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探索計算機硬件類(lèi)課程實(shí)踐教學(xué)改革論文
我校的計算機硬件類(lèi)課程包括“計算機硬件技術(shù)基礎”、“微機原理與接口技術(shù)”和“單片機/嵌入式系統設計”等，它是計算機基礎教育的核心課程，更是自動(dòng)化、仿真等以電為主專(zhuān)業(yè)的重要必修基礎課。近年來(lái)，我們結合本校的人才培養實(shí)踐和國家級精品課程“計算機硬件技術(shù)基礎”建設，對計算機硬件類(lèi)課程實(shí)踐環(huán)節教學(xué)進(jìn)行改革，將實(shí)踐教學(xué)作為課程的重要內容和理論教學(xué)的延伸，建立與課程體系和課程內容改革相配套的創(chuàng )新型實(shí)踐教學(xué)體系，并在此基礎上，進(jìn)一步探索實(shí)驗室建設和改革。
1.實(shí)踐教學(xué)體系改革
我校是國內最早按課內實(shí)驗、課內課程設計和課外電子設計實(shí)踐相結合建立計算機硬件實(shí)踐教學(xué)體系的高校之一。但隨著(zhù)計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和新時(shí)期人才培養目標的變化，對計算機硬件類(lèi)課程的理論和實(shí)踐教學(xué)都提出了新的要求。為此，我們結合本校人才培養實(shí)踐，對原有計算機硬件實(shí)踐教學(xué)體系和實(shí)驗內容進(jìn)行不斷的完善和改革，以適應新時(shí)期創(chuàng )新人才培養的需要。
1) 優(yōu)化實(shí)驗內容
一方面，針對課內實(shí)驗學(xué)時(shí)相對較少的現實(shí)，將課內實(shí)驗分為功能認知性和自主設計性?xún)深?lèi)實(shí)驗。自主設計性實(shí)驗主要安排在課內時(shí)間完成，對功能認知性實(shí)驗，則在課堂上討論，鼓勵學(xué)生課外完成，以緩解實(shí)驗多和課時(shí)少的矛盾。另一方面，加強微機接口技術(shù)與各種執行機構和傳感器的聯(lián)系，改革和完善硬件實(shí)驗內容，使之緊貼課程內容建設，具有自動(dòng)化、仿真等專(zhuān)業(yè)應用背景。
2) 分層次和有區別開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)
我校計算機硬件類(lèi)課程授課對象多，不同專(zhuān)業(yè)對象培養目標和教學(xué)要求均有所區別。為了適應不同對象教學(xué)需求，我們結合學(xué)校人才培養計劃，將教學(xué)對象分為電為主理工科、非電為主理工科和學(xué)歷合訓三類(lèi)，在此基礎上建立分層次實(shí)踐教學(xué)體系。我們根據不同對象和專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，實(shí)現分層次和有區別地開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)。
( 1) 對非電為主理工科類(lèi)和學(xué)歷合訓類(lèi)專(zhuān)業(yè)，教學(xué)內容主要包括課內自主設計性實(shí)驗和微機接口與應用綜合設計。課內實(shí)驗、課內課程設計或課外電子設計實(shí)踐均以C 語(yǔ)言編程實(shí)現，不講授匯編語(yǔ)言程序設計，以滿(mǎn)足課時(shí)大幅減少的需求。
( 2) 對以電為主的理工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)，則在完成課內自主設計性實(shí)驗和微機接口與應用綜合設計的基礎上，增設一門(mén)“單片機/嵌入式系統設計”課程，以培養學(xué)生應用單片機/嵌入式系統等主流微機技術(shù)解決武器裝備信息化和自動(dòng)化領(lǐng)域實(shí)際問(wèn)題的能力。對課內實(shí)驗要求以匯編語(yǔ)言編程，但對課內課程設計和課外電子設計實(shí)踐則強調以匯編和C 語(yǔ)言混合編程，體現實(shí)際工程開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)。
( 3) 對課內自主設計性實(shí)驗和微機接口與應用綜合設計，不同層次教學(xué)對象的實(shí)驗內容和要求均有所不同。
3) 完善開(kāi)放性實(shí)驗環(huán)境
開(kāi)放型選題實(shí)驗是發(fā)揮學(xué)生主觀(guān)能動(dòng)性，拓展課程基本實(shí)驗與課程設計，有效利用專(zhuān)業(yè)應用背景進(jìn)行研究型學(xué)習的重要實(shí)踐環(huán)節我院建立了以機器人和典型武器裝備等為控制對象的創(chuàng )新實(shí)踐教學(xué)基地，支撐學(xué)生進(jìn)行課外科技活動(dòng)，如大學(xué)生創(chuàng )新基金項目和各級各類(lèi)電子設計競賽活動(dòng)等。形成一個(gè)具有自動(dòng)化和仿真專(zhuān)業(yè)特色的，能滿(mǎn)足課內實(shí)驗、課程設計與課外創(chuàng )新實(shí)踐需要的計算機硬件技術(shù)綜合實(shí)踐教學(xué)體系。
4) 完善實(shí)踐教材
我們特別注重實(shí)踐教材的建設，先后編著(zhù)出版了一系列在國內同領(lǐng)域有重大影響、體現素質(zhì)教育創(chuàng )新教育思想的實(shí)踐教材，如《計算機硬件技術(shù)基礎實(shí)驗教程》、《微型計算機原理與接口技術(shù)實(shí)驗指導》和《微機原理與接口技術(shù)經(jīng)典實(shí)驗案例集》。
2.實(shí)踐教學(xué)實(shí)施方法改革
1) 科學(xué)設計實(shí)驗內容、創(chuàng )新實(shí)驗模式通過(guò)科學(xué)設計實(shí)驗內容和合理安排實(shí)驗，形成由淺入深、由簡(jiǎn)單到復雜、由被動(dòng)模仿到主動(dòng)設計的實(shí)踐模式。
我們從內容上將實(shí)驗分為基本型、綜合型和探究型三類(lèi)，課內實(shí)驗主要從基本型和綜合型實(shí)驗項目中選題，課程設計則主要從綜合型和探究型實(shí)驗項目中選題。
從實(shí)施安排上，我們遵循從簡(jiǎn)單到復雜的原則，順序漸進(jìn)。對原理性和單個(gè)可編程接口芯片等基本實(shí)驗，可通過(guò)對理論和實(shí)驗教材給出的案例模仿完成，并保存實(shí)驗結果; 對多芯片綜合實(shí)驗和基于控制對象的應用型實(shí)驗，可將實(shí)驗分解成多個(gè)基于單個(gè)接口芯片實(shí)現的部分，并安排在前面實(shí)驗中實(shí)現，而后在已做實(shí)驗的基礎上層層組合來(lái)完成復雜功能。
2) 適當采用合作實(shí)驗教學(xué)模式
實(shí)踐表明，對一些實(shí)際動(dòng)手能力較差的學(xué)生，學(xué)生間交流可以增加他們的自信，所以在課內實(shí)踐教學(xué)中，將能力強的與相對較差的學(xué)生分為一組，利用學(xué)生間的相互交流和幫助，實(shí)現以好帶差的合作模式。這種模式強調學(xué)生間的互助，而非代替他人完成，最終實(shí)驗仍需一人一組驗收完成。
另一方面，能力強的學(xué)生往往有各自的特長(cháng)，在課外電子設計實(shí)踐/競賽中，將具有不同能力優(yōu)勢的學(xué)生分為一組合作攻關(guān)( 如硬件設計能力強的與軟件編程能力強的分為一組) ，可以實(shí)現優(yōu)勢互補。
3) 堅持教授和主講教師參與指導實(shí)驗
這樣做的好處是，任課教師的親歷能較快、較好且較真實(shí)地發(fā)現、反饋教學(xué)中存在的問(wèn)題，以便及時(shí)地微調教學(xué)進(jìn)度和內容安排。教授參與指導使教學(xué)實(shí)施更有的放矢，也有利于在教學(xué)實(shí)踐中不斷改革和完善實(shí)驗內容。
4) 改革考核驗收方法
我們將實(shí)踐環(huán)節與課程考核統籌考慮、一體化設計。具體做法是，實(shí)驗根據任務(wù)要求驗收，但不直接評價(jià)給分，而是將實(shí)驗/課程設計內容納入課程考核試卷: 從已做實(shí)驗中選取一個(gè)綜合性較強、但難度適中的實(shí)驗項目作為考試題—實(shí)驗重做題，并給出硬件、軟件均有錯誤的實(shí)驗答案，要求學(xué)生從中查找并糾正錯誤。
3.實(shí)驗室建設改革的探索
1) 不斷提升硬件實(shí)驗平臺
在實(shí)驗平臺建設上，我們以改革需求牽引，改革方案驅動(dòng)，堅持教授策劃，主講教師參與，采用自制和采購相結合的模式不斷提升實(shí)驗平臺。我們自研了第一代PC 機硬件實(shí)驗平臺; 以自研定制方式，與專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家合作研制了第二代PC 機硬件實(shí)驗平臺、單片機控制實(shí)驗平臺; 此后根據深化教學(xué)改革的需求，進(jìn)一步自研定制了第三代硬件實(shí)驗平臺。第三代平臺融合當前主流微機開(kāi)發(fā)技術(shù)，支持基于PC 開(kāi)發(fā)平臺，也可支持基于單片機/嵌入式開(kāi)發(fā)平臺開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)，同時(shí)與各種傳感器和執行機構緊密聯(lián)系。既可滿(mǎn)足計算機硬件類(lèi)和控制類(lèi)課程實(shí)踐教學(xué)的需求，又能支持學(xué)生進(jìn)行研究性和探索性學(xué)習。
2) 將科研成果轉化為教學(xué)資源
結合我校在機器人領(lǐng)域和武器裝備研究領(lǐng)域取得的科研成果，我們構建了以機器人和典型武器裝備為控制對象，具有自動(dòng)化及仿真專(zhuān)業(yè)應用背景的創(chuàng )新實(shí)踐教學(xué)基地。支撐學(xué)生參加以機器人為背景的各類(lèi)學(xué)科競賽，從而取得了包括CCTV 機器人大賽亞軍等一系列佳績(jì)。
3) 創(chuàng )新實(shí)驗教學(xué)管理模式
結合“計算機硬件技術(shù)基礎”國家精品課程建設，進(jìn)一步完善計算機硬件虛擬實(shí)驗，我們開(kāi)發(fā)與實(shí)踐教學(xué)改革思路相適應的實(shí)驗室管理系統。實(shí)行了“虛擬實(shí)驗準備、網(wǎng)上實(shí)驗預約、現場(chǎng)實(shí)際動(dòng)手、設備自動(dòng)管理、過(guò)程自動(dòng)監控”的運行管理模式。實(shí)現實(shí)驗室在時(shí)間上、空間上和實(shí)驗項目上全面開(kāi)放。
4.結語(yǔ)
我們在實(shí)踐教學(xué)改革中有如下進(jìn)一步思考。
( 1) 針對自動(dòng)化、仿真等非計算機專(zhuān)業(yè)應用計算機技術(shù)的特點(diǎn)，進(jìn)一步加強與控制系列相關(guān)課程，如“自動(dòng)控制原理”、“計算機控制技術(shù)”和“控制器件”等課程的統籌協(xié)調，構建控制系列和計算機硬件系列相融合的硬件實(shí)踐體系�；驹O想是:結合計算機接口技術(shù)設計控制器件實(shí)驗，在“控制器件”實(shí)驗中保留一些基本原理實(shí)驗( 也可歸入微機接口基本實(shí)驗) ，而將控制器件的綜合應用結合計算機測控系統設計歸入“微機接口與應用綜合設計”課程完成。
在基于典型控制對象的綜合實(shí)踐教學(xué)平臺上，應用單片機/嵌入式技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計算機控制技術(shù)，實(shí)現基于典型控制對象的自動(dòng)控制系統，使“單片機/嵌入式系統設計”與“自動(dòng)化系統綜合設計”相融合。
上述設想實(shí)現，將有利于在控制系列課程和硬件系列課程教學(xué)時(shí)數普遍減少的今天，大幅提高實(shí)踐教學(xué)的時(shí)效比。
2) 結合我校頂尖人才培養計劃，如“錢(qián)學(xué)森班”培養計劃，進(jìn)一步實(shí)現理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的融合。在條件允許的情況下，實(shí)現小班教學(xué)，將理論教學(xué)搬到實(shí)驗室，把實(shí)驗內容作為研討案例，使教學(xué)更形象生動(dòng)，從提高學(xué)生的創(chuàng )新思維能力和實(shí)際動(dòng)手能力。
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