計(jì)算機(jī)硬件課程群實(shí)踐教學(xué)體系的探索

摘 要：本文依據(jù)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)模式的變革—基于校企合作的人才培養(yǎng)模式，結(jié)合計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程群教學(xué)體系建設(shè)，探討計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程群實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系方案，介紹集寧師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程群實(shí)踐教學(xué)體系重構(gòu)、教學(xué)體系改革的具體措施等方面的工作以及取得的成效。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)硬件；課程群；實(shí)踐教學(xué)體系

中圖分類號(hào)：TP303-4

1 概述

在計(jì)算機(jī)類專業(yè)的課程體系中，基本可以分為兩條主線：一條是硬件課程體系；另一條是軟件課程體系。2013年，集寧師范學(xué)院對(duì)計(jì)算機(jī)類專業(yè)的人才培養(yǎng)方案做了修訂，主要是基于計(jì)算機(jī)應(yīng)用方向的偏軟件專業(yè)或軟件工程專業(yè)，計(jì)算機(jī)硬件課程體系相對(duì)比較薄弱。這些專業(yè)主要培養(yǎng)軟件應(yīng)用型人才，特點(diǎn)是對(duì)硬件的要求雖然不如偏硬件專業(yè)，但必須有一定的扎實(shí)基礎(chǔ)。

其次學(xué)生思想上重視軟件輕視硬件。許多學(xué)生認(rèn)為：計(jì)算機(jī)硬件類課程是學(xué)習(xí)有關(guān)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、內(nèi)部工作原理的課程，而自己的興趣是編寫程序，將來的目標(biāo)就是做一名偏軟件工程師，所以只要把相關(guān)的計(jì)算機(jī)語言掌握好就夠了，計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)掌握得好壞無所謂，因此，在計(jì)算機(jī)硬件課程的學(xué)習(xí)中缺乏積極性。

再次計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)不直觀，講授起來抽象、枯燥，學(xué)生學(xué)起來也有一定難度，測評(píng)中教師得分較低，教師激情低，所以計(jì)算機(jī)硬件課程的教學(xué)一直是一個(gè)比較薄弱的環(huán)節(jié)，所培養(yǎng)出來的學(xué)生硬件能力、系統(tǒng)能力較差。本文將從我校實(shí)際出發(fā)，基于服務(wù)外包方向校企合作的人才培養(yǎng)模式進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件類課程群改革與研究。

計(jì)算機(jī)學(xué)科硬件類的核心課程包括：數(shù)字電路基礎(chǔ)、微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用、計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)原理與應(yīng)用等。這些課程具有理論性比較強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣而且與實(shí)踐聯(lián)系非常緊密等特點(diǎn)。而計(jì)算機(jī)硬件課程的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)是理論知識(shí)的鞏固、驗(yàn)證。

2 計(jì)算機(jī)硬件類課程教學(xué)課程體系面臨的問題

2.1 對(duì)學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀、系統(tǒng)能力培養(yǎng)不扎實(shí)

在以往的計(jì)算機(jī)的教學(xué)中，硬件實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和軟件程序的設(shè)計(jì)幾乎沒有關(guān)系，這成為設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模、復(fù)雜系統(tǒng)的阻礙。如何搭建有關(guān)系統(tǒng)平臺(tái)、實(shí)現(xiàn)程序與電路的協(xié)同設(shè)計(jì)、相互驗(yàn)證以及軟件與硬件的功能模塊是否可重復(fù)使用已成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵問題。

2.2 對(duì)學(xué)生的EDA技術(shù)培養(yǎng)的不足

可編程芯片與EDA技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)的方向，把可編程芯片的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及EDA技術(shù)引入計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)可加強(qiáng)學(xué)生的系統(tǒng)能力。

2.3 缺少綜合性的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的創(chuàng)新能力發(fā)揮不佳

由于我校實(shí)驗(yàn)條件的限制，原有的多數(shù)實(shí)驗(yàn)是基于純硬件的。學(xué)生只能在面包板上用器件構(gòu)建小系統(tǒng)，功能擴(kuò)展性太差。并且只能開設(shè)數(shù)量有限、技術(shù)含量較低的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無法開展自主的綜合性設(shè)計(jì)，無法進(jìn)行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 實(shí)踐教學(xué)體系改革

3.1 重構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程是一個(gè)有機(jī)系統(tǒng)，其組成部分應(yīng)是課程和相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。根據(jù)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和社會(huì)對(duì)人才的需求需求，既要注重課程之間知識(shí)的滲透交叉，又要體現(xiàn)知識(shí)體系的邏輯性和整體性。系統(tǒng)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容能保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)的完整性和連續(xù)性，有利于提高學(xué)生的系統(tǒng)能力。

根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件課程群建設(shè)而形成的有機(jī)課程體系及其基本規(guī)范，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重新整合分成四個(gè)模塊：硬件課程群中每門課程獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)?zāi)K、硬件類課程之間有邏輯關(guān)系的交叉實(shí)驗(yàn)?zāi)K、功能化組合的具有一定規(guī)模的工程實(shí)訓(xùn)模塊、前沿性和創(chuàng)新性相結(jié)合的綜合實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐模塊。我們按照計(jì)算機(jī)專業(yè)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，用發(fā)展的觀點(diǎn)，將這些實(shí)驗(yàn)?zāi)K融會(huì)貫通來共同構(gòu)建“四層三級(jí)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，如圖所示。

圖1 四層三級(jí)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系圖

依據(jù)人才培養(yǎng)方案的課程要求，課題組構(gòu)建了四層實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系。①入門層中的數(shù)字電路基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)必須的時(shí)序邏輯電路、組合邏輯的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)具有實(shí)用功能的、比較復(fù)雜的邏輯系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，通過這些復(fù)雜實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握 EDA主線設(shè)計(jì)的整個(gè)過程與方法；②基礎(chǔ)層中的計(jì)算機(jī)組成原理、微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用主要用來設(shè)計(jì)運(yùn)算單元、存儲(chǔ)器以及存儲(chǔ)器擴(kuò)展、中央處理單元等器件。，通過計(jì)算機(jī)的單個(gè)功能部件以及整個(gè)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)以及實(shí)踐能力。微機(jī)接口技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)用來設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的輸入、輸出接口部件；③拓展層中的“單片機(jī)原理與應(yīng)用”完成諸如中斷、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、存儲(chǔ)器、并行/串行口、中斷及LED 顯示、八段數(shù)碼管和鍵盤控制等多項(xiàng)內(nèi)容。通過完成可編程芯片硬件連線與芯片初始化編程和應(yīng)用編程，使學(xué)生掌握單片機(jī)接口常用芯片的使用方法，從中得到收益，提高單片機(jī)應(yīng)用與開發(fā)設(shè)計(jì)能力。提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力；④提高層中的綜合設(shè)計(jì)與創(chuàng)新研究實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生綜合運(yùn)用已學(xué)方法、知識(shí)、技術(shù)進(jìn)行科研開發(fā)和創(chuàng)新新技術(shù)應(yīng)用研究，目的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和科學(xué)研究能力，比如參加教師的科研與教改課題、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，解決企業(yè)實(shí)際問題計(jì)、ACM大賽等。

依據(jù)人才培養(yǎng)方案的能力要求，課題組構(gòu)建了四級(jí)能力培養(yǎng)體系。1、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)層突顯計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)性。即針對(duì)要求學(xué)生必須掌握的基本硬件知識(shí)、技能設(shè)置相應(yīng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，突出單課程實(shí)驗(yàn)與單臺(tái)儀器的基礎(chǔ)訓(xùn)練。2、綜合設(shè)計(jì)層主要目的是將學(xué)生所學(xué)知識(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行綜合運(yùn)用，在課程的基本內(nèi)容基礎(chǔ)上開設(shè)一些設(shè)計(jì)型、綜合型實(shí)驗(yàn)課程。3、應(yīng)用層設(shè)計(jì)的主要目的是增加一些反映實(shí)踐問題的研究環(huán)節(jié)，以拓寬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并且與科研、生產(chǎn)緊密結(jié)合，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新思維的能力。4、探索研究層主要是為學(xué)有余力和對(duì)計(jì)算機(jī)硬件有濃厚興趣的學(xué)生提供進(jìn)一步學(xué)習(xí)、研究的平臺(tái)，培養(yǎng)理論與實(shí)踐都過硬的人才，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新意識(shí)。

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系應(yīng)遵循循序漸進(jìn)的原則。從基礎(chǔ)研究開始，逐漸到應(yīng)用與實(shí)踐、再到創(chuàng)新的過程。在這個(gè)過程中，教師應(yīng)加強(qiáng)大學(xué)生從微觀到宏觀、從技能實(shí)踐訓(xùn)練到綜合實(shí)踐能力訓(xùn)練、從探索研究到創(chuàng)新實(shí)踐能力的層次化培養(yǎng)過程。

3.2 實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)改革具體措施

3.2.1 以“計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)能力培養(yǎng)”為目標(biāo)

在計(jì)算機(jī)硬件課程群實(shí)驗(yàn)體系改革與建設(shè)的過程中，強(qiáng)調(diào)硬件課程體系的完整性和系統(tǒng)性。按照人才培養(yǎng)方案，計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程從第二學(xué)期開始到第六學(xué)期不間斷，硬件實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐的相互互補(bǔ)，實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐內(nèi)容前后連貫銜接，而層次在逐步提高。這樣可使硬件實(shí)踐課程訓(xùn)練系列化、層次化，從而系統(tǒng)強(qiáng)化學(xué)生的計(jì)算機(jī)硬件的動(dòng)手能力、實(shí)踐能力。同時(shí)必須要調(diào)整好各門課程的開課順序，理順每門課程與前導(dǎo)課程以及后續(xù)課程之間的相互關(guān)系，才能確保計(jì)算機(jī)硬件課程體系的完整性與系統(tǒng)性。

3.2.2 采用“軟件與硬件”相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方式

在計(jì)算機(jī)上調(diào)用元件、器件庫、連連接線路并畫圖、編寫激勵(lì)信號(hào)的文件，確定調(diào)用參數(shù)庫、跟蹤點(diǎn)以及模擬程序等“軟件”的手法設(shè)計(jì)硬件電路。在數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用該種模式的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐，軟件與硬件相結(jié)合，可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，提高學(xué)習(xí)硬件課程的興趣，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

3.2.3 在微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用

單片機(jī)原理與應(yīng)用等課程中采用Keil+Proteus的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以有效提高學(xué)生計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件編程與軟硬件聯(lián)合調(diào)試的能力，滿足計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新需求，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐以及工程應(yīng)用之間相互脫節(jié)的矛盾。

3.2.4 以培養(yǎng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，構(gòu)建三層實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)體系

集寧師范學(xué)院正在探索計(jì)算機(jī)類應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系，逐漸形成了符合本院的三層實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)體系。第一層次：培養(yǎng)基礎(chǔ)理論與基本操作技能。該層次內(nèi)容包括硬件課程群實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)大綱規(guī)定的必修與選修的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；第二層次：培養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與綜合應(yīng)用能力。該層次采取整周課程設(shè)計(jì)和綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐，充分利用集寧師范學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)中心這一實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力；第三層次：培養(yǎng)應(yīng)用開發(fā)與創(chuàng)新實(shí)踐能力。該層次的教學(xué)以企業(yè)實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等方式進(jìn)行。要求學(xué)生在校外實(shí)踐教學(xué)基地結(jié)合企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。

3.2.5 強(qiáng)化實(shí)踐訓(xùn)練，增加工程實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)是集寧師范學(xué)院的第一批本科專業(yè)，于2009年開始招生。在過去四年的教學(xué)中不斷的對(duì)人才培養(yǎng)方案進(jìn)行改革，已經(jīng)過四次修訂。本次修訂幅度很大，從培養(yǎng)目標(biāo)及要求、培養(yǎng)方式與學(xué)期設(shè)置、培養(yǎng)模式、課程設(shè)置等都進(jìn)行了修訂。經(jīng)過長期實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索，逐步實(shí)施了“3+1”人才培養(yǎng)模式。即學(xué)生在學(xué)校內(nèi)學(xué)習(xí)三年，每年由企業(yè)教師進(jìn)行多次企業(yè)化課程實(shí)訓(xùn)，一次7至10天；學(xué)生畢業(yè)前一年在企業(yè)實(shí)習(xí)，接受專業(yè)綜合實(shí)踐、實(shí)訓(xùn)。通過分層次、分階段的實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)和實(shí)踐，學(xué)生可以更全面地了解工程實(shí)際需要、掌握設(shè)計(jì)的基本方法，從而提髙分析問題、綜合實(shí)踐能力。

3.2.6 改革人才培養(yǎng)方式

2013級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)方式為服務(wù)外包培養(yǎng)方式。該模式采用系統(tǒng)化的課程學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐相結(jié)合的人才培養(yǎng)方式，是一種多維的、全新的應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系，將“企業(yè)的內(nèi)容”以“培養(yǎng)的形式”來“完成對(duì)人才的培養(yǎng)”的體系。在培養(yǎng)中堅(jiān)持基礎(chǔ)扎實(shí)、思維敏捷、知識(shí)寬廣、實(shí)踐突出、實(shí)踐訓(xùn)練有素等措施，努力使學(xué)生專業(yè)知識(shí)與實(shí)踐能力、理論基礎(chǔ)與科學(xué)素養(yǎng)、職業(yè)素質(zhì)與工程訓(xùn)練平衡發(fā)展。

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作者簡介：蔡紅梅（1973-），女，碩士研究生，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)控制。

作者單位：集寧師范學(xué)院計(jì)算機(jī)系，內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000

基金項(xiàng)目：集寧師范學(xué)院2013年教改課題“計(jì)算機(jī)硬件課程群建設(shè)與研究—基于服務(wù)外包方向校企合作人才培養(yǎng)模式”（項(xiàng)目編號(hào)：JGKT2013006）研究成果之一。