陳立剛，鄒逢興，徐曉紅

(國防科技大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院，湖南 長沙410073)

我校的計算機(jī)硬件類課程包括“計算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”和“單片機(jī)/嵌入式系統(tǒng)設(shè)計”等，它是計算機(jī)基礎(chǔ)教育的核心課程，更是自動化、仿真等以電為主專業(yè)的重要必修基礎(chǔ)課。近年來，我們結(jié)合本校的人才培養(yǎng)實(shí)踐和國家級精品課程“計算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”建設(shè)，對計算機(jī)硬件類課程實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)進(jìn)行改革，將實(shí)踐教學(xué)作為課程的重要內(nèi)容和理論教學(xué)的延伸，建立與課程體系和課程內(nèi)容改革相配套的創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)體系，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和改革。

1 實(shí)踐教學(xué)體系改革

我校是國內(nèi)最早按課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課內(nèi)課程設(shè)計和課外電子設(shè)計實(shí)踐相結(jié)合建立計算機(jī)硬件實(shí)踐教學(xué)體系的高校之一。但隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和新時期人才培養(yǎng)目標(biāo)的變化，對計算機(jī)硬件類課程的理論和實(shí)踐教學(xué)都提出了新的要求。為此，我們結(jié)合本校人才培養(yǎng)實(shí)踐，對原有計算機(jī)硬件實(shí)踐教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行不斷的完善和改革，以適應(yīng)新時期創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要。

1)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

一方面，針對課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時相對較少的現(xiàn)實(shí)，將課內(nèi)實(shí)驗(yàn)分為功能認(rèn)知性和自主設(shè)計性兩類實(shí)驗(yàn)。自主設(shè)計性實(shí)驗(yàn)主要安排在課內(nèi)時間完成，對功能認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)，則在課堂上討論，鼓勵學(xué)生課外完成，以緩解實(shí)驗(yàn)多和課時少的矛盾。另一方面，加強(qiáng)微機(jī)接口技術(shù)與各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器的聯(lián)系，改革和完善硬件實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使之緊貼課程內(nèi)容建設(shè)，具有自動化、仿真等專業(yè)應(yīng)用背景。

2)分層次和有區(qū)別開展實(shí)踐教學(xué)

我校計算機(jī)硬件類課程授課對象多，不同專業(yè)對象培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)要求均有所區(qū)別。為了適應(yīng)不同對象教學(xué)需求，我們結(jié)合學(xué)校人才培養(yǎng)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(xùn)三類，在此基礎(chǔ)上建立分層次實(shí)踐教學(xué)體系，如圖1所示。

圖1 分層次實(shí)踐教學(xué)體系

我們根據(jù)不同對象和專業(yè)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)分層次和有區(qū)別地開展實(shí)踐教學(xué)。

(1)對非電為主理工科類和學(xué)歷合訓(xùn)類專業(yè)，教學(xué)內(nèi)容主要包括課內(nèi)自主設(shè)計性實(shí)驗(yàn)和微機(jī)接口與應(yīng)用綜合設(shè)計。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課內(nèi)課程設(shè)計或課外電子設(shè)計實(shí)踐均以C 語言編程實(shí)現(xiàn)，不講授匯編語言程序設(shè)計，以滿足課時大幅減少的需求。

(2)對以電為主的理工科類專業(yè)，則在完成課內(nèi)自主設(shè)計性實(shí)驗(yàn)和微機(jī)接口與應(yīng)用綜合設(shè)計的基礎(chǔ)上，增設(shè)一門“單片機(jī)/嵌入式系統(tǒng)設(shè)計”課程，以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用單片機(jī)/嵌入式系統(tǒng)等主流微機(jī)技術(shù)解決武器裝備信息化和自動化領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力。對課內(nèi)實(shí)驗(yàn)要求以匯編語言編程，但對課內(nèi)課程設(shè)計和課外電子設(shè)計實(shí)踐則強(qiáng)調(diào)以匯編和C 語言混合編程，體現(xiàn)實(shí)際工程開發(fā)的特點(diǎn)。

(3)對課內(nèi)自主設(shè)計性實(shí)驗(yàn)和微機(jī)接口與應(yīng)用綜合設(shè)計，不同層次教學(xué)對象的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求均有所不同。

3)完善開放性實(shí)驗(yàn)環(huán)境

開放型選題實(shí)驗(yàn)是發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，拓展課程基本實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計，有效利用專業(yè)應(yīng)用背景進(jìn)行研究型學(xué)習(xí)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)［2］。我院建立了以機(jī)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，如大學(xué)生創(chuàng)新基金項目和各級各類電子設(shè)計競賽活動等。形成一個具有自動化和仿真專業(yè)特色的，能滿足課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計與課外創(chuàng)新實(shí)踐需要的計算機(jī)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(shè)，先后編著出版了一系列在國內(nèi)同領(lǐng)域有重大影響、體現(xiàn)素質(zhì)教育創(chuàng)新教育思想的實(shí)踐教材，如《計算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教程》、《微型計算機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》和《微機(jī)原理與接口技術(shù)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)案例集》。

2 實(shí)踐教學(xué)實(shí)施方法改革

1)科學(xué)設(shè)計實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

通過科學(xué)設(shè)計實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和合理安排實(shí)驗(yàn)，形成由淺入深、由簡單到復(fù)雜、由被動模仿到主動設(shè)計的實(shí)踐模式。

我們從內(nèi)容上將實(shí)驗(yàn)分為基本型、綜合型和探究型三類，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要從基本型和綜合型實(shí)驗(yàn)項目中選題，課程設(shè)計則主要從綜合型和探究型實(shí)驗(yàn)項目中選題。

從實(shí)施安排上，我們遵循從簡單到復(fù)雜的原則，順序漸進(jìn)，如圖2所示。對原理性和單個可編程接口芯片等基本實(shí)驗(yàn)，可通過對理論和實(shí)驗(yàn)教材給出的案例模仿完成，并保存實(shí)驗(yàn)結(jié)果;對多芯片綜合實(shí)驗(yàn)和基于控制對象的應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)，可將實(shí)驗(yàn)分解成多個基于單個接口芯片實(shí)現(xiàn)的部分，并安排在前面實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)，而后在已做實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上層層組合來完成復(fù)雜功能。

圖2 搭積木式實(shí)驗(yàn)實(shí)施方法

2)適當(dāng)采用合作實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

實(shí)踐表明，對一些實(shí)際動手能力較差的學(xué)生，學(xué)生間交流可以增加他們的自信，所以在課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)中，將能力強(qiáng)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(xiàn)以好帶差的合作模式。這種模式強(qiáng)調(diào)學(xué)生間的互助，而非代替他人完成，最終實(shí)驗(yàn)仍需一人一組驗(yàn)收完成。

另一方面，能力強(qiáng)的學(xué)生往往有各自的特長，在課外電子設(shè)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(shè)計能力強(qiáng)的與軟件編程能力強(qiáng)的分為一組)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。

3)堅持教授和主講教師參與指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)

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(xiàn)、反饋教學(xué)中存在的問題，以便及時地微調(diào)教學(xué)進(jìn)度和內(nèi)容安排。教授參與指導(dǎo)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(yàn)內(nèi)容。

4)改革考核驗(yàn)收方法

我們將實(shí)踐環(huán)節(jié)與課程考核統(tǒng)籌考慮、一體化設(shè)計。具體做法是，實(shí)驗(yàn)根據(jù)任務(wù)要求驗(yàn)收，但不直接評價給分，而是將實(shí)驗(yàn)/課程設(shè)計內(nèi)容納入課程考核試卷:從已做實(shí)驗(yàn)中選取一個綜合性較強(qiáng)、但難度適中的實(shí)驗(yàn)項目作為考試題—實(shí)驗(yàn)重做題，并給出硬件、軟件均有錯誤的實(shí)驗(yàn)答案，要求學(xué)生從中查找并糾正錯誤。

3 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)改革的探索

1)不斷提升硬件實(shí)驗(yàn)平臺

在實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)上，我們以改革需求牽引，改革方案驅(qū)動，堅持教授策劃，主講教師參與，采用自制和采購相結(jié)合的模式不斷提升實(shí)驗(yàn)平臺。我們自研了第一代PC 機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺;以自研定制方式，與專業(yè)廠家合作研制了第二代PC 機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺、單片機(jī)控制實(shí)驗(yàn)平臺;此后根據(jù)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(yàn)平臺。

第三代平臺融合當(dāng)前主流微機(jī)開發(fā)技術(shù)，支持基于PC 開發(fā)平臺，也可支持基于單片機(jī)/嵌入式開發(fā)平臺開展實(shí)踐教學(xué)，同時與各種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)緊密聯(lián)系。既可滿足計算機(jī)硬件類和控制類課程實(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(xí)。

2)將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源

結(jié)合我校在機(jī)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(gòu)建了以機(jī)器人和典型武器裝備為控制對象，具有自動化及仿真專業(yè)應(yīng)用背景的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)基地。支撐學(xué)生參加以機(jī)器人為背景的各類學(xué)科競賽，從而取得了包括CCTV 機(jī)器人大賽亞軍等一系列佳績。

3)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理模式

結(jié)合“計算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”國家精品課程建設(shè)，進(jìn)一步完善計算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)，我們開發(fā)與實(shí)踐教學(xué)改革思路相適應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。實(shí)行了“虛擬實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)預(yù)約、現(xiàn)場實(shí)際動手、設(shè)備自動管理、過程自動監(jiān)控”的運(yùn)行管理模式。實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室在時間上、空間上和實(shí)驗(yàn)項目上全面開放。

4 結(jié)語

我們在實(shí)踐教學(xué)改革中有如下進(jìn)一步思考。

(1)針對自動化、仿真等非計算機(jī)專業(yè)應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)，進(jìn)一步加強(qiáng)與控制系列相關(guān)課程，如“自動控制原理”、“計算機(jī)控制技術(shù)”和“控制器件”等課程的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，構(gòu)建控制系列和計算機(jī)硬件系列相融合的硬件實(shí)踐體系。基本設(shè)想是:

結(jié)合計算機(jī)接口技術(shù)設(shè)計控制器件實(shí)驗(yàn)，在“控制器件”實(shí)驗(yàn)中保留一些基本原理實(shí)驗(yàn)(也可歸入微機(jī)接口基本實(shí)驗(yàn))，而將控制器件的綜合應(yīng)用結(jié)合計算機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計歸入“微機(jī)接口與應(yīng)用綜合設(shè)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(yīng)用單片機(jī)/嵌入式技術(shù)、自動控制技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于典型控制對象的自動控制系統(tǒng)，使“單片機(jī)/嵌入式系統(tǒng)設(shè)計”與“自動化系統(tǒng)綜合設(shè)計”相融合。

上述設(shè)想實(shí)現(xiàn)，將有利于在控制系列課程和硬件系列課程教學(xué)時數(shù)普遍減少的今天，大幅提高實(shí)踐教學(xué)的時效比。

2)結(jié)合我校頂尖人才培養(yǎng)計劃，如“錢學(xué)森班”培養(yǎng)計劃，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)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(xiàn)小班教學(xué)，將理論教學(xué)搬到實(shí)驗(yàn)室，把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為研討案例，使教學(xué)更形象生動，從提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和實(shí)際動手能力。

［1］ 鄒逢興，陳立剛，徐曉紅等. 關(guān)于自動化專業(yè)電子信息類課程教學(xué)改革的探索與思考［J］. 北京:中國大學(xué)教學(xué). 2011(9)

［2］ 陳立剛，徐曉紅，彭學(xué)鋒.“計算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”課程創(chuàng)新教學(xué)改革的實(shí)踐［J］. 南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報. 2009(自動化教育專輯)

［3］ 張云洲，吳成東，崔建江等. 基于機(jī)器人競賽的大學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)與實(shí)踐［J］. 南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報. 2007(1)

［4］ 王詠梅，葛建宏，王炳謙. 機(jī)器人創(chuàng)新開放實(shí)驗(yàn)室建設(shè)［J］. 上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索. 2009(11)