜大型的設(shè)計性或綜合性實驗，而驗證性實驗對于學(xué)生的能力培養(yǎng)效果很差，很難綜合應(yīng)用操作系統(tǒng)和接口驅(qū)動程序等系統(tǒng)級軟件，導(dǎo)致計算機(jī)軟件和硬件脫節(jié)，不利于對計算機(jī)形成深入系統(tǒng)的理解和掌握。

傳統(tǒng)的教學(xué)方法過于單一，實驗教學(xué)過程中，不管學(xué)生采用什么方法，做出了正確的實驗結(jié)果就可以過關(guān)，實驗過程中很少考慮對學(xué)生創(chuàng)新精神、新技術(shù)的實踐能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、語言表達(dá)能力等方面培養(yǎng)的考慮，因而不符合現(xiàn)代化建設(shè)對具備較高綜合素質(zhì)人才的要求。

2嵌入式技術(shù)作為實現(xiàn)計算機(jī)接口實驗的載體

嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)今發(fā)展迅猛的技術(shù)之一，現(xiàn)今生活中所使用的電子設(shè)備大部分都屬于嵌入式設(shè)備，如移動通信設(shè)備、數(shù)字家電、PDA、現(xiàn)代化的武器裝備等，由于嵌入式系統(tǒng)與傳統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計方法差異很大，導(dǎo)致國內(nèi)外嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才緊缺。嵌入式系統(tǒng)是專用的計算機(jī)系統(tǒng)，其系統(tǒng)軟件和外圍硬件都需要針對具體需求量體定做，因此要求開發(fā)人員熟悉系統(tǒng)底層的軟硬件系統(tǒng)和基于底層的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。

基于以上分析，選擇基于嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)計算機(jī)接口實驗的改革。首先，嵌入式系統(tǒng)屬于計算機(jī)系統(tǒng)重要的發(fā)展方向之一，其接口特性和傳統(tǒng)計算機(jī)接口特性一致，另外學(xué)生可以學(xué)習(xí)和掌握實用的計算機(jī)技術(shù)，跟上計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的潮流，所以能夠激發(fā)學(xué)生的求知欲和強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣。其次，通過對基于嵌入式系統(tǒng)的實驗設(shè)計和實現(xiàn)，可以促使學(xué)生了解計算機(jī)底層的系統(tǒng)軟硬件知識，不僅能理解和掌握計算機(jī)接口的知識，還可以促進(jìn)學(xué)生形成完整的計算機(jī)軟硬件知識結(jié)構(gòu)，這是傳統(tǒng)基于8086實驗環(huán)境所無法實現(xiàn)的。

3基于嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)化的實驗內(nèi)容

基于實驗室課程改革的指導(dǎo)思想，經(jīng)過對眾多實驗平臺的對比分析，實驗室在2005年選擇了博創(chuàng)公司的ARM3000作為計算機(jī)接口實驗開發(fā)平臺，采用ADS1.2作為開發(fā)軟件，操作系統(tǒng)根據(jù)實驗內(nèi)容分別選擇uC/OSII和uCLinux。

在第一輪實驗實踐的過程中，基本上采用博創(chuàng)公司提供的實驗內(nèi)容進(jìn)行實驗，共32學(xué)時，8個必做實驗，4個選做實驗。經(jīng)過一輪的實踐，發(fā)現(xiàn)教學(xué)效果并不理想，主要存在以下問題：

(1) 學(xué)生普遍缺乏嵌入式系統(tǒng)設(shè)計所必需的理論基礎(chǔ)。由于學(xué)校開設(shè)的理論課程還基于傳統(tǒng)的計算機(jī)原理教學(xué)內(nèi)容，例如計算機(jī)接口還是基于8086來講，缺乏嵌入式系統(tǒng)理論和基礎(chǔ)。

(2) 學(xué)生層次不一，指定的實驗內(nèi)容要求過于單一，有大部分學(xué)生不能按時完成。

(3) 部分學(xué)生相互復(fù)制源代碼，使實驗失去了真正的意義。

基于這些問題，在第二輪教學(xué)實踐過程中，實驗室對實驗內(nèi)容進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)：

(1) 首先用8個學(xué)時對學(xué)生進(jìn)行了嵌入式系統(tǒng)理論的介紹，主要分為兩部分，一是嵌入式系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)，二是嵌入式系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計方法。這8個學(xué)時是對嵌入式系統(tǒng)理論體系的濃縮，對學(xué)生學(xué)習(xí)新知識起引導(dǎo)作用。在實驗初期，由于學(xué)生缺乏嵌入式系統(tǒng)的實際設(shè)計經(jīng)驗，在每次實驗課之前，每一名學(xué)生都會得到一個基礎(chǔ)的原代碼，基于此提出此次實驗的實驗任務(wù)，而且實驗教師指出此次實驗的要點，學(xué)生可以在課下自主直觀地學(xué)習(xí)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)源代碼級的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并針對本次實驗的要求做好書面的系統(tǒng)設(shè)計，也就是實驗預(yù)習(xí)報告。

(2) 每個實驗的設(shè)計和實現(xiàn)內(nèi)容都分解為兩部分，第一部分內(nèi)容相對簡單，是第二部分的基礎(chǔ)，第二部分則是一個較完整的系統(tǒng)，這樣不同層次的學(xué)生都可以充分融入實驗。

(3) 針對第3個問題，解決的辦法關(guān)鍵在于實驗課教師，要求教師對實驗內(nèi)容熟悉，在實驗驗收時，不能僅查看實驗結(jié)果，必須對每一名學(xué)生就該實驗的關(guān)鍵點提出不同側(cè)面的問題，如果該學(xué)生能回答出來，即使是抄襲別人的源代碼，也說明他已經(jīng)理解和掌握了該項實驗的內(nèi)容，達(dá)到了實驗課的預(yù)期目的。為了鼓勵每個實驗小組自主設(shè)計和實現(xiàn)新穎的實驗內(nèi)容，在實驗成績評判時設(shè)置了相關(guān)的創(chuàng)新加分標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)過了第二輪和第三輪的教學(xué)實踐，實驗室形成了系統(tǒng)化的接口實驗內(nèi)容(如表1所示)。

表1系統(tǒng)化的計算機(jī)接口實驗內(nèi)容

表1中，第6個實驗需要用到第5個實驗的內(nèi)容，第7個實驗也需要用到第5個實驗內(nèi)容，第8個實驗則需要用到第4、5、6、7的實驗內(nèi)容，這樣到了最后一個實驗，可以把前面所有的實驗內(nèi)容融為一體，既可以鞏固前面所實踐的內(nèi)容，又可以形成一個較系統(tǒng)的實驗。

另外，我們還通過加分的方式來鼓勵學(xué)生在完成每個實驗內(nèi)容的前提下積極擴(kuò)展實驗內(nèi)容。因為所有的必做實驗的總成績只有90分，學(xué)生如果想要得到優(yōu)秀的成績，必須自主擴(kuò)充實驗內(nèi)容，通過加分達(dá)到優(yōu)秀，這樣可以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的目的。

4教學(xué)方法改革和先進(jìn)的教學(xué)手段

圍繞實驗教學(xué)“加強(qiáng)實踐實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力”這一目標(biāo)，經(jīng)過兩年多的改革與探索，我們逐漸形成了一些體現(xiàn)新型教育教學(xué)理念、行之有效的教學(xué)方法與手段。在教學(xué)方法上，任課老師選擇切合課程特點、學(xué)生特點和自身特點的教學(xué)方法，體現(xiàn)了“以學(xué)生為主導(dǎo)”的新型的教育教學(xué)理念。在教學(xué)手段上，學(xué)院充分發(fā)揮計算機(jī)專業(yè)在信息技術(shù)方面的獨特優(yōu)勢，大力倡導(dǎo)以現(xiàn)代教育技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)為基礎(chǔ)的先進(jìn)教學(xué)手段的運用。

4.1教師指導(dǎo)與學(xué)生自主相結(jié)合

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)是以輔導(dǎo)為主，在給定實驗器材，給定實驗電路的前提下，學(xué)生搭建電路進(jìn)行驗證實驗，驗證理論課學(xué)習(xí)的理論知識。隨著實驗教學(xué)改革的不斷深入，特別是為了適應(yīng)培養(yǎng)創(chuàng)新人才的需要，驗證型實驗已逐漸退出歷史舞臺，綜合設(shè)計型實驗已占主體，實驗內(nèi)容和難度也在逐步提高。學(xué)生在設(shè)計實驗任務(wù)時，會遇到越來越多的問題，特別是理論課程無法交待清楚，甚至沒有相應(yīng)的理論課支撐的知識。時代的發(fā)展和市場的需要要求我們改變原來的以輔導(dǎo)為主的實驗教學(xué)模式，采取以指導(dǎo)為主的實驗教學(xué)模式，指導(dǎo)學(xué)生理解相關(guān)的理論知識，新的沒有理論課做支撐的知識則采取集中講授以及自我學(xué)習(xí)的方式，保證學(xué)生在實驗理論、實驗方法等方面知識的及時獲取。指導(dǎo)與自主學(xué)習(xí)相結(jié)合的教學(xué)方式，加強(qiáng)了教師與學(xué)生之間的交流和溝通，使得教與學(xué)之間更加融洽，使得學(xué)生對相關(guān)理論及實驗技能的學(xué)習(xí)和掌握更加容易，新的符合需要的實驗改革更加便利，實驗教學(xué)水平和質(zhì)量得到提高。

4.2網(wǎng)絡(luò)預(yù)約的實驗“三開放”模式運用

學(xué)院在全校率先實行了實驗室開放，所有實驗室都全天候地對學(xué)生全方位的開放，并采取了網(wǎng)上預(yù)約選課的開放模式，實現(xiàn)了時間、內(nèi)容、實驗器材上的“三開放”。為配合實驗室開放，學(xué)院組織教師開發(fā)了用于實驗室開放的選課系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容、預(yù)約實驗、刷卡進(jìn)入實驗室，教師對實驗管理、成績評定、信息發(fā)布均通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。這一措施的實施對提高實驗室的開放效率起到了至關(guān)重要的作用，大大提高了實驗設(shè)備的利用率，減輕了由開放而為實驗教師和實驗室管理人員所帶來的負(fù)擔(dān)，為實驗室的健康有序開放奠定了基礎(chǔ)。

4.3現(xiàn)代化實驗教學(xué)手段的運用

為提高教學(xué)質(zhì)量，各實驗室都配備了多媒體教學(xué)系統(tǒng)，所有實驗課程都采用了電子教案授課。同時，為方便實驗室開放、實驗教學(xué)管理，學(xué)院建立了計算機(jī)實驗教學(xué)中心網(wǎng)站，開發(fā)了實驗室開放教學(xué)管理系統(tǒng)，實驗課程的CAI課件、電子教案等實驗教學(xué)材料均掛在此網(wǎng)站上，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)下載獲得相應(yīng)的實驗內(nèi)容和配套軟件，可以自主的進(jìn)行實驗的預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備。通過此網(wǎng)絡(luò)平臺，實驗教師可以與學(xué)生開展互動交流、成績管理等教學(xué)活動，實驗管理人員也可以實時掌握學(xué)生預(yù)約及上課情況。

4.4 “3+5+2”實驗成績考核方式

由于實驗內(nèi)容和實驗方法的多樣性，決定了考核方式的多樣化，但總的原則都是使考核方式能真實地反映學(xué)生的理論水平和實驗技能水平。我們的考核方式是把學(xué)生在每一個實驗環(huán)節(jié)的表現(xiàn)都作為期末考核的一部分，稱之為“3+5+2新型實驗成績考核方式”，取得了良好的效果。其突出特點在于：

4.4.1突出預(yù)習(xí)在實驗教學(xué)中的作用

實驗教學(xué)要求理論與實踐結(jié)合特別緊密，所以學(xué)生充分理解和掌握相關(guān)的理論知識對其實驗設(shè)計和實驗操作都是至關(guān)重要的，因此預(yù)習(xí)就成為實驗教學(xué)中十分重要的環(huán)節(jié)。教師通過學(xué)生的預(yù)習(xí)報告了解學(xué)生理論知識掌握的情況和完成設(shè)計任務(wù)的情況，教師根據(jù)預(yù)習(xí)報告反映出的問題，對于共性問題教師在實驗前給予提示性講解，使教與學(xué)之間及時充分溝通。通過預(yù)習(xí)報告反映出的預(yù)習(xí)成績，占總成績的30%，預(yù)習(xí)報告作為參加實驗的必要條件，不做預(yù)習(xí)報告，不得參加實驗，從而使學(xué)生重視預(yù)習(xí)，教師通過預(yù)習(xí)報告，使實驗指導(dǎo)更有針對性，從而提高了實驗教學(xué)質(zhì)量。

4.4.2強(qiáng)調(diào)實驗操作和數(shù)據(jù)的收集是實驗教學(xué)的中心環(huán)節(jié)

實驗操作和實驗數(shù)據(jù)的收集是實驗教學(xué)的中心環(huán)節(jié)，其占總成績的50%，不參加此環(huán)節(jié)的學(xué)生，此次實驗課成績?yōu)椴患案?。在這個環(huán)節(jié)中，對學(xué)生的動手能力進(jìn)行全面的考核，包括：是否遵守實驗規(guī)則、分析問題解決問題能力、對理論設(shè)計的實現(xiàn)能力和實現(xiàn)的熟練程度、語言表達(dá)能力等。為了鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力，要求學(xué)生自由組合，兩人成立一個實驗小組，自主分工協(xié)作，但是在驗收實驗的時候，小組的兩名學(xué)生必須分別介紹自己的工作內(nèi)容，并分別打分。

4.4.3提出實驗報告應(yīng)作為實驗成果的總結(jié)

實驗報告作為實驗成果的總結(jié)，占總成績20%，反映學(xué)生對科學(xué)實驗的概括總結(jié)能力。

“3+5+2”考核方式增強(qiáng)了教師和學(xué)生對實驗課程的重視，提高了實驗教學(xué)質(zhì)量，但給實驗教師實施考核帶來很大的工作量。為解決此問題，我們編制了實驗考核成績軟件，只要把預(yù)習(xí)報告、實驗報告的成績，和實驗過程中每項能力的等級輸入微機(jī)，該軟件將自動給出綜合成績。該考核方式從經(jīng)過兩年多的實踐，取得良好的效果，后續(xù)課程教師普遍反映學(xué)生的實踐能力有了很大的提高?，F(xiàn)在學(xué)院已在所有的專業(yè)基礎(chǔ)實驗課中采用了這種考核方式。

5總結(jié)

教學(xué)改革對于培養(yǎng)高素質(zhì)人才、創(chuàng)建一流大學(xué)是必須的。我們已經(jīng)基本完成了接口實驗教學(xué)的改革，并經(jīng)過了3輪的教學(xué)實踐，學(xué)生在實驗過程中的積極性很高，大部分學(xué)生的實踐能力得以提高，學(xué)生之間的協(xié)作能力得以增強(qiáng)，創(chuàng)新意識普遍加強(qiáng)。很多學(xué)生通過計算機(jī)接口實驗課程中所學(xué)到的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計知識，找到了理想的工作(如IBM、Intel、微軟、百度等公司)。還有很多學(xué)生通過進(jìn)一步的深入學(xué)習(xí)和實踐，參加了大學(xué)生創(chuàng)新競賽并獲佳績，最終保研。

實踐證明，成功的教學(xué)改革有一些必備的條件，其中主要包括：教師必須擁有較新的知識體系和實際的項目開發(fā)經(jīng)驗；要有不斷更新知識的能力；有根據(jù)實際教學(xué)過程中出現(xiàn)的不可預(yù)知問題進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容調(diào)整的能力；有靈活科學(xué)的教學(xué)方法；有培養(yǎng)高素質(zhì)人才的意識和敬業(yè)精神。

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