改革计算机硬件实验教学

目前, 高等学校计算机硬件方面的课程主要有微机原理及应用 、单片机原理及应用 、嵌入式系统设计与实现 、计算机组成原理 ,数字电路与逻辑等。这些课程内容从不同的角度涉及了许多计算机硬件方面的知识, 学习起来比较枯燥、难以理解、实践性较强。为了使学生能够充分领会、理解并掌握书本中的内容,突出对学生实践动手能力的培养, 造就开拓型, 创新型的优秀人才, 实践教学对于整体教学而言是至关重要的 。为此, 对计算机硬件实验教学努力做了一些尝试, 主要从实验室管理与建设, 实验教学内容与方法等方面进行探索与实践。

1 　加强实验室管理与建设

实验教学是课堂教学的延伸, 实验室的建设和改革关系到实验教学质量的提高, 关系到当今社会需要的动手能力强、创新能力高、适应性强的人才的培养。(1)硬件设施建设。随着计算机技术的日益发展, 计算机硬件的发展也日益显著。各种各样微处理器不断更新, 功能不断增强, 以FPGA 为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展, 嵌入式系统设计也逐步成为主流。为了使学生跟上时代潮流, 了解最新技术, 在计算机课程设置改革的同时, 也要对实验设备、实验内容进行改革, 计算机的配置也要不断地提高以满足实验的需求。硬件设施建设为实验教学改革提供了必要的物质基础 。

(2)软件设施建设。通过多年的摸索、总结、修改及完善, 制定出了一套较为完整的管理制度和岗位责任制度。包括实验室管理规定 、实验室工作人员岗位责任 、实验室安全制度 、学生实验守则等。通过这些制度的切实贯彻执行, 使每位实验教师都明确自己的职责, 并且将实验室繁杂的各项工作, 如实验的准备, 仪器的维护、维修、管理, 实验教学方法的研究,硬件设备的改进, 软件的开发及实验内容的改革等都与本职工作量挂钩, 以充分发挥大家的积极性, 因而在实验教学上取得了较好成效。

(3)实验教师队伍建设。提高实验教学质量, 教师是关键。高素质的实验教学师资队伍, 是培养高素质人才的根本保障。实验室主任是学科的带头人, 应具有较高的政治思想觉悟和较高的业务素质, 有丰富的教学科研工作经验, 能把握学科的发展方向, 指导实验室的学术发展。实验教师队伍结构应形成梯队, 老、中、轻3 个层次的教师均具备, 这样可以集中优势, 弥补不同层次人员的缺陷, 使实验室改革与建设稳步向前发展 。实验教师应每周参加一次学术交流活动或教学讲座, 互相取长补短, 了解国内外本学科前沿的知识和信息, 并按实验课内容经常组织教学讨论。要突出实验重点和完善实验手段, 不断推新实验题目, 增加设计性、综合性实验, 申请设立实验教学方面的课题等。在提高工作效率的同时, 也增强集体的凝聚力。

改革的动力在于人的素质提高, 由于实验课具有安排比较松散的特点, 因此要有一支思想稳定、整体素质过硬、技术全面的实验教师队伍, 以增强实验教学改革服务功能。要建立一支具有扎实的学科基础、有丰富的教学第一线实践经验、善于发现或预见国内外的学科发展动向、随时为学生在实践中的问题解答提供帮助的实验教师队伍。

(4)文档信息管理现代化。实验室采用计算机等现代化管理手段, 对实验室的工作人员、固定资产、消耗材料、仪器附件、科研项目、各种资料等信息进行记录、统计、分析和存档。文档信息管理能够及时为上级部门提供实验室情况的准确数据, 帐物清晰。

2 　改革实验教学内容

硬件实验室作为计算机科学与技术学院实验中心的专业实验室, 承担计算机科学与技术专业及全校非计算机专业的技术基础课、专业平台课、专业方向课的实验教学。还承担本专业的课程设计、生产实习、毕业设计的教学任务。随着电子信息技术的迅猛发展, 在知识更新加快, 知识愈来愈多元化、专业化和系统化的情况下, 改革过去传统的以验证性为主的实验技术手段、方法和落后的实验内容, 增加设计性、综合性、开放性和系统性的实验内容, 加强学生动手能力的训练, 注重全面素质的提高, 注重创新精神的培养已势在必行 。

在实验教学内容的改革上, 本着加强基础、拓宽专业、注重实践、提高素质的方针, 采用验证+创新的方法, 认真组织安排合理的实验项目, 规范了实验教学内容。将实验项目分为3 类, 即验证性、设计性、综合性实验, 由浅到深, 循序渐进。在验证性实验中, 注重学生巩固理论课的学习, 进一步掌握基本概念和基本技能。在设计性的实验中, 注重培养学生的创新意识、设计能力、创造能力和动手能力。在这一类实验中, 以学生动手为主, 教师辅导为辅, 只给定实验的课题及达到的目的, 中间过程需学生自己去查阅资料和设计方案, 直至最后调试完成。例如, 在微型机算计技术实验课中, 让学生利用P1 口功能实现对交通灯的控制。学生可以自己设计硬件实验线路连接, 自己编写程序等, 对培养学生的主动性, 实践性具有非常重要的作用, 收到了良好的实验效果。在综合性的实验中, 注重培养学生综合运用所学知识的能力, 使学生受到更为实际、更加全面的科学研究的训练。综合设计实验的最大特色就是没有现成的模式可循, 学生需要独立完成硬、软件设计和调试。在调试过程中, 学生自己动手分析解决实验中出现的问题。实践证明, 综合性、设计性实验虽然有一定的难度和深度, 但对学生很有吸引力, 能使学生从应付实验变为主动实验, 不仅提高了基本操作技能, 也发挥了学生的主观能动性和创造性。

在生产实习方面, 注重教学和生产实践相结合, 力求拓宽学生的知识面。具体模式为校外参观实践与校内设计相结合。去校外企业实践, 如:电表厂、热电厂、量具厂, 了解企业的组织结构及其产品的生产过程等方面的具体知识, 为今后走上工作岗位打下了一定的基础。在校内, 由指导教师给出具有实际性的题目, 学生自己进行硬件设计与软件编程, 如:利用EDA 技术,采用MAX +PLUSII 工具进行数字跑表的设计等。在课程设计方面, 给了学生更大的自由度。针对某一课程, 课题及开发工具可由学生自己确定, 或由指导教师确定, 学生必须首先写出设计书, 交给指导教师审核之后才能实施。在这一过程中, 学生需要去查阅大量的参考书和工具书, 一定程度上也培养了学生的自学能力、研究设计能力、独立分析问题及解决问题的能力和创新能力。如在 计算机组成原理 课程设计中, 让学生进行复杂模型机的设计。

除了上述实验教学改革内容外, 还努力进行开放性实验项目的研究, 目前实施的项目有4 项, 涉及嵌入式技术和EDA 技术。开放的模式为定时、定向模式,所面向的对象是本专业的优秀学生。在实施的过程中, 以学生为主体、教师为主导方式进行。开放性实验教学以培养学生实践动手能力为目的, 教师在实验开始前, 用少量的时间进行集中讲解, 提出实验目的、要求以及注意事项。此后, 在实验室主要进行答疑和考核。通过开放性实验, 使学生理论联系实际, 提高了学生的实践能力, 为以后走向社会奠定了基础, 收到了良好的实践效果。

开放实验室, 就是要提高实验室及其仪器设备的利用率, 使人、财、物发挥最大作用;就是要提高实验教学水平, 提高人才培养质量, 增加高校与社会的互动机会;就是要激活实验室自身的造血功能, 使实验室加快发展速度, 加大发展规模 。因此, 建立开放性实验室, 研究开放性实验项目是一个长期的过程, 需要不断的研究与探索。

3 　改革实验教学方法及手段

(1)教师主导作用方面。改变过去按部就班的教学模式, 以启发式指导实验。教师在备课时, 对每次实验重点和难点、实验中可能出现的问题、实验的数据与结果都要心中有数。在指导实验时, 要勤于巡视, 及时了解、掌握学生的实验情况。当学生在实验中出现问题时, 教师从基本概念、解题思路及实现方法上引导学生, 促使其积极思考, 发现问题, 解决问题, 真正使他们成为实验课的主体。对每个实验的数据和结果, 都要经过教师的检查认可, 并在检查时让学生阐述自己的设计思想及实现过程, 培养他们的口头表达能力。对那些学有余力的学生, 允许在完成实验任务之后, 利用实验室现有的设备及环境, 去研究和学习自己感兴趣的东西, 以促进他们个性的发展。

(2)学生主体作用方面。实验报告是培养学生写作能力、表达能力、分析能力和总结能力的一种较好的方式, 因此, 要求学生在实验结束后对每一个实验都要提交实验报告, 在报告中要注重设计思想的描述, 注重分析、总结实验中的收获、体会。教师根据学生实验情况、实验报告情况, 客观评定学生的实验成绩 。通过以上措施, 提高了学生对实验课的重视程度, 同时对指导教师也提出了更高的要求。实践证明, 把教师的主导作用和学生的主体作用结合起来, 有利于推进教学方法的改革, 提高了实验教学水平。

(3)实验教学CAI 软件开发。近年来, 随着多媒体和网络通信技术的迅速发展, 计算机辅助教学CAI的应用在教育领域得到了很大发展 。CAI 具有交互性、动画演示、丰富的图形信息、教学内容条理化等特点, 它是改革计算机硬件实验教学手段的最好方法。硬件实验涉及大量的电路图, 不仅在黑板上画起来比较麻烦, 而且理解起来也比较困难, 采用CAI 课件可以使教师从烦杂的板书中解脱出来, 使教学更加生动, 便于学生理解。实践证明, 这种教育手段有利于提高学生的学习兴趣, 有利于突破教学的重点和难点, 有利于提高课堂的教学效果和质量。目前已经申请并研制了微机原理系列实验教学课件 、数字电路及逻辑实验教学课件 、计算机组成原理实验教学课件3 项校内课题。所制作的课件已经应用到实践中, 调查结果表明:该课件运行良好, 方便了教师实验教学, 满足学生的学习需求, 提高了实验教学质量及水平。

4 　结　语

实验教学是课堂教学的延伸, 实验教学环节是培养学生动手实践能力和创新思想的重要环节, 在高等教育过程中有着不可替代的作用。随着电子技术和计算机科学与技术的飞速发展, 计算机系统硬件发展迅速, 产品更新换代周期短, 新技术与新产品不断涌现,因此, 在适时调整计算机硬件理论课教学计划和教学大纲的同时, 也要对硬件实验教学进行改革, 实验室的建设和改革关系到教学质量的提高, 关系到当今社会需要的动手能力强、创新能力高、适应性强的人才的培养。