新工科背景下關(guān)于硬件電路課程的實踐教學(xué)研究

隋欣

【摘要】? ? 硬件電路課程體系是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)必修課。在新工科背景下，硬件電路課程體系的教學(xué)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。本文以硬件電路課程體系中的硬件電路設(shè)計課程為例，闡述了在新工科背景下，硬件課程的教育教學(xué)方法可以有那些改進。并以課程中的交通燈電路設(shè)計為例，率先在課堂上進行了教學(xué)改革的嘗試，使得學(xué)生對課堂的參與度大大提高，增強了動手能力及邏輯思維能力，提高了課堂的滿意度。

【關(guān)鍵詞】? ?硬件電路? ? 教學(xué)改革? ? 數(shù)字邏輯? ? 新工科

引言：

隨著計算機技術(shù)以及信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)迅速成為我國幾大炙手可熱的熱門專業(yè)之一。因此，由此而引發(fā)的計算機專業(yè)的在校生人數(shù)也在逐年上升。然而，隨著投入到計算機行業(yè)的人才越來越多，各行各業(yè)對計算機人才的要求也在逐年升高。自2017年始，我國各大高校掀起了一場新工科運動的浪潮。在新工科運動的背景下，社會以及高校對學(xué)生的要求發(fā)生了很大程度上的轉(zhuǎn)變。如今，在實際生產(chǎn)和生活中，人們不僅要求計算機類人才具有扎心的理論基礎(chǔ)知識，同時，還要求大學(xué)生具有熟練的實際上手操作能力以及針對軟硬件的編程和調(diào)試能力?；谝陨献兓?，教師的教學(xué)能力和學(xué)生的學(xué)習(xí)能力也將面臨新的變化，因此，教學(xué)改革被提上議程。

本次課題以計算機硬件課程的教學(xué)為例，進行了新的教學(xué)模式的探索，在日常課堂教學(xué)中，加大并且深入了實踐課程的研究力度，達到實踐與理論相結(jié)合的目的，從而提高學(xué)生的計算機硬件知識水平。

一、硬件電路課程現(xiàn)狀

計算機硬件課程設(shè)計，是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)必修課，也是一門培養(yǎng)學(xué)生硬件思維和數(shù)字邏輯能力的重要課程。本門課程作為專業(yè)必修課，其前修課程有《計算機電路基礎(chǔ)》、《計算機組成原理》、《微型機接口技術(shù)》等，而這幾門課程都或多或少地存在著重理論輕實踐的基本問題，這就導(dǎo)致了學(xué)生的硬件基礎(chǔ)相對薄弱，同時對硬件課程的課程興趣度和重視度都不夠。因此，筆者將在計算機硬件電路教學(xué)中遇到的問題歸納為以下幾大類：

1.1重理論輕實踐

傳統(tǒng)的計算機硬件課程的教學(xué)多是以理論教學(xué)為主，重點強調(diào)知識點的理解和把握，傳統(tǒng)的教學(xué)方式也多是以教師在教室中講授為主。整體課程的設(shè)置相對枯燥，教學(xué)方法也是一成不變，少有創(chuàng)新。同時，幾門課程的銜接出現(xiàn)重復(fù)知識點重復(fù)講解的問題，在二進制、組合邏輯等知識領(lǐng)域，每門課程大綱都有所涉及，令學(xué)生在重復(fù)的學(xué)習(xí)中失去新鮮感，從而對硬件課程產(chǎn)生相應(yīng)的抵觸感，學(xué)習(xí)積極性不高。

1.2理論與實踐不匹配

很多硬件課程在教學(xué)大綱設(shè)計之初沒有考慮到實踐課程的銜接，因此，實踐課程多是后期根據(jù)需求加入到課程體系中來的。這就導(dǎo)致理論課程側(cè)重于傳統(tǒng)的基礎(chǔ)知識領(lǐng)域，而實踐課程又往往和最新的實踐項目相結(jié)合，導(dǎo)致了理論課程和實踐課程的不對稱和不對等。學(xué)生在上實踐課程時有少許迷茫情緒。

1.3實驗設(shè)備陳舊

目前實驗室中的實踐設(shè)備，多是以傳統(tǒng)的數(shù)字電路實驗箱、嵌入式開發(fā)板等為主，這些實驗設(shè)備配備的實驗項目和內(nèi)容一成不變，與理論課中的基礎(chǔ)知識一脈相承，都是側(cè)重于基礎(chǔ)，而忽視技術(shù)的更新?lián)Q代，因此，偶有實驗項目與新進技術(shù)脫節(jié)等問題存在。

基于對以上幾點現(xiàn)狀的思考和分析，結(jié)合新工科背景下行業(yè)對計算機人才的提出的更多的需求和更高的要求，本課題組對現(xiàn)有硬件課程設(shè)計課程進行了教學(xué)改革，彌補了教學(xué)中存在的問題與出現(xiàn)的短板，以期培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)對新的社會需求、勝任新的技術(shù)崗位、解決新的技術(shù)難題的綜合能力。

二、硬件電路課程教學(xué)改革方法

針對上存在的問題，本課題組從計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的硬件課程設(shè)計這一門課程入手，對教學(xué)大綱、課程體系以及知識點進行了統(tǒng)一的整理歸納，理清各個知識點之間的內(nèi)在銜接關(guān)系，重新梳理教學(xué)大綱，改變以往的以理論授課為主，學(xué)生被動接受的教學(xué)方式，重新找到一種以學(xué)生為主體的提高主觀能動性的課堂形式。

課題組首先對傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)方案進行了研討，計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，普遍分為公共課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課、實踐教學(xué)課幾個大的板塊。為了讓學(xué)生能夠更好地掌握計算機硬件電路知識，課題組在專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課程中，注重前后課程的銜接，按照人才培養(yǎng)方案的要求，以我院計算機電路基礎(chǔ)、計算機組成原理、微型機接口技術(shù)及硬件課程設(shè)計等偏硬件課程群為研究對象，相應(yīng)地調(diào)整了計算機硬件課程的教學(xué)大綱，在大綱中，著重調(diào)整了實踐課程的比例，重新設(shè)計了實踐課程的內(nèi)容，通過理論到實踐的轉(zhuǎn)換，來鍛煉學(xué)生的動腦思維能力。通過讓學(xué)生嘗試著自行動手設(shè)計電路等方式來提高學(xué)生的課堂積極性，提高學(xué)生的課堂動手能力，提高學(xué)生的課堂參與感。

三、硬件課程設(shè)計的教學(xué)實踐

在硬件電路的教學(xué)中，時常會遇到學(xué)生的理論知識已經(jīng)具備一定的基礎(chǔ)，但是輪到實際操作時，卻不知該從何處下手的困境。因此，為了減少學(xué)生在實踐環(huán)節(jié)中感覺與理論脫節(jié)的迷茫感，課題組從生活中的實際案例出發(fā)，盡量尋找學(xué)生日常會經(jīng)常接觸到的并且相對比較熟悉的情景，從情境中提取相應(yīng)的數(shù)字邏輯或硬件電路等，作為本課程的教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，來幫助學(xué)生將理論和實際聯(lián)系起來。

本課程以交通燈電路的設(shè)計為例，首先明確想要完成本電路需要的數(shù)字邏輯電路的知識點，并將知識點進行整合，在實踐課程開始前，將理論知識點通過授課的方式讓學(xué)生做到心中有數(shù)，具體內(nèi)容見表1。

由表1可見，知識點1、2和4的內(nèi)容屬于基礎(chǔ)知識范疇，可以將此部分理論知識于計算機電路基礎(chǔ)課程中進行講授，在計算機電路基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)上，完成本課程的實驗設(shè)計，可以使課程首尾銜接更加連貫，解決了學(xué)生認為學(xué)習(xí)知識有斷層感，前后知識無法熟練運用的困境。技能點3和5屬于實踐課程部分，對于同學(xué)來說相對陌生，可以在本課程的前幾個課時中向同學(xué)進行講授，并在實驗室中由同學(xué)親身實踐使用，熟練使用度，并將所學(xué)技能運用到本次設(shè)計中。

3.1 實踐工具介紹

本課程使用Multisim仿真軟件來進行硬件電路的設(shè)計。Multisim廣泛適用于板級的模擬電路板和數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入兩種輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。同學(xué)們可以利用Multisim仿真軟件交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。由于Multisim仿真軟件可以用于模擬電路和數(shù)字電路兩種電路的開發(fā)和設(shè)計工作，因此，該軟件可以普遍適用于硬件類相關(guān)課程的實踐教學(xué)，包括但不限于計算機電路基礎(chǔ)、計算機組成原理、微型機接口技術(shù)等。

3.2 實踐教學(xué)實施

本課題組以2018級計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生為研究對象，授課班級人數(shù)為每班60人左右。因此，將學(xué)生進行分組，每兩人為一組，由學(xué)生自行組隊。在課前，老師會將實驗內(nèi)容以及所用要用到的知識點以課堂講授的方式進行講解，并在前序課程中讓學(xué)生熟悉Multisim仿真軟件的使用方法，做到熟練運用。

課程開始時，會由教師將案例引入，并簡單啟發(fā)案例的分析方法及分析過程。引入工作結(jié)束后，由學(xué)生進行課堂討論，討論內(nèi)容即為電路的具體設(shè)計方法，包括但不限于電路中使用到的數(shù)字邏輯、如何控制時長的選擇、如何完成電路的定時功能等。

在討論環(huán)節(jié)中，如果學(xué)生遇到困難或有問題解決不了，教師會及時提供給予幫助。第三階段，由小組內(nèi)部自行運用Multisim仿真軟件繪制電路圖，在電路圖的繪制過程中，通過一邊設(shè)計一邊運行調(diào)試的方式，來檢查電路是否能夠達到預(yù)期效果，判斷設(shè)計電路的正確與否。最后，在實驗指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，按照預(yù)先給出的實驗指導(dǎo)書的要求，完成實驗報告，對實踐環(huán)節(jié)進行總結(jié)和分析，達到鞏固理論知識并結(jié)合實際的目的。

四、結(jié)束語

新工科教育背景下，計算機硬件課程的教學(xué)枯燥繁瑣等問題尤為突出。在對硬件課程教學(xué)進行了調(diào)研和探討之后，課題組選擇了硬件課程設(shè)計這門課程進行教學(xué)改革，突出了實踐環(huán)節(jié)在教學(xué)中的作用。培養(yǎng)學(xué)生的硬件思維，提高學(xué)生的動手能力，是的理論與實踐相結(jié)合，提高學(xué)生學(xué)習(xí)硬件課程的積極性，是本次教學(xué)改革的終極目的。本論文以硬件電路設(shè)計課程中的交通燈電路設(shè)計為例，借助Multisim仿真軟件的應(yīng)用，在教學(xué)中引入現(xiàn)實生活中隨處可見的例子，通過仿真來模擬實際生活中的情況，鍛煉了學(xué)生的實際分析能力，提高了學(xué)生的課堂參與度，激發(fā)了學(xué)生的科研興趣，取得了較好的成績。

參? 考? 文? 獻

[1]蘭勇，安毅生， 明洋， 馬榮貴，李穎.工程教育認證背景下計算機硬件課程教學(xué)改革與實踐[J].教育教學(xué)論壇，2021（28）：84-87.

[2]張磊，何杰，齊悅，鄭榕.以硬件思維培養(yǎng)為導(dǎo)向的數(shù)字邏輯課程建設(shè).中國冶金教育，2021（2）：46-50.

[3]劉彩虹，林強，滿正行，紀(jì)金水.結(jié)合工程教育認證的硬件系列課程教學(xué)改革.科技與創(chuàng)新，2021（7）：69-70.

[4]陳家禎，吳為民，鄭子華，葉鋒，連桂仁.基于EDA技術(shù)的計算機硬件課程實驗融合設(shè)計.實驗室科學(xué)，2021.2：120-126.

[5]胡必玲，鐘錦，潘潔珠.新工科背景下基于翻轉(zhuǎn)課堂的傳感網(wǎng)實驗課程教學(xué)改革.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2021（9）：125-127.