葉宗海

摘要：硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校的人才培養(yǎng)中占有重要地位，著重培養(yǎng)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新能力，是教學(xué)的必需環(huán)節(jié)。針對(duì)傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)上存在觀念、教學(xué)體系、實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍和實(shí)驗(yàn)考核等方面的不足，結(jié)合自身多年的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出措施，希望以此改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)硬件；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)體系；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；師資隊(duì)伍

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shí)驗(yàn)教學(xué)是計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分，是計(jì)算機(jī)專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、實(shí)踐與創(chuàng)新能力的必需環(huán)節(jié)。不斷改進(jìn)計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的不斷發(fā)展[1]。以下結(jié)合自身多年來的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，談?wù)勛约旱目捶ā?/p>

2 硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式與特點(diǎn)

硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有理論性強(qiáng)、難度大、軟硬件結(jié)合緊密等特點(diǎn)。與理論教學(xué)一樣，具有一套完整的科學(xué)教學(xué)體系，同時(shí)又有區(qū)別于理論教學(xué)的一些特點(diǎn)[2]。計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)一般需要用到的軟硬件有微機(jī)、配套軟件、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、測(cè)量儀器儀表及各種線纜等，使用設(shè)備多、綜合性強(qiáng)、復(fù)雜度高。實(shí)驗(yàn)成功與否涉及因素多，操作方式、軟硬件結(jié)合等方面都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)時(shí)需要綜合考慮。

實(shí)驗(yàn)課前，教師會(huì)要求學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理和電路，布置?nèi)容與要求。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，結(jié)合硬件實(shí)驗(yàn)箱，進(jìn)行電路連接、編寫程序、運(yùn)行并觀看結(jié)果。若結(jié)果有出入或者錯(cuò)誤，則需要進(jìn)行排查，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)完成后，記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析判斷并填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。以單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)為例，講授理論知識(shí)后布置實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)；實(shí)驗(yàn)前教師講解AD轉(zhuǎn)換工作原理、電路并布置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生按照要求將單片機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)箱相關(guān)電路模塊用導(dǎo)線連接，在上位機(jī)端使用KEIL軟件進(jìn)行編程，完成后進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證。使用數(shù)字萬用表觀察模擬電壓量以及實(shí)驗(yàn)箱上八段數(shù)碼管顯示的數(shù)字量，對(duì)比模擬量與數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，若模擬量與數(shù)字量都能正常同步增加與減小，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)完成后，需要記錄數(shù)據(jù)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并分析結(jié)果。

3 存在的問題

3.1 觀念滯后

國內(nèi)的教育思想中存有“重理論，輕實(shí)踐”的傳統(tǒng)觀念，實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍處于理論教學(xué)的從屬地位，被視為是單純理論教學(xué)的驗(yàn)證和延伸[1]。及時(shí)轉(zhuǎn)變觀念，認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性，就顯得尤為重要。一般高校只重視學(xué)生的軟件教學(xué)，輕視了硬件教學(xué)，存在“重軟輕硬”現(xiàn)象。由于硬件實(shí)驗(yàn)的特殊性，學(xué)生也只對(duì)軟件感興趣，害怕硬件實(shí)驗(yàn)與操作。比如有的專業(yè)，學(xué)過單片機(jī)技術(shù)課程，卻只懂得一點(diǎn)單片機(jī)理論知識(shí)，做起實(shí)驗(yàn)來，芯片控制與編程、電路連接，無從下手，更別說學(xué)以致用。同時(shí)，系部與教師對(duì)硬件實(shí)驗(yàn)也不夠重視，這樣對(duì)高校人才培養(yǎng)是不利的 。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系缺乏系統(tǒng)性和科學(xué)性

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的系統(tǒng)性。但硬件課程之間沒有形成一個(gè)系統(tǒng)整體，缺乏系統(tǒng)性和完整性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，基本以演示性、驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)為主，缺少綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。大多高校一般都開設(shè)有數(shù)字邏輯電路、計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理與接口、單片機(jī)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等硬件課程，各門課各自按課程要求安排實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間缺乏相互聯(lián)系。另外，課程開設(shè)有先后順序關(guān)系，可能存在如“微型計(jì)算機(jī)原理與接口”與“單片機(jī)技術(shù)”同一學(xué)期進(jìn)行教學(xué)的情況。同時(shí)，存在硬件實(shí)驗(yàn)在學(xué)時(shí)學(xué)分上的設(shè)置不合理、學(xué)時(shí)偏少、實(shí)驗(yàn)課程無學(xué)分、課程結(jié)束后無課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)等情況。

3.3 實(shí)驗(yàn)條件不完善

近年來， 高校的軟硬件設(shè)施建設(shè)有了很大提高，積極更新實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室等。但是，一般高校在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)更新上更側(cè)重于軟件類實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)更新，比如計(jì)算機(jī)機(jī)房。造成了硬件實(shí)驗(yàn)條件的不足、設(shè)備老舊、更新不及時(shí)等問題。還存在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所不足，硬件實(shí)驗(yàn)室設(shè)置不全，相關(guān)課程只上理論、沒有硬件實(shí)驗(yàn)的情況；有的實(shí)驗(yàn)室存放多套實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室利用率高，卻出現(xiàn)單套設(shè)備使用率較低的情況，這樣給實(shí)驗(yàn)室增加使用學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)室開放、開設(shè)課程設(shè)計(jì)等方面增加了困難。

3.4 實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍相對(duì)薄弱

穩(wěn)定的教師隊(duì)伍，對(duì)高校的發(fā)展與人才培養(yǎng)至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)教師作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)者和執(zhí)行者，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到了關(guān)鍵的作用，其能力和素質(zhì)的高低直接影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和學(xué)習(xí)效果[3]。相對(duì)于公辦高校，獨(dú)立學(xué)院存在師資隊(duì)伍不穩(wěn)定、人員流動(dòng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)，都是不利的。另外，還缺乏專業(yè)的實(shí)驗(yàn)員，而硬件實(shí)驗(yàn)一般是由教師和實(shí)驗(yàn)員一塊配合進(jìn)行的。由于獨(dú)立學(xué)院的特殊性，一位實(shí)驗(yàn)員需負(fù)責(zé)管理多間實(shí)驗(yàn)室，既要管理機(jī)房又要負(fù)責(zé)硬件實(shí)驗(yàn)室，還管理著網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室。而且硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備維護(hù)難度大，對(duì)專業(yè)技術(shù)要求高，實(shí)驗(yàn)室管理往往會(huì)套用計(jì)算機(jī)機(jī)房的管理方式，容易造成管理不足或“虛位”管理。

3.5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與考核方式需要改進(jìn)

受舊的教學(xué)模式影響，以教師為中心，學(xué)生按照老師要求和步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，缺乏主動(dòng)性，這種模式影響學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)造力的發(fā)揮。硬件理論教材陳舊，實(shí)驗(yàn)教材單調(diào)，或沒有實(shí)驗(yàn)教材，多年使用同一本教材，不能與時(shí)俱進(jìn)。一般來說，實(shí)驗(yàn)教材是各高校自行編寫，實(shí)驗(yàn)電路、操作步驟、表格等都已經(jīng)準(zhǔn)備好，只需按照教材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證、數(shù)據(jù)填寫、完成報(bào)告后就算完成實(shí)驗(yàn)。這束縛了學(xué)生的思維，影響了創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。有的設(shè)備配套實(shí)驗(yàn)教材，使用方便，但存在教材簡單、錯(cuò)誤多，不能完全滿足實(shí)驗(yàn)要求。而且，實(shí)驗(yàn)教材上基本只有演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺少設(shè)計(jì)性、綜合性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。另外，在實(shí)驗(yàn)考核方法上，也有不足。一般硬件實(shí)驗(yàn)是依附于理論教學(xué)的，沒有獨(dú)立設(shè)課，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)重視度不夠，只注重于期末的考試，實(shí)驗(yàn)過程、數(shù)據(jù)記錄和報(bào)告應(yīng)付性完成，影響了教師對(duì)學(xué)生的量化考核，也影響學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

4 改進(jìn)措施

4.1 建立和改進(jìn)硬件教學(xué)體系

培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)為出發(fā)點(diǎn)，以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性為目標(biāo)，提高學(xué)生綜合實(shí)踐能力和應(yīng)用能力為結(jié)果，做到實(shí)驗(yàn)教學(xué)融會(huì)貫通的模塊化、實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的多層次、實(shí)驗(yàn)教學(xué)類型的多樣化、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)化[4]。根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)結(jié)構(gòu)，將硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系分為四層：入門層、基礎(chǔ)層、拓展應(yīng)用層和提高層，如圖1所示。

入門層實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生熟悉常見的模擬電路、數(shù)字邏輯電路原理，具有設(shè)計(jì)一定功能電路的實(shí)踐能力；基礎(chǔ)層的“計(jì)算機(jī)組成原理”主要完成運(yùn)算控制器、存儲(chǔ)器、CPU等器件的原理與控制實(shí)驗(yàn)，熟悉簡單的計(jì)算機(jī)原型組成與原理；微機(jī)原理接口培養(yǎng)使用與硬件緊密結(jié)合的匯編語言編程、CPU與外圍部件的接口設(shè)計(jì)等，使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)有更進(jìn)一步理解；拓展應(yīng)用層實(shí)主要完成單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，使學(xué)生能熟悉應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)，提高實(shí)際應(yīng)用能力；提高層的綜合設(shè)計(jì)與應(yīng)用創(chuàng)新，要求學(xué)生將所學(xué)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用，進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)和新技術(shù)的研究應(yīng)用，提升學(xué)生科研和開發(fā)能力。比如參與教師課研、畢業(yè)設(shè)計(jì)，參加各種電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等活動(dòng)。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容層次上，可以將部分計(jì)算機(jī)硬件課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為4類，即驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型、綜合型、探索型，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由淺入深，循序漸進(jìn)[5]。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化理論知識(shí)的理解；設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)電路設(shè)計(jì)和調(diào)試能力；綜合型實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握綜合應(yīng)用軟硬件的技能；探索性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生分析、判斷和解決實(shí)際問題方法和能力。在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容層次上，還需要根據(jù)硬件實(shí)驗(yàn)課程情況，在實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)課程學(xué)分等方面做出改進(jìn)，以加強(qiáng)學(xué)生從基礎(chǔ)到應(yīng)用、從探索實(shí)踐到創(chuàng)新能力的層次化培養(yǎng)全過程。

4.2 加強(qiáng)建設(shè)，改善實(shí)驗(yàn)室環(huán)境

改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境，從硬件和軟件建設(shè)兩方面入手。

1）硬件設(shè)備是保障實(shí)驗(yàn)正常開展的前提條件。微機(jī)與硬件實(shí)驗(yàn)箱使用3～5年就會(huì)出現(xiàn)設(shè)備老化、運(yùn)行速度和設(shè)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(shí)更新?lián)Q代，否則無法滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。因此，在硬件實(shí)驗(yàn)室建設(shè)上，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的需要及新技術(shù)的發(fā)展來定期制定設(shè)備購置計(jì)劃，及時(shí)讓學(xué)生用上最先進(jìn)的產(chǎn)品來適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展[6]。另外，盡量避免出現(xiàn)過多套數(shù)的硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備共用一間實(shí)驗(yàn)室情況，預(yù)留足夠的空間和時(shí)間來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的開放。

2）在加強(qiáng)硬件建設(shè)基礎(chǔ)上，也需加強(qiáng)軟件方面建設(shè)。第一，及時(shí)安裝更新當(dāng)前主流系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，使學(xué)生能夠熟悉使用比較當(dāng)前主流的應(yīng)用軟件，做到與時(shí)俱進(jìn)。由于硬件實(shí)驗(yàn)箱存在硬件電路或芯片的不足，安裝虛擬仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如數(shù)字邏輯電路、單片機(jī)技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程使用PROTUES仿真軟件，彌補(bǔ)硬件實(shí)驗(yàn)箱的短板，做到能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。第二，要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室管理與維護(hù)，形成良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，完善規(guī)章制度，保障實(shí)驗(yàn)室正常高效使用。第三，相對(duì)于理論授課，硬件實(shí)驗(yàn)在學(xué)時(shí)上明顯偏少，導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手能力不足。一種途徑是增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)，也可以在課余時(shí)間進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)室的開放，開展有償使用實(shí)驗(yàn)室服務(wù)工作，滿足學(xué)生在課余時(shí)間使用設(shè)備做實(shí)驗(yàn)的要求。

4.3 加強(qiáng)師資隊(duì)伍，提升水平

加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)，是培養(yǎng)高質(zhì)量學(xué)生的前提條件。如何培養(yǎng)出一批既要有知識(shí)，又要有能力，更要具有使知識(shí)和能力得到充分發(fā)揮的高素質(zhì)人才，對(duì)教育工作者而言是一大挑戰(zhàn)[7]。硬件師資隊(duì)伍建設(shè)，需要將理論教師與實(shí)驗(yàn)員隊(duì)伍建設(shè)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(jīng)驗(yàn)的專業(yè)教師加入計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)隊(duì)伍，提高專業(yè)水平。同時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)教師和實(shí)驗(yàn)員專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)，組織參與校內(nèi)外的教學(xué)研討交流，參加計(jì)算機(jī)硬件有關(guān)的學(xué)術(shù)會(huì)議、廠家舉辦的各種軟硬件培訓(xùn)、與企業(yè)開展橫行課題合作及帶領(lǐng)學(xué)生參加各種計(jì)算機(jī)硬件類的競(jìng)賽等活動(dòng)，以提升專業(yè)水平。

4.4 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)考核機(jī)制

硬件實(shí)驗(yàn)在增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)等內(nèi)容之外，還需要改進(jìn)實(shí)驗(yàn)考核機(jī)制，引起學(xué)生對(duì)硬件實(shí)驗(yàn)的重視，提高學(xué)習(xí)積極性。適當(dāng)增加學(xué)時(shí)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)后，有時(shí)間在硬件實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)，也可以讓教師更好的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)成績綜合評(píng)定。增加課程設(shè)計(jì)、硬件實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置學(xué)分，讓學(xué)生提高動(dòng)手能力之外，也可以提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視程度。同時(shí)，為了實(shí)驗(yàn)成績?cè)u(píng)定的公平性，實(shí)驗(yàn)時(shí)要求每位學(xué)生獨(dú)立操作和完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)課程單獨(dú)設(shè)置學(xué)分，意味著理論與實(shí)驗(yàn)的考核分開，讓學(xué)生在學(xué)到相關(guān)理論知識(shí)外，能夠獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，提高動(dòng)手能力。

5 結(jié)束語

提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，是一項(xiàng)系統(tǒng)性工作。需要在學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度、實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件、教師專業(yè)水平、教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)考核等多方面下工夫，還要結(jié)合當(dāng)前形式下的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況，不斷總結(jié)與思考，不斷實(shí)踐與提高。

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