探究CDIO理念下的專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)

◆趙剛

(西南石油大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院)

探究CDIO理念下的專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)

◆趙剛

(西南石油大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院)

高等學(xué)校專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)在整個(gè)人才培養(yǎng)體系中占有極其重要的地位，它不僅可幫助學(xué)生驗(yàn)證課堂所學(xué)知識與訓(xùn)練基本技能，更重要的是對深入實(shí)施素質(zhì)教育、切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生具備學(xué)思結(jié)合、知行統(tǒng)一的探究精神與創(chuàng)新思維、實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的目標(biāo)而起著舉足輕重的作用。因此，隨著我國高等教育改革與研究步伐的加快，進(jìn)一步開展專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系研究與建設(shè)顯得十分有必要。

“可編程邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)”是許多工科院校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的一門必修課程，它作為“數(shù)字邏輯”、“微型計(jì)算機(jī)技術(shù)”等原理性課程的后續(xù)及若干技術(shù)性課程的前導(dǎo)，對實(shí)踐環(huán)節(jié)的要求較高，尤其可體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的作用和地位。因此，本文擬結(jié)合我校近幾年在該課程的建設(shè)與教學(xué)方面經(jīng)驗(yàn)，就高校工科類專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)與目前先進(jìn)的CDIO工程教育理念的融合提出以下的觀點(diǎn)與思考，以期與廣大高校教師共同探討。

一、規(guī)劃實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容必須緊扣課程的教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容，且在學(xué)時(shí)分配上應(yīng)結(jié)合課程的性質(zhì)進(jìn)行總體考慮。因此，按照我校的教學(xué)計(jì)劃制訂原則，本課程總的學(xué)時(shí)被分配為56學(xué)時(shí)，而在具體制訂教學(xué)大綱時(shí)，我們參考了教育部計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會的建議，將實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)設(shè)定為26學(xué)時(shí)，基本達(dá)到了理論與實(shí)踐1:1的學(xué)時(shí)分配比例，從而首先為教學(xué)目標(biāo)的順利達(dá)成提供了較為充足的學(xué)時(shí)保障。

課程共安排了8個(gè)必須完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，除第一個(gè)項(xiàng)目為幫助學(xué)生掌握IDE集成開發(fā)環(huán)境的基本使用方法、認(rèn)識一般可編程邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輸入、綜合及仿真等主要環(huán)節(jié)外，其它七個(gè)項(xiàng)目則基于由淺入深、由點(diǎn)及面的原則，依次安排了驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型、以及綜合型等三類不同性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。

在3個(gè)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)中，加法器設(shè)計(jì)共分配4學(xué)時(shí)，通過1位加法器及n位加法器的設(shè)計(jì)練習(xí)，使學(xué)生加深對VHDL設(shè)計(jì)中行為描述、數(shù)據(jù)流描述與網(wǎng)表描述等三種不同描述風(fēng)格的認(rèn)識，同時(shí)達(dá)到對基本程序設(shè)計(jì)方法的熟練掌握目的;譯碼器設(shè)計(jì)共分配2學(xué)時(shí)，通過3－8譯碼器及7段碼譯碼器的設(shè)計(jì)練習(xí)，使學(xué)生快速掌握VHDL程序的基本結(jié)構(gòu)及其編程方法，并進(jìn)一步加深對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件適配及配置下載環(huán)節(jié)的認(rèn)識和理解;而計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)同樣分配2學(xué)時(shí)，通過對4位同步加、減法計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)，使學(xué)生能較好地掌握同步時(shí)序控制的基本方法，同時(shí)掌握LPM參數(shù)化模塊庫中的功能塊調(diào)用方法。

在3個(gè)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中，交通信號燈控制器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)共分配4學(xué)時(shí)，通過設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的交通燈信號控制器，使學(xué)生掌握利用ASM算法狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)同步時(shí)序系統(tǒng)的方法，加強(qiáng)認(rèn)識狀態(tài)機(jī)的典型VHDL程序結(jié)構(gòu);ADC控制器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)共分配4學(xué)時(shí)，通過設(shè)計(jì)ADC0809或ADS801的工作控制器，對比A/D轉(zhuǎn)換過程的軟件與硬件控制方法，進(jìn)一步鞏固利用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)同步時(shí)序系統(tǒng)的知識;乘法器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)共分配4學(xué)時(shí)，通過8位移位相加乘法器的設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生理解可編程邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的自頂向下設(shè)計(jì)思想，掌握原理圖與VHDL編程相結(jié)合的混合設(shè)計(jì)方法。

課程最后通過設(shè)計(jì)一個(gè)簡單微處理器系統(tǒng)，使學(xué)生認(rèn)識并理解復(fù)雜時(shí)序系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)劃分方法，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用各類構(gòu)建塊和狀態(tài)機(jī)思想進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力，并提供較為充分的開拓創(chuàng)新空間。

二、搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

要圓滿完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，順利實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，一定需要兼具高性能、高可靠性和高效率的配套實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，以支持學(xué)生在課內(nèi)外方便地將自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在硬件電路中進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，從而幫助其對所學(xué)習(xí)知識內(nèi)容的理解、消化與接收。

就“可編程邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程而言，長期以來國內(nèi)市場上缺乏合適的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。為此，我校組織教師自行研制了一種基于FPGA(即在線可編程門陣列器件)的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，并以此為平臺支持本課程及其后續(xù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要。該系統(tǒng)采用一塊Altera公司的新一代中規(guī)模FPGA產(chǎn)品CycloneⅡEP2C35，不僅可滿足本課程的各項(xiàng)基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)需要，同時(shí)還配以眾多豐富的外圍設(shè)備，可很好地支持開展綜合性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。系統(tǒng)采用完全開放式結(jié)構(gòu)，充分保證在教學(xué)過程中能讓學(xué)生接觸到所有硬件資源，從而加深對設(shè)計(jì)的理解和認(rèn)識，為在課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中組織學(xué)生擴(kuò)展進(jìn)行其它應(yīng)用性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)提供了條件基礎(chǔ)。

同時(shí)，為方便學(xué)生在課外繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，我校教師還研制了一種便攜式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，盡管其FPGA片內(nèi)資源及外圍設(shè)備相對較少，但仍然配置了較為完整的功能設(shè)備，并具備了輕便、小巧的優(yōu)點(diǎn)，可供學(xué)生隨身攜帶至圖書館、教室、實(shí)驗(yàn)室和寢室等各種場合，從而達(dá)到課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的延伸與拓展。兩類系統(tǒng)基于同一廠家的FPGA產(chǎn)品系列，且功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全一致，因此可保證學(xué)生在一套系統(tǒng)上所做的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能輕易在另一套系統(tǒng)上進(jìn)行調(diào)試與驗(yàn)證，二者共同構(gòu)成了本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。

三、探尋實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

不可否認(rèn)的是，長期以來我國高校傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式一直存在著這樣的問題。由于制訂專業(yè)教學(xué)計(jì)劃與課程教學(xué)大綱的習(xí)慣性思維方式，一般來講，大多數(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容均與理論教學(xué)(更加準(zhǔn)確地講，應(yīng)該是課堂講授)內(nèi)容合在一起而存在，且在學(xué)時(shí)比例分配上有著前者較輕、后者較重的特點(diǎn)，在文字描述上也遵循著先理論教學(xué)后實(shí)踐教學(xué)的安排順序。由此，無論是在教師還是在學(xué)生中，均容易造成認(rèn)識和理解上的一個(gè)誤區(qū)，那就是實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論教學(xué)的附屬，二者自然會有主次之分。并進(jìn)而造成教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)、組織、操作、考核等環(huán)節(jié)上出現(xiàn)了重課堂講授、輕實(shí)驗(yàn)操作的現(xiàn)象。具體的表現(xiàn)是，不少教師在開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，所采取的基本方式是首先布置任務(wù)，然后讓學(xué)生自行操作練習(xí)，而在此過程中教師針對學(xué)生遇到的問題進(jìn)行個(gè)別解答。顯然，這樣的方式只能算作是實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，而非實(shí)驗(yàn)教學(xué)，由于缺乏必要的教學(xué)設(shè)計(jì)，故教學(xué)效率不高，教學(xué)效果也難以保證。

遵循教改的精神，經(jīng)過幾個(gè)學(xué)期的探索與實(shí)踐，本課程逐漸形成了“課內(nèi)+課外”、“主導(dǎo)+主動”、“驗(yàn)證+探究”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。盡管在大綱制定、學(xué)時(shí)分配等方面仍然基于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，但在實(shí)施過程中卻有效轉(zhuǎn)變了教師與學(xué)生過去習(xí)慣的重教室而輕實(shí)驗(yàn)室的觀念，特別強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的目標(biāo)設(shè)計(jì)、過程引導(dǎo)、討論總結(jié)以及教學(xué)延伸等各個(gè)環(huán)節(jié)的組織與開展。

針對教學(xué)大綱安排的26學(xué)時(shí)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，課程共設(shè)計(jì)8個(gè)相對完整但卻又相互關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。每個(gè)項(xiàng)目按其在課程中性質(zhì)和難度不同而分配不等的學(xué)時(shí)，但均要求學(xué)生在課外自行安排等量的附加學(xué)時(shí)以加強(qiáng)練習(xí)，從而形成“課內(nèi)+課外”的基本教學(xué)模式。為此，在每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，并非像傳統(tǒng)方式中直接給出一個(gè)需要完成的具體任務(wù)，而是基于綜合案例教學(xué)的思想，將一個(gè)功能較為完整的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分解成多個(gè)不同階段的任務(wù)，然后由教師逐步提出每一階段的任務(wù)和目標(biāo)，帶領(lǐng)學(xué)生采用適當(dāng)?shù)姆椒ǚ植襟E循序完成。而在此過程中，應(yīng)特別注重教師的引導(dǎo)作用和啟發(fā)手段，需要在每一階段任務(wù)完成后即組織學(xué)生共同分析與討論，針對已完成任務(wù)進(jìn)行尚存的問題分析，并由此引伸出下一階段需要解決的問題。同樣在操作過程中，教師還可以針對實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)問題進(jìn)行適當(dāng)程度的演示，以幫助學(xué)生更好地理解任務(wù)，啟迪主動解決問題、創(chuàng)新解決問題的思維。

通過上述方法，很容易做到對學(xué)生的課外實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)要求。絕大多數(shù)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)設(shè)計(jì)均遵循“驗(yàn)證+探究”的方式，亦即首先通過教師的引導(dǎo)，使學(xué)生分階段、分步驟完成一些驗(yàn)證型(但也可以是設(shè)計(jì)型)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，然后逐漸過渡到要求完成較為綜合的任務(wù)，并在每次課后均留下需要繼續(xù)完成的任務(wù)。于是學(xué)生可結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺中的便攜式設(shè)備，在圖書館、教室甚至寢室里均可以繼續(xù)開展自主的探究式實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，從而有效地降低了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的時(shí)空限制，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和質(zhì)量。

四、結(jié)束語

本文結(jié)合我校開設(shè)的計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)課程“可編程邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的課程建設(shè)與教學(xué)活動，主要針對高等學(xué)校工科類專業(yè)課程如何更好地構(gòu)建滿足課程教學(xué)需要、促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提高的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行了論述。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等學(xué)校實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育的重要環(huán)節(jié)和前沿陣地，也是高等學(xué)校教育教學(xué)改革的基礎(chǔ)、前提和保證。通過科學(xué)規(guī)劃與課程性質(zhì)與課程總體教學(xué)目標(biāo)相匹配的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，合理搭建可完全支持教學(xué)活動開展的高效實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，綜合采用“課內(nèi)+課外”、“驗(yàn)證+探究”、“主導(dǎo)+主動”的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，再充分結(jié)合客觀、全面、真實(shí)、多元的實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核手段，可形成一套邏輯完整、行之有效、且充分體現(xiàn)CDIO工程教育理念的專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，從而為實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)、促進(jìn)知識向能力轉(zhuǎn)化、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)與探究精神提供了基礎(chǔ)條件支持。

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