基于案例項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動的計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)踐教學(xué)

摘要：針對傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐課程多以驗(yàn)證和演示性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生綜合創(chuàng)新能力無法有效發(fā)揮的教學(xué)現(xiàn)狀，提出一種基于案例項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動的計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)踐教學(xué)方法。該方法結(jié)合案例教學(xué)、項(xiàng)目和任務(wù)驅(qū)動各自的優(yōu)點(diǎn)，以“實(shí)際案例”、“具體項(xiàng)目和任務(wù)”驅(qū)動學(xué)生建構(gòu)和內(nèi)化知識結(jié)構(gòu)體系，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動性和綜合創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐教學(xué)；案例項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動；創(chuàng)新能力

為培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才，提高學(xué)生創(chuàng)新能力和就業(yè)競爭力，各大高校都非常重視實(shí)踐教學(xué)，并將其課時設(shè)置大幅提升，在有些高校中甚至已經(jīng)超過了理論教學(xué)課時量，同時學(xué)校在科研和設(shè)備投入方面也給予了大量傾斜。但受傳統(tǒng)教學(xué)理念的影響，實(shí)踐課程的設(shè)置過分依賴?yán)碚摻虒W(xué)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容仍以驗(yàn)證性和演示性實(shí)驗(yàn)為主，教師在實(shí)踐教學(xué)過程中處于中心地位，學(xué)生被動地跟隨教師的思路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方法和技能的學(xué)習(xí)。因此，學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)新能力難以有效發(fā)揮。

計(jì)算機(jī)硬件課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)的重要分支，是軟件課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，對學(xué)生實(shí)際動手能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著舉足輕重的作用。鑒于計(jì)算機(jī)硬件課程本身的復(fù)雜性，學(xué)生在硬件實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)中存在著畏難情緒，同時硬件實(shí)踐教學(xué)改革滯后，教學(xué)方法陳舊，實(shí)踐課程與快速的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié)，學(xué)生對計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐課程學(xué)習(xí)的主觀能動性不夠，學(xué)習(xí)效果不佳，為此筆者探討案例項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法在計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生重視硬件課程，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，切實(shí)地提高學(xué)生實(shí)際動手能力、創(chuàng)新意識和就業(yè)核心競爭力。

1、基于案例項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法

案例教學(xué)法基于啟發(fā)式教學(xué)理念，寓教學(xué)內(nèi)容和知識點(diǎn)于具體案例，結(jié)合典型案例的剖析，引導(dǎo)學(xué)生主動解決案例所遇到的問題，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動性。項(xiàng)目教學(xué)法則是依托實(shí)際項(xiàng)目，融教學(xué)知識點(diǎn)于具體項(xiàng)目，學(xué)生在完成項(xiàng)目的過程中，學(xué)習(xí)教學(xué)大綱中設(shè)置的知識點(diǎn)，由于項(xiàng)目完成需要小組人員的通力合作，利于增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識，提高其自主創(chuàng)新能力。而任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法是以學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體，結(jié)合自己分擔(dān)任務(wù)模塊的完成，建構(gòu)知識體系，極大地發(fā)揮了學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動性。上述3種教學(xué)方法已在當(dāng)前教學(xué)實(shí)踐中獲得了良好的教學(xué)效果，但多以單一課程作為研究對象，教學(xué)方案設(shè)計(jì)過分依賴所選案例、項(xiàng)目和任務(wù)，且教學(xué)內(nèi)容與設(shè)計(jì)案例、項(xiàng)目和任務(wù)嚴(yán)重脫節(jié)，影響了教學(xué)方法的效果。同時3種教學(xué)方法在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和發(fā)揮學(xué)生主觀能動性等方面各有側(cè)重，為此，筆者以計(jì)算機(jī)硬件課程系統(tǒng)為研究對象，融3種教學(xué)方法于一體，以學(xué)生喜聞樂見的“案例”為“引導(dǎo)”，以“實(shí)際項(xiàng)目”為“主線”，寓課程知識點(diǎn)于項(xiàng)目實(shí)施的每個任務(wù)模塊，“驅(qū)動”學(xué)生在完成任務(wù)的同時，建構(gòu)理論體系。

2、基于案例項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐課程的實(shí)施

2.1 計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化設(shè)置

計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程主要有“模擬電路”、“數(shù)字電路”、“計(jì)算機(jī)組成原理”、“微型計(jì)算機(jī)原理”、“單片機(jī)原理及應(yīng)用”以及“嵌入式系統(tǒng)”等。由于課程之間在內(nèi)容上存在交叉部分，我們需要深入分析和研究計(jì)算機(jī)硬件課程的教學(xué)任務(wù)，按照硬件課程體系培養(yǎng)能力結(jié)構(gòu)的要求，優(yōu)化整合硬件課程實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容，將其分為電子技能訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容、單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容3個部分，而每個部分又可分為驗(yàn)證性、綜合性和創(chuàng)新性3個層次。

電子技能訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容是計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)，主要以驗(yàn)證性和綜合性試驗(yàn)為主，通過驗(yàn)證性試驗(yàn)鞏固深化教學(xué)內(nèi)容。綜合性試驗(yàn)則是以學(xué)生熟知的案例（如設(shè)計(jì)系統(tǒng)電源、放大電路以及信號采集調(diào)理電路等）驅(qū)動學(xué)生綜合解決系統(tǒng)級任務(wù)課題，提高學(xué)生綜合解決問題的能力。實(shí)踐教學(xué)平臺包括基于Proteus仿真試驗(yàn)平臺和自主性創(chuàng)新試驗(yàn)平臺2種類型，其中基于Proteus仿真試驗(yàn)平臺用于模擬電子電路運(yùn)行機(jī)理，驗(yàn)證和鞏固課堂教學(xué)知識點(diǎn)；而自主性創(chuàng)新試驗(yàn)平臺是在教師引導(dǎo)下，學(xué)生自主搭建電子線路，從而加深其對課堂知識點(diǎn)的理解，提高其動手能力，激發(fā)學(xué)生的科研探究興趣。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容多以綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)為主，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包含處理器設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面，采用基于EDA試驗(yàn)平臺和自主性創(chuàng)新試驗(yàn)平臺2種類型。其中基于EDA試驗(yàn)平臺的實(shí)驗(yàn)主要用于訓(xùn)練學(xué)生自主設(shè)計(jì)CPU的能力，強(qiáng)化其計(jì)算機(jī)底層理論體系，以便使學(xué)生建立整機(jī)的概念，優(yōu)化軟件編程效率。創(chuàng)新性試驗(yàn)平臺則是基于實(shí)際的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由學(xué)生自主地完成某一控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，深化學(xué)生理解計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程的重要性，激發(fā)學(xué)生對計(jì)算機(jī)硬件專業(yè)課程學(xué)習(xí)興趣。

單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容主要以自主性創(chuàng)新試驗(yàn)為主，主要是對計(jì)算機(jī)硬件課程知識體系的綜合檢測。其試驗(yàn)平臺多以教師實(shí)際承擔(dān)的科研項(xiàng)目和電子設(shè)計(jì)大賽題目為主，項(xiàng)目具有較強(qiáng)的時效性和復(fù)雜性特點(diǎn)，易于提高學(xué)生參與課題的主觀能動性，可作為計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐課程的項(xiàng)目資源。學(xué)生在教師的任務(wù)分配下，獨(dú)立完成自己所承擔(dān)的任務(wù)，在任務(wù)完成過程中建構(gòu)自己的知識體系。

2.2 項(xiàng)目資源的優(yōu)化選擇

計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目資源的選擇應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力為首要目的。所選項(xiàng)目應(yīng)盡量涵蓋教學(xué)大綱要求內(nèi)容，同時項(xiàng)目還需具備一定的難度和時效性。為此，我們必須深入分析計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，獲取相關(guān)知識點(diǎn)，并將其融于項(xiàng)目實(shí)施過程，使學(xué)生在解決項(xiàng)目實(shí)施過程中所遇到的問題時，掌握和深化課程知識點(diǎn)。

項(xiàng)目資源優(yōu)化選擇的原則有3個：①鑒于計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容由電子技能訓(xùn)練內(nèi)容、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容和單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容3部分組成，項(xiàng)目資源需融合上述3種教學(xué)內(nèi)容所涉及知識點(diǎn)，并充分涵蓋相關(guān)教學(xué)內(nèi)容；②項(xiàng)目資源內(nèi)容需緊跟信息技術(shù)的發(fā)展方向，應(yīng)有較強(qiáng)的時效性，易于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；③項(xiàng)目在實(shí)施過程中所遇到的問題難度應(yīng)適中，最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果要明顯，易于激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的成就感。

我們以單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容為例說明項(xiàng)目資源優(yōu)化選擇原則。項(xiàng)目資源選擇“基于單片機(jī)的智能車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”，包括軟、硬件2部分，其中硬件部分包括了電源部分、硬件濾波部分、信號采集調(diào)理放大部分、數(shù)模轉(zhuǎn)換部分、控制電路部分等電子電路部分，基本涵蓋了模擬電路和數(shù)字電路的基本教學(xué)知識點(diǎn)；軟件部分涵蓋了定時器控制、中斷應(yīng)用、鍵盤使用、AD轉(zhuǎn)換等，基本涵蓋了微機(jī)原理和單片機(jī)原理的相關(guān)知識內(nèi)容，且相關(guān)知識點(diǎn)均為硬件課程教學(xué)內(nèi)容的基本知識點(diǎn)，難度適中。通過項(xiàng)目的實(shí)施，智能車可實(shí)現(xiàn)快速避障運(yùn)行，易于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。智能車快速避障功能是智能機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，具有強(qiáng)烈的時代背景。此項(xiàng)目的開發(fā)經(jīng)歷，對于學(xué)生就業(yè)以及進(jìn)一步深造都具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

2.3 實(shí)踐案例的合理剖析

項(xiàng)目分解要注意與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，分解后的案例模塊在功能上要保持一定的完整性，且各模塊之間具有一定的漸進(jìn)性、擴(kuò)展性，這樣可逐步引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，避免產(chǎn)生畏懼和抵觸情緒。我們需要針對每一個案例模塊，進(jìn)行有效地評價和優(yōu)化，分析每個案例模塊所運(yùn)用的知識點(diǎn)、用到或可能替代的相關(guān)算法以及相關(guān)聯(lián)的案例模塊等，并實(shí)現(xiàn)和演示。

我們以“基于單片機(jī)的智能車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”為例，說明實(shí)踐案例剖析過程?！盎趩纹瑱C(jī)的智能車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”可分解成：智能車系統(tǒng)的電源模塊、智能車系統(tǒng)信號調(diào)理模塊、智能車系統(tǒng)顯示模塊、智能車系統(tǒng)速度控制模塊、智能車系統(tǒng)循跡模塊和智能車紅外避障控制模塊等典型案例。上述案例直接由實(shí)際智能車系統(tǒng)分解而成，功能上具有完整性，難度逐步加大，具有一定漸進(jìn)性，且各案例均涉及計(jì)算機(jī)硬件課程相關(guān)知識點(diǎn)，譬如智能車紅外避障控制模塊包括硬件電子電路和軟件設(shè)計(jì)部分，硬件電子電路設(shè)計(jì)部分還有模擬電子的信號推挽放大電路、12C總線擴(kuò)展、中斷硬件電路設(shè)計(jì)等，軟件設(shè)計(jì)部分包括數(shù)字濾波設(shè)計(jì)信號、定時器設(shè)定控制周期、中斷避障判定等。這樣，一個案例就涉及了計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程的相關(guān)知識點(diǎn)，便于學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中，強(qiáng)化理論知識的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

2.4 具體任務(wù)分配

案例剖析完畢后，我們必須指導(dǎo)學(xué)生將所選項(xiàng)目分解成相應(yīng)的任務(wù)，使其與案例密切相關(guān)，并通過“模仿”、利用教學(xué)資源等學(xué)習(xí)方式完成任務(wù)，同時引導(dǎo)學(xué)生按照課堂上的案例步步深入，每完成一個任務(wù)，就將該任務(wù)“組裝”進(jìn)來，最終“組裝”成一個完整的項(xiàng)目應(yīng)用程序。結(jié)合“基于單片機(jī)的智能車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”剖析完成的案例，以任務(wù)的形式下達(dá)給各試驗(yàn)小組，分別用相關(guān)案例給各實(shí)驗(yàn)小組分配相關(guān)任務(wù)，因此會有智能車電源模塊實(shí)驗(yàn)小組、智能車系統(tǒng)信號調(diào)理實(shí)驗(yàn)小組、智能車系統(tǒng)顯示實(shí)驗(yàn)小組、智能車系統(tǒng)速度控制實(shí)驗(yàn)小組、智能車系統(tǒng)循跡控制實(shí)驗(yàn)小組以及智能車紅外避障控制實(shí)驗(yàn)小組。各小組人員的具體任務(wù)進(jìn)一步被分解，使得每一個學(xué)生都承擔(dān)一定的具體任務(wù)。每位學(xué)生的責(zé)任明確，自己任務(wù)的完成都是項(xiàng)目完成必不可少的部分，使每位學(xué)生充分意識到團(tuán)隊(duì)合作的重要性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性和創(chuàng)新能力。

2.5 客觀評價體系的優(yōu)化設(shè)置

具體任務(wù)下達(dá)以后，學(xué)生便進(jìn)入動手操作環(huán)節(jié)，充分地發(fā)揮了學(xué)生的主體能動作用。為有效防止學(xué)生任務(wù)完成過程中出現(xiàn)困惑和畏難情緒，教師需要做好正確的引導(dǎo)，但必須時刻堅(jiān)持“學(xué)生為主導(dǎo)”的教學(xué)理念，僅需在解決途徑和思路上給予指導(dǎo)。學(xué)生在具體任務(wù)完成過程中建構(gòu)自己的理論體系。項(xiàng)目完成時，每位同學(xué)需對自己所完成的任務(wù)進(jìn)行總結(jié)和評價，并接受教師和學(xué)生的提問，教師做出點(diǎn)評。各實(shí)驗(yàn)小組都要對自己所承擔(dān)的任務(wù)進(jìn)行評價，這不僅對目標(biāo)達(dá)成的結(jié)果作出判斷，還對小組成員目標(biāo)達(dá)成的情況作出分析評價。學(xué)生通過參與自己學(xué)習(xí)成果的評價，認(rèn)識到自己的智力潛能，利于激發(fā)學(xué)生的科研熱情。教師依據(jù)各小組評價、任務(wù)完成過程、設(shè)計(jì)方案、調(diào)試過程、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等部分，按一定的比例計(jì)算出學(xué)生最終的考評成績。

3、結(jié)語

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐課程引入了“案例項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動”的教學(xué)理念。筆者系統(tǒng)研究了計(jì)算機(jī)硬件課程的教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)課程設(shè)置層次將計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐課程設(shè)置為電子技能訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容、單片機(jī)與嵌入系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容3部分，并結(jié)合“基于單片機(jī)的智能車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”進(jìn)行項(xiàng)目選擇、案例剖析和任務(wù)分配，給出了基于案例項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動實(shí)踐教學(xué)過程的項(xiàng)目選擇、具體案例剖析、任務(wù)分配以及評價體系的原則和設(shè)計(jì)理念。該教學(xué)方法具有寓教學(xué)知識點(diǎn)于具體項(xiàng)目實(shí)施中，學(xué)生任務(wù)明確，案例背景明確，具有較強(qiáng)的時效性以及優(yōu)化的評價體系等優(yōu)點(diǎn)，極大地調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)生綜合知識的運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力，提升了學(xué)生就業(yè)的核心競爭力。