“項目驅(qū)動”實踐教學(xué)法在計算機接口課程群中的應(yīng)用

王曉曄, 溫顯斌, 肖迎元

(天津理工大學(xué) 計算機與通信工程學(xué)院 天津市智能計算及軟件新技術(shù)重點實驗室， 天津 300384)

0 引 言

在培養(yǎng)高等院校學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力中，實踐教學(xué)是一個非常重要的手段，近幾年來,各高校以“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”為教學(xué)目標(biāo)，改革工程人才培養(yǎng)的傳統(tǒng)模式，以適應(yīng)日益發(fā)展的工程型人才的需求。

計算機接口課程群是電子信息類專業(yè)非常重要的課程[1]，主要包括“接口技術(shù)與匯編語言”、“計算機控制技術(shù)”、“微機原理與接口技術(shù)”、“單片機”、“嵌入式”等課程以及若干實踐環(huán)節(jié)，根據(jù)各高校的培養(yǎng)計劃不同，所選課程略有差別。這些課程的應(yīng)用性和實踐性很強，是培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力的一個重要載體。但是目前傳統(tǒng)的教學(xué)模式教學(xué)內(nèi)容單一，工程背景不強，綜合訓(xùn)練程度不夠，造成學(xué)生對計算機接口類技術(shù)理解不透徹，實踐動手能力普遍較弱，難于符合“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的培養(yǎng)目標(biāo)[2-4]。如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，強化接口類課程的工程應(yīng)用能力，成為當(dāng)前計算機接口類課程實踐教學(xué)改革中一個亟待解決的問題。

目前計算機接口類課程在實踐教學(xué)中存在的問題主要有：① 計算機接口類課程內(nèi)容繁多，概念抽象，傳統(tǒng)的教學(xué)方法偏重于知識的傳授，學(xué)生被動接收知識，大腦容易疲勞，學(xué)習(xí)效率低下，達不到“培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力”的教學(xué)目的，必須進行改革。② 實踐教學(xué)所用的實驗平臺硬件線路比較固定，設(shè)計方案針對性強，實驗內(nèi)容受硬件設(shè)計的制約[5]，實驗內(nèi)容的擴展很受局限，如果要開設(shè)自主性、開放性和綜合性的實驗項目，需要進行很大的硬件投入和實驗器件的消耗，對實驗經(jīng)費的需求量比較大。③ 當(dāng)前計算機相關(guān)專業(yè)的教學(xué)中普遍存在“重軟輕硬”的現(xiàn)象，軟件教學(xué)只需要一臺電腦和相關(guān)軟件，就可以完成各種教學(xué)需求，對硬件的需求低，設(shè)備使用周期長，實踐教學(xué)實施起來相對容易。而硬件知識的信息存儲和傳遞都是在設(shè)備內(nèi)部完成的，不直觀，老師講述起來比較抽象。造成目前計算機專業(yè)教育普遍存在重視軟件輕視硬件的急功近利的傾向。

這些問題抑制了學(xué)生學(xué)習(xí)計算機接口課程群的主動性，如果將所學(xué)知識與其在實際工作當(dāng)中的應(yīng)用相結(jié)合，使學(xué)生提前了解生產(chǎn)過程中的真實需求，及時參與企業(yè)的實習(xí)，不但能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且能夠使學(xué)生在學(xué)習(xí)中有的放矢。實際上，日常生活及生產(chǎn)中涉及到微機接口應(yīng)用的方面很多，如農(nóng)業(yè)自動化、公共汽車收費系統(tǒng)、智能儀器儀表等應(yīng)用不勝枚舉，通過科學(xué)的選擇和設(shè)計相關(guān)的應(yīng)用項目，以項目為驅(qū)動講授課程，將會大大激發(fā)學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣，參與實際項目的經(jīng)驗也會在學(xué)生的求職過程中起到重要的支撐作用[6-8]。

1 教學(xué)改革目標(biāo)與措施

1.1 改革目標(biāo)

通過“項目驅(qū)動”教學(xué)法的研究和探索，從本質(zhì)上改變傳統(tǒng)教學(xué)方法中忽視實踐環(huán)節(jié)、內(nèi)容單一、工程背景不強等缺點，在學(xué)校課堂上就能夠滿足企業(yè)在招聘中經(jīng)常開出的 “參與過項目開發(fā)”的條件，增加了學(xué)生的工程應(yīng)用背景，為學(xué)生的就業(yè)打好基礎(chǔ)[9]。

1.2 構(gòu)建多層次實踐教學(xué)體系

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，項目驅(qū)動法的實踐教學(xué)體系循序漸進地設(shè)計實驗項目，實踐項目涉及專業(yè)認識實習(xí)、課內(nèi)實驗、綜合實訓(xùn)、開放選修實驗等多個教學(xué)環(huán)節(jié)。表1列出了微機接口類課程的實踐教學(xué)體系。

表1 微機接口類課程的實踐教學(xué)體系

1.3 項目的設(shè)計與管理

1.3.1項目設(shè)置

為了提高學(xué)生的工程背景知識，需要安排有效的實際開發(fā)項目，這就需要授課教師多與企業(yè)接觸合作，設(shè)計出簡化的但仍具有實際意義的項目，同時這些項目又具有一定的趣味性，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

在“項目驅(qū)動”的教學(xué)中，項目是整個課程的核心內(nèi)容[10-14]，因此項目設(shè)計是要解決的關(guān)鍵問題，項目的合理與否將直接影響到最終教學(xué)效果，項目的設(shè)計應(yīng)該緊扣教學(xué)內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力為出發(fā)點，根據(jù)所講授內(nèi)容的深度，擬定出切實可行的項目。

在傳統(tǒng)的計算機接口課程群的教學(xué)中，由于要解決的實驗問題比較簡單，學(xué)生經(jīng)常忽視項目的開發(fā)過程，總是直接畫電路圖和寫代碼，然后再補充文檔甚至不寫文檔，因此如何規(guī)范學(xué)生的項目開發(fā)流程是做好“項目驅(qū)動”教學(xué)的關(guān)鍵。

因此我們設(shè)定一個項目開發(fā)流程(見圖1)，用以支持項目開發(fā)過程，這一框架在較高的層面列舉了相關(guān)的活動內(nèi)容，它包括了項目相關(guān)的領(lǐng)域知識、啟發(fā)式的開發(fā)策略、控制策略和學(xué)習(xí)策略等[4，15]。所有項目按照此流程框架開發(fā)設(shè)計，可以大大降低教師的工作量。

1.3.2項目設(shè)計的目標(biāo)

項目主要培養(yǎng)以下幾方面的工程訓(xùn)練能力：① 專業(yè)理論知識的掌握與運用。② 專業(yè)技術(shù)資料的收集、閱讀、綜述整理能力。③ 計算機接口課程群的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試能力。④ 使學(xué)生對自己將要從事的工作過程有詳細的了解。⑤ 了解實際項目的開發(fā)流程，熟悉常用的開發(fā)工具和相關(guān)的儀器儀表，使學(xué)生充分體驗從產(chǎn)品設(shè)計到成品的全過程。⑥ 提高學(xué)生之間的技術(shù)交流、團隊合作和撰寫技術(shù)文檔等的技能。

1.3.3項目設(shè)計原則

由于當(dāng)前大學(xué)生普遍存在動手能力差、合作意識不強等弱點，因此項目的設(shè)計要采取循序漸進的原則，從最初的單人項目、雙人項目到團隊項目，逐漸增強學(xué)生的動手能力和合作意識，不能急于求成。

單人項目主要進行專業(yè)認識實習(xí)和課內(nèi)實驗，測試用例程序或電路設(shè)計，實踐初級的項目管理工具和操作流程。

雙人項目主要合作完成一些綜合性實踐活動，練習(xí)各種功能模塊的軟硬件設(shè)計，主要達到提高交流和合作能力的目的。涉及內(nèi)容包括結(jié)對編程、不同模塊之間的接口設(shè)計、電路和代碼的審查、人機界面的設(shè)計等，使得學(xué)生能夠有機會了解不同層次的編程語言和硬件電路的設(shè)計實現(xiàn)。

有雙人項目的合作基礎(chǔ)后，可進行團隊項目設(shè)計，采用工業(yè)界普遍使用的項目小組開發(fā)模式，要求學(xué)生6～8人分成小組。項目開始階段，教師起主導(dǎo)作用，通過與學(xué)生充分的交流和探討幫助他們完成早期的調(diào)研和總體方案的確定；項目的中期階段，教師的作用逐漸變成小組內(nèi)部的協(xié)調(diào)和引導(dǎo)；進入項目的后期，教師主要檢查項目的進展情況，針對項目開發(fā)過程中的難點問題進行指導(dǎo)和解答，幫助學(xué)生共同尋找答案。

1.3.4項目評估體系

項目的評估是關(guān)系到“項目驅(qū)動”教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。因此設(shè)計出一套行之有效的項目評估體系，使得評估結(jié)果即能夠體現(xiàn)項目的完成質(zhì)量，又能夠體現(xiàn)學(xué)生的知識積累情況和學(xué)生之間的協(xié)作精神。

項目的評估體系同企業(yè)的評估方式類似，包括客觀評估和主觀評估兩部分內(nèi)容，主觀評估根據(jù)每個階段的工作效果進行評估，評估內(nèi)容主要包括：需求分析與調(diào)研、系統(tǒng)總體方案設(shè)計、硬件電路調(diào)試、軟件編程與調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和資料歸檔等階段的工作。主觀評估主要包括小組內(nèi)部的協(xié)作開發(fā)能力、每個小組成員的參與程度、項目開發(fā)成果的評定，通過項目評估實現(xiàn)對實際開發(fā)項目的模擬跟蹤。

2 開放式硬件實驗平臺設(shè)計

為了更好地實現(xiàn)項目的開發(fā)，課題組設(shè)計了開放式的接口課程群的實驗平臺，采用大規(guī)模可編程器件，探索性設(shè)計了一套基于EDA技術(shù)的低成本的計算機接口實驗統(tǒng)一平臺，實驗平臺能完成微機原理、計算機控制、單片機、嵌入式等課程的項目開發(fā)實驗內(nèi)容。

傳統(tǒng)的實驗裝置通常采用的是中小規(guī)模的集成電路器件，器件相對固定，可調(diào)整性差，而通過EDA工具軟件可以設(shè)計各種規(guī)模的數(shù)字電子系統(tǒng)，通過硬件描述語言進行邏輯設(shè)計，經(jīng)過在計算機上進行仿真后，下載到可編程邏輯器件中測試。這類開放性實驗對設(shè)計方案沒有限制，實現(xiàn)起來更加靈活。

通過EDA 和CPLD/FPGA仿真器能完成計算機硬件接口類課程群的各類項目開發(fā)實驗。我們采用了模塊化結(jié)構(gòu)來設(shè)計實驗平臺，如圖2所示。該裝置使用Xilinx 公司Spartan-3系列FPGA 芯片，通過擴充板可以滿足大部分的項目模型開發(fā)要求。

平臺整體分為軟硬件兩個部分。軟件部分主要在實驗PC上運行，實現(xiàn)對硬件實驗系統(tǒng)的監(jiān)控；硬件部分主要是實驗平臺。實驗PC 與硬件實驗平臺通過USB 串口連接，根據(jù)通信接口協(xié)議實現(xiàn)實驗PC 對硬件實驗系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)控。軟件部分按照模塊化設(shè)計分為界面、通信、監(jiān)控調(diào)試、下載以及內(nèi)嵌的編譯解釋器等模塊。硬件部分分為板上公共邏輯模組，實驗?zāi)＝M以及對應(yīng)各個實驗課程的微機接口輔助模組、微機控制輔助模組和單片機輔助模組。這里各個實驗課程輔助模組之間不是完全分離的，我們通過相互比較采用了一定的重疊復(fù)用，提高了硬件利用率，大大提高了整體硬件平臺的利用率。

3 教學(xué)成果分析

課題組為了進行教學(xué)成果的分析和比較，選取天津理工大學(xué)計算機專業(yè)2009級兩個不同教學(xué)班的“微型計算機原理與接口技術(shù)”和“計算機控制”課程作為實驗樣本，“微型計算機原理與接口技術(shù)”為前期專業(yè)基礎(chǔ)課程，“計算機控制”為后續(xù)專業(yè)課。教學(xué)實驗從不同的角度進行教學(xué)成果分析，其中A班采用項目驅(qū)動的實踐教學(xué)方法，在“微型計算機原理與接口技術(shù)”課程開始的時候，老師就布置了項目的任務(wù)，但是在開始階段是單人和雙人項目，學(xué)生可以自由的選擇合作對象，當(dāng)進入后續(xù)專業(yè)課程時，再重新選擇組成團隊，這樣能夠督促學(xué)生主動的寫好文檔，并且能提高學(xué)生看電路圖和讀代碼的能力。B班采用傳統(tǒng)的實踐教學(xué)方法，以2個自然教學(xué)學(xué)期作為實驗周期。

對兩個班的學(xué)生進行問卷調(diào)查分析，由于兩個對照班的教學(xué)模式不同，所以設(shè)計的問卷內(nèi)容也有不同，但是都反映了學(xué)生對學(xué)習(xí)任務(wù)的完成情況和學(xué)生對課程的滿意度，對調(diào)查表的總結(jié)情況如表2和表3所示。

表2 A班34人(項目驅(qū)動)問卷調(diào)查結(jié)果

表3 B班34人(傳統(tǒng)教學(xué))問卷調(diào)查結(jié)果

通過對上述兩個表格以及授課教師的教學(xué)反饋，兩種教學(xué)模式的教學(xué)成果分析如表4所示。

通過對學(xué)生和授課教師的調(diào)查結(jié)果分析可知，學(xué)生對于基于項目驅(qū)動的教學(xué)模式產(chǎn)生了較好的反響，學(xué)生的滿意度較高，能夠自主、積極地完成教學(xué)過程中的各項任務(wù)，學(xué)生感到受益很多，尤其對于項目開發(fā)的實際過程有了一個很深入的體驗，加強了學(xué)生的動手能力和團隊合作能力。同時由于各組的設(shè)計方案不盡相同，因此在各種文檔的書寫過程中有效的避免了抄襲現(xiàn)象的產(chǎn)生。

表4 教學(xué)成果分析

對于傳統(tǒng)組的調(diào)查結(jié)果所反映的問題，也正是我們?yōu)槭裁匆岢龈母锏脑蛩?，實驗?nèi)容死板，抽象，學(xué)生的參與度較低，實驗報告千篇一律，實驗結(jié)果的評價體系過于簡單，造成了上述問題的存在。

4 結(jié) 語

“項目驅(qū)動”的教學(xué)方式是一種全新的教學(xué)模式，將實際項目導(dǎo)入到專業(yè)教學(xué)當(dāng)中，使學(xué)生充分參與到項目開發(fā)的各個階段，從而優(yōu)化了接口類課程群的教學(xué)體系和知識結(jié)構(gòu)，全面培養(yǎng)了學(xué)生的實踐動手能力、解決問題的能力和團隊協(xié)作能力，在天津理工大學(xué)計算機學(xué)院的實施結(jié)果表明，學(xué)生的工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力得到較明顯的提高。

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