談計算機硬件實驗教學及存在問題的改進措施

葉宗海

摘要：硬件實驗教學在高校的人才培養(yǎng)中占有重要地位，著重培養(yǎng)計算機專業(yè)學生的動手實踐和創(chuàng)新能力，是教學的必需環(huán)節(jié)。針對傳統(tǒng)硬件實驗教學上存在觀念、教學體系、實驗條件、實驗教師隊伍和實驗考核等方面的不足，結合自身多年的計算機硬件實驗教學經驗，提出措施，希望以此改進實驗教學，提高教學質量。

關鍵詞：計算機硬件；實驗教學；教學體系；實驗室建設；師資隊伍

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）16-0180-03

Abstract： Hardware experiment teaching plays an important role in the cultivation of talents in Colleges and universities. It emphasizes on cultivating students' practical ability and innovative ability， which is a necessary part of teaching. In view of the traditional hardware experiment teaching concepts， teaching system， experimental conditions， experimental teachers and evaluation etc.， combined with their years of computer hardware experimental teaching experience， this paper puts forward measures hoping to improve experimental teaching and enhance the quality of teaching.

Key words： computer hardware； experimental teaching； teaching system； laboratory construction； teaching staff

1 概述

硬件實驗教學是計算機實驗教學的重要組成部分，是計算機專業(yè)培養(yǎng)學生動手能力、實踐與創(chuàng)新能力的必需環(huán)節(jié)。不斷改進計算機硬件實驗教學體系、更新實驗教學內容、改革實驗教學方法，以適應計算機硬件技術的不斷發(fā)展[1]。以下結合自身多年來的計算機硬件實驗教學經驗，談談自己的看法。

2 硬件實驗教學方式與特點

硬件實驗教學具有理論性強、難度大、軟硬件結合緊密等特點。與理論教學一樣，具有一套完整的科學教學體系，同時又有區(qū)別于理論教學的一些特點[2]。計算機硬件實驗一般需要用到的軟硬件有微機、配套軟件、實驗設備、測量儀器儀表及各種線纜等，使用設備多、綜合性強、復雜度高。實驗成功與否涉及因素多，操作方式、軟硬件結合等方面都會影響實驗結果，實驗時需要綜合考慮。

實驗課前，教師會要求學生進行實驗預習。實驗時，教師講解實驗目的、原理和電路，布置內容與要求。學生根據實驗內容，結合硬件實驗箱，進行電路連接、編寫程序、運行并觀看結果。若結果有出入或者錯誤，則需要進行排查，直到實驗結束。實驗完成后，記錄數據，進行分析判斷并填寫實驗報告。以單片機AD轉換實驗為例，講授理論知識后布置實驗預習；實驗前教師講解AD轉換工作原理、電路并布置實驗內容；實驗時，學生按照要求將單片機硬件實驗箱相關電路模塊用導線連接，在上位機端使用KEIL軟件進行編程，完成后進行調試驗證。使用數字萬用表觀察模擬電壓量以及實驗箱上八段數碼管顯示的數字量，對比模擬量與數字量的對應關系，若模擬量與數字量都能正常同步增加與減小，實驗基本成功；若不能，則需要檢查硬件電路連接是否正確、軟件編寫是否到位；實驗完成后，需要記錄數據完成實驗報告并分析結果。

3 存在的問題

3.1 觀念滯后

國內的教育思想中存有“重理論，輕實踐”的傳統(tǒng)觀念，實驗教學仍處于理論教學的從屬地位，被視為是單純理論教學的驗證和延伸[1]。及時轉變觀念，認識實驗教學的重要性，就顯得尤為重要。一般高校只重視學生的軟件教學，輕視了硬件教學，存在“重軟輕硬”現象。由于硬件實驗的特殊性，學生也只對軟件感興趣，害怕硬件實驗與操作。比如有的專業(yè)，學過單片機技術課程，卻只懂得一點單片機理論知識，做起實驗來，芯片控制與編程、電路連接，無從下手，更別說學以致用。同時，系部與教師對硬件實驗也不夠重視，這樣對高校人才培養(yǎng)是不利的 。

3.2 實驗教學體系缺乏系統(tǒng)性和科學性

計算機體系結構有很強的系統(tǒng)性。但硬件課程之間沒有形成一個系統(tǒng)整體，缺乏系統(tǒng)性和完整性的實驗教學體系，基本以演示性、驗證性的實驗為主，缺少綜合性、設計性實驗。大多高校一般都開設有數字邏輯電路、計算機組成原理、微機原理與接口、單片機技術、嵌入式系統(tǒng)等硬件課程，各門課各自按課程要求安排實驗，實驗內容之間缺乏相互聯系。另外，課程開設有先后順序關系，可能存在如“微型計算機原理與接口”與“單片機技術”同一學期進行教學的情況。同時，存在硬件實驗在學時學分上的設置不合理、學時偏少、實驗課程無學分、課程結束后無課程設計環(huán)節(jié)等情況。

3.3 實驗條件不完善

近年來， 高校的軟硬件設施建設有了很大提高，積極更新實驗室設備、建設虛擬仿真實驗室等。但是，一般高校在實驗室建設更新上更側重于軟件類實驗室的建設更新，比如計算機機房。造成了硬件實驗條件的不足、設備老舊、更新不及時等問題。還存在實驗場所不足，硬件實驗室設置不全，相關課程只上理論、沒有硬件實驗的情況；有的實驗室存放多套實驗設備，實驗室利用率高，卻出現單套設備使用率較低的情況，這樣給實驗室增加使用學時、實驗室開放、開設課程設計等方面增加了困難。

3.4 實驗教師隊伍相對薄弱

穩(wěn)定的教師隊伍，對高校的發(fā)展與人才培養(yǎng)至關重要。實驗教師作為實驗教學的設計者和執(zhí)行者，對實驗教學起到了關鍵的作用，其能力和素質的高低直接影響了學生學習的積極性和學習效果[3]。相對于公辦高校，獨立學院存在師資隊伍不穩(wěn)定、人員流動率高等問題。造成許多硬件課程是新老師任教、非專業(yè)教師上專業(yè)課程，以及一位教師任教多門專業(yè)課程等情況，這樣不管是理論還是實驗教學，都是不利的。另外，還缺乏專業(yè)的實驗員，而硬件實驗一般是由教師和實驗員一塊配合進行的。由于獨立學院的特殊性，一位實驗員需負責管理多間實驗室，既要管理機房又要負責硬件實驗室，還管理著網絡實驗室。而且硬件實驗設備維護難度大，對專業(yè)技術要求高，實驗室管理往往會套用計算機機房的管理方式，容易造成管理不足或“虛位”管理。

3.5 實驗內容與考核方式需要改進

受舊的教學模式影響，以教師為中心，學生按照老師要求和步驟進行實驗，缺乏主動性，這種模式影響學生創(chuàng)新精神和創(chuàng)造力的發(fā)揮。硬件理論教材陳舊，實驗教材單調，或沒有實驗教材，多年使用同一本教材，不能與時俱進。一般來說，實驗教材是各高校自行編寫，實驗電路、操作步驟、表格等都已經準備好，只需按照教材進行實驗與驗證、數據填寫、完成報告后就算完成實驗。這束縛了學生的思維，影響了創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。有的設備配套實驗教材，使用方便，但存在教材簡單、錯誤多，不能完全滿足實驗要求。而且，實驗教材上基本只有演示性和驗證性實驗，缺少設計性、綜合性的實驗內容。另外，在實驗考核方法上，也有不足。一般硬件實驗是依附于理論教學的，沒有獨立設課，學生對實驗重視度不夠，只注重于期末的考試，實驗過程、數據記錄和報告應付性完成，影響了教師對學生的量化考核，也影響學生學習的積極性。

4 改進措施

4.1 建立和改進硬件教學體系

培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和綜合素質為出發(fā)點，以調動學生學習的主動性和創(chuàng)造性為目標，提高學生綜合實踐能力和應用能力為結果，做到實驗教學融會貫通的模塊化、實驗教學體系的多層次、實驗教學類型的多樣化、實驗教學內容的系統(tǒng)化[4]。根據計算機硬件知識結構，將硬件實驗教學體系分為四層：入門層、基礎層、拓展應用層和提高層，如圖1所示。

入門層實驗讓學生熟悉常見的模擬電路、數字邏輯電路原理，具有設計一定功能電路的實踐能力；基礎層的“計算機組成原理”主要完成運算控制器、存儲器、CPU等器件的原理與控制實驗，熟悉簡單的計算機原型組成與原理；微機原理接口培養(yǎng)使用與硬件緊密結合的匯編語言編程、CPU與外圍部件的接口設計等，使學生對計算機軟硬件系統(tǒng)有更進一步理解；拓展應用層實主要完成單片機、嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設計，使學生能熟悉應用系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)，提高實際應用能力；提高層的綜合設計與應用創(chuàng)新，要求學生將所學專業(yè)知識進行綜合運用，進行應用系統(tǒng)開發(fā)和新技術的研究應用，提升學生科研和開發(fā)能力。比如參與教師課研、畢業(yè)設計，參加各種電子設計競賽等活動。

在實驗教學內容層次上，可以將部分計算機硬件課程的實驗內容分為4類，即驗證型、設計型、綜合型、探索型，實驗內容由淺入深，循序漸進[5]。驗證型實驗強化理論知識的理解；設計型實驗培養(yǎng)電路設計和調試能力；綜合型實驗使學生掌握綜合應用軟硬件的技能；探索性實驗培養(yǎng)學生分析、判斷和解決實際問題方法和能力。在改進實驗教學體系和教學內容層次上，還需要根據硬件實驗課程情況，在實驗學時、課程設計和實驗課程學分等方面做出改進，以加強學生從基礎到應用、從探索實踐到創(chuàng)新能力的層次化培養(yǎng)全過程。

4.2 加強建設，改善實驗室環(huán)境

改善實驗環(huán)境，從硬件和軟件建設兩方面入手。

1）硬件設備是保障實驗正常開展的前提條件。微機與硬件實驗箱使用3～5年就會出現設備老化、運行速度和設備可靠性下降等情況，一些常用儀器儀表，比如萬用表、示波器之類的儀器，也需要及時更新換代，否則無法滿足實驗教學需求。因此，在硬件實驗室建設上，根據教學內容的需要及新技術的發(fā)展來定期制定設備購置計劃，及時讓學生用上最先進的產品來適應社會的發(fā)展[6]。另外，盡量避免出現過多套數的硬件實驗設備共用一間實驗室情況，預留足夠的空間和時間來進行實驗室的開放。

2）在加強硬件建設基礎上，也需加強軟件方面建設。第一，及時安裝更新當前主流系統(tǒng)軟件和應用軟件，使學生能夠熟悉使用比較當前主流的應用軟件，做到與時俱進。由于硬件實驗箱存在硬件電路或芯片的不足，安裝虛擬仿真軟件進行實驗，如數字邏輯電路、單片機技術實驗課程使用PROTUES仿真軟件，彌補硬件實驗箱的短板，做到能實不虛、虛實結合的實驗環(huán)境。第二，要加強實驗室管理與維護，形成良好的實驗環(huán)境，完善規(guī)章制度，保障實驗室正常高效使用。第三，相對于理論授課，硬件實驗在學時上明顯偏少，導致學生動手能力不足。一種途徑是增加實驗學時數，也可以在課余時間進行硬件實驗室的開放，開展有償使用實驗室服務工作，滿足學生在課余時間使用設備做實驗的要求。

4.3 加強師資隊伍，提升水平

加強師資隊伍建設，是培養(yǎng)高質量學生的前提條件。如何培養(yǎng)出一批既要有知識，又要有能力，更要具有使知識和能力得到充分發(fā)揮的高素質人才，對教育工作者而言是一大挑戰(zhàn)[7]。硬件師資隊伍建設，需要將理論教師與實驗員隊伍建設一起抓，兩者不可或缺。除了留住在職教師之外，招聘有豐富經驗的專業(yè)教師加入計算機硬件教學隊伍，提高專業(yè)水平。同時，要加強對教師和實驗員專業(yè)素質的培養(yǎng)，組織參與校內外的教學研討交流，參加計算機硬件有關的學術會議、廠家舉辦的各種軟硬件培訓、與企業(yè)開展橫行課題合作及帶領學生參加各種計算機硬件類的競賽等活動，以提升專業(yè)水平。

4.4 改進實驗考核機制

硬件實驗在增加實驗學時、課程設計環(huán)節(jié)等內容之外，還需要改進實驗考核機制，引起學生對硬件實驗的重視，提高學習積極性。適當增加學時，讓學生在學習理論知識后，有時間在硬件實驗室完成實驗，也可以讓教師更好的進行實驗成績綜合評定。增加課程設計、硬件實驗課程設置學分，讓學生提高動手能力之外，也可以提高學生對實驗的重視程度。同時，為了實驗成績評定的公平性，實驗時要求每位學生獨立操作和完成實驗報告。實驗課程單獨設置學分，意味著理論與實驗的考核分開，讓學生在學到相關理論知識外，能夠獨立完成實驗，提高動手能力。

5 結束語

提高教學質量、培養(yǎng)學生動手能力和創(chuàng)新能力，是一項系統(tǒng)性工作。需要在學生學習態(tài)度、實驗教學條件、教師專業(yè)水平、教學體系和實驗考核等多方面下工夫，還要結合當前形式下的硬件實驗教學情況，不斷總結與思考，不斷實踐與提高。

參考文獻：

[1] 戚梅，張鵬，東野長磊.計算機硬件實驗教學改革與探索[J].實驗科學與技術，2011，9（2）：80-81.

[2] 門曉麗.高校計算機硬件實驗教學亟待解決的問題[J].呼倫貝爾學院學報，2008，16（4）：111.

[3] 張士磊，孟昕元.創(chuàng)新實踐型人才培養(yǎng)的實驗教學改革與探索[J].實驗科學與技術，2014，12（1）：149-152.

[4] 李珍香，王紅.立體化創(chuàng)新性的計算機硬件實驗教學體系與模式研究[J].實驗室技術與管理，2009，26（10）：104-106.

[5] 郝尚富，張曉，孫佰利.計算機硬件實驗教學與管理的探索[J].河北北方學院學報，2009，25（4）：80-81.

[6] 戚梅，東野長磊.構建計算機硬件實驗教學體系[J].實驗室研究與探索，2009，28（9）：131-132.

[7] 霍學慧，王建華，郭風法.改革實驗教學模式提高學生綜合素質[J].實驗室研究與探索，2011，30（3）：278-279.