(計(jì)算機(jī)教學(xué)論文)計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究

【計(jì)算機(jī)教學(xué)論文】計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究內(nèi)容摘要:“缺芯〞是我們國家現(xiàn)前階段的“卡脖子〞問題，培養(yǎng)動手能力強(qiáng)的計(jì)算機(jī)硬件人才是解決此問題的一個必要條件。學(xué)生在硬件實(shí)驗(yàn)課中，難于結(jié)合工程項(xiàng)目和實(shí)際應(yīng)用，學(xué)習(xí)主動性不夠高。通過多樣化的課前預(yù)習(xí)、知識化的思政案例、有針對性的課堂指導(dǎo)和完善的指導(dǎo)制度，能有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使實(shí)驗(yàn)課和理論課互相促進(jìn)，使硬件課程難學(xué)的問題得到解決。本文關(guān)鍵詞語:計(jì)算機(jī)硬件;實(shí)驗(yàn)教學(xué);產(chǎn)學(xué)融合計(jì)算機(jī)硬件課程不僅僅是計(jì)算機(jī)專業(yè)的主干課程，在電子、自動控制和通信等專業(yè)中也起著舉足輕重的作用，和如今非常熱門的新專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等也息息相關(guān)。各高校開設(shè)的計(jì)算機(jī)硬件課程一般有(計(jì)算機(jī)組成原理〕(單片機(jī)開發(fā)技術(shù)〕(微機(jī)原理〕(接口技術(shù)〕和(AＲM原理與應(yīng)用〕等。這些課程中需要記憶的知識點(diǎn)零碎且很多，部分學(xué)生學(xué)起來相對困難。由于各屆學(xué)生之間的互相影響，而導(dǎo)致學(xué)生對硬件課程有種先入為主的“怕〞。這樣，理論教學(xué)的不夠深切進(jìn)入，導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課程也沒有足夠的重視。這種方式培養(yǎng)的學(xué)生，畢業(yè)以后很難從事硬件相關(guān)技術(shù)開發(fā)。最近幾年，西方一些國家想通過高端芯片的出口限制我們國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［1］。因此，大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)和計(jì)算機(jī)硬件的研發(fā)刻不容緩，努力培養(yǎng)高校學(xué)生的計(jì)算機(jī)硬件知識，使其能更快更好地適應(yīng)社會職位需求迫在眉睫。實(shí)驗(yàn)課程不僅僅是理論課程的延續(xù)，也是其內(nèi)容的補(bǔ)充和提升。如果因?yàn)閷W(xué)生理論課程學(xué)習(xí)不夠深切進(jìn)入而淡化實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容簡單而無趣，則學(xué)生更不會主動學(xué)習(xí)該課程。如果學(xué)生理論課程學(xué)習(xí)較好，而實(shí)驗(yàn)課程不夠豐富或過于枯燥，則可能會對理論課的學(xué)習(xí)起負(fù)面影響。反之，如果能合理布置實(shí)驗(yàn)課程，則能使實(shí)驗(yàn)課程與理論課程互相促進(jìn)，使學(xué)生因興趣而主動學(xué)習(xí)，使理論與實(shí)踐共同提高。本文主要從課前操作、思政案例引入、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)過程及課程制度激勵等方面進(jìn)行分析，通過對實(shí)驗(yàn)課的精心設(shè)計(jì)與布置，能很好地提高學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件課程的興趣，使學(xué)生積極主動地投入計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)方向的學(xué)習(xí)與研發(fā)當(dāng)中來。2計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)與優(yōu)化現(xiàn)在，不少高校的硬件實(shí)驗(yàn)課都采用教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)箱一般都是從教學(xué)設(shè)備商處購買，教學(xué)設(shè)備商同時(shí)提供了實(shí)驗(yàn)軟件和實(shí)驗(yàn)題目等豐富的資源。所以，各課程老師只需根據(jù)自己的需要，從提供的實(shí)驗(yàn)題目中選擇若干實(shí)驗(yàn)供學(xué)生課堂練習(xí)即可。這種實(shí)驗(yàn)課程模式存在很多弊端，主要表現(xiàn)在:(1)學(xué)生僅能按步驟完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并不能真正明白實(shí)驗(yàn)的操作背景和實(shí)際應(yīng)用場景等。(2)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和理論課程及實(shí)際工程項(xiàng)目脫節(jié)，學(xué)生不能通過實(shí)驗(yàn)課程深化理論知識的學(xué)習(xí)，也不知道所做所學(xué)在將來的工作中會有什么可用之處。(3)各硬件實(shí)驗(yàn)課程孤立，學(xué)生不能明白這些課程之間有什么聯(lián)系，認(rèn)為學(xué)習(xí)這些課程枯燥而無用，所以部分學(xué)生很難有高昂的學(xué)習(xí)興趣和激情。針對這些問題，本文對硬件實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了優(yōu)化與設(shè)計(jì)。2．1課前操作對大學(xué)生進(jìn)一步地寬進(jìn)嚴(yán)出是教育政策的必然。高校學(xué)生不是能輕松畢業(yè)就認(rèn)為母校很好，也不會因?yàn)槟茌p松及格就認(rèn)為自己的教師教得好。如果老師教學(xué)內(nèi)容豐富而有趣，學(xué)生能從中學(xué)到知識、受到啟發(fā)，學(xué)生學(xué)完課程后有一種充實(shí)感，仍有一種學(xué)而未盡的追求欲望，那么無論這位教師的課程任務(wù)有多重，學(xué)生一般還都是樂于接受的。(計(jì)算機(jī)組成原理〕和(微機(jī)原理〕課程相對抽象。一般單獨(dú)從實(shí)驗(yàn)步驟上看，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容即不容易聯(lián)系教學(xué)資料，也不容易聯(lián)系工程項(xiàng)目，學(xué)生可能只會按步驟操作。即使能順利做完實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可能仍不明白所做實(shí)驗(yàn)和理論課程及實(shí)際應(yīng)用之間到底有什么聯(lián)系。老師主要可從以下四個方面解決這個問題。第一，老師對實(shí)驗(yàn)設(shè)備商提供的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)，使其能結(jié)合自己講解的教學(xué)資料知識。第二，老師針對每個實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出與其相關(guān)的學(xué)科知識和應(yīng)用領(lǐng)域，放在該實(shí)驗(yàn)的最后作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容延伸，并鼓勵學(xué)生結(jié)合以前所學(xué)和生活經(jīng)歷給出該實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用。第三，引進(jìn)企業(yè)或其他高校的相關(guān)實(shí)驗(yàn)線上課程，或由老師針對自己的學(xué)生錄制實(shí)驗(yàn)課的線上輔助教學(xué)內(nèi)容。老師針對每個實(shí)驗(yàn)布置任務(wù)，學(xué)生課前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)背景、內(nèi)容及應(yīng)用領(lǐng)域等知識的線上預(yù)習(xí)，最好能線上記錄學(xué)生預(yù)習(xí)狀況。第四，經(jīng)濟(jì)條件較好的高校，可建立這些抽象課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，由學(xué)生在課下規(guī)定的時(shí)間內(nèi)通過虛擬仿真的形式完成每個實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容。(單片機(jī)開發(fā)技術(shù)〕(接口技術(shù)〕和(AＲM原理與應(yīng)用〕課程較容易通過引入工程項(xiàng)目的形式聯(lián)系實(shí)際。但這些課程本身知識點(diǎn)多、聯(lián)系緊密、應(yīng)用起來有難度。十分的是，很多項(xiàng)目的完成需要結(jié)合多個章節(jié)(甚至多門課程)的知識，這給案例教學(xué)和項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)帶來了一定的難度。所以，在這些課程的理論教學(xué)中，盡量采用牽涉知識面少的項(xiàng)目，或者把一個大的項(xiàng)目拆分成幾個小的案例，分開在不同章節(jié)中使用。把一些牽涉面相對較廣的項(xiàng)目案例可以作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來開展，以便于老師能有更充足的時(shí)間和精力指導(dǎo)學(xué)生、掌握學(xué)生的項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力。為了學(xué)生能按時(shí)完成實(shí)驗(yàn)，對于這三門課程，除了可以采用上段所述的四種課前預(yù)習(xí)方案外，還可以由學(xué)生課下通過Proteus軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和仿真，通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)軟件Keil、ADS、AＲMＲealViewDeveloperSuite、IAＲEWAＲM代碼編寫和測試等［2］?？傊鶕?jù)老師精心設(shè)計(jì)的內(nèi)容和任務(wù)，學(xué)生有目的地進(jìn)行和實(shí)驗(yàn)相關(guān)的背景、應(yīng)用、理論及設(shè)計(jì)和測試知識的預(yù)習(xí)，既能增添學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，又能使實(shí)驗(yàn)課很好地補(bǔ)充學(xué)生理論課時(shí)學(xué)習(xí)的不足。2．2思政案例引入師者，傳道授業(yè)解惑也。課程思政的引入既能充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動力，也是專業(yè)知識的延伸［3］。因?qū)嶒?yàn)課程更容易結(jié)合前沿知識和實(shí)際項(xiàng)目等，所以，相比理論課程，實(shí)驗(yàn)課程則更容易插入相關(guān)思政內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的專業(yè)發(fā)展、專業(yè)前沿和實(shí)際應(yīng)用可以很好地作為思政內(nèi)容插入實(shí)驗(yàn)課程中。在硬件實(shí)驗(yàn)的各課程中，可根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容插入我們國家計(jì)算機(jī)軟件和硬件在國際中的狀況、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程與關(guān)系、大數(shù)據(jù)和人工智能的應(yīng)用與展望等知識。(計(jì)算機(jī)組成原理〕課程偏理論。在該課程存儲器相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，可分別插入世界及我們國家存儲器發(fā)展歷史與現(xiàn)在狀況，插入存儲器的主要生產(chǎn)廠家，使學(xué)生對存儲器的進(jìn)程和商家進(jìn)行了解，以利于學(xué)生的設(shè)計(jì)和就業(yè)等。在CPU各部件相關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，可插入世界主要CPU生產(chǎn)商的發(fā)展與現(xiàn)在狀況，使學(xué)生了解CPU的發(fā)展歷史和性能優(yōu)化等;也可插入MCS-51系列、AＲM系列等CPU的簡介，為后期課程做好鋪墊;還可進(jìn)一步插入麒麟芯片架構(gòu)，使其了解國產(chǎn)狀況、存在問題和擬解決方案等。(單片機(jī)開發(fā)技術(shù)〕(微機(jī)原理〕(接口技術(shù)〕和(AＲM原理與應(yīng)用〕課程工程性相對較強(qiáng)，很容易在實(shí)驗(yàn)中結(jié)合相應(yīng)的工程項(xiàng)目作為思政元素。在這些課程的CPU模塊的實(shí)驗(yàn)中，可插入不同字長、不同系列的CPU的應(yīng)用領(lǐng)域的區(qū)別及它們在工程應(yīng)用中的優(yōu)劣。在指令系統(tǒng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，可比較不同機(jī)器的匯編語言的差異不同，比較匯編與C等語言的差異不同，簡單介紹華為鴻蒙系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)在狀況與應(yīng)用展望等。在這些課程的接口實(shí)驗(yàn)中，可插入介紹無線耳機(jī)、無線外設(shè)的實(shí)現(xiàn)原理和應(yīng)用狀況，無線充電的基本原理等實(shí)驗(yàn)相關(guān)的接口介紹。課程知識點(diǎn)相關(guān)的人物介紹是學(xué)生們最喜歡的思政內(nèi)容，也是最能靈活插入的思政元素。如:硬件結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)講解時(shí)的計(jì)算機(jī)之父馮·諾依曼(ENIAC)，課程第一次實(shí)驗(yàn)講解計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程時(shí)的戈登·摩爾(摩爾定律)等;在國內(nèi)，研制了中國第一臺巨型計(jì)算機(jī)銀河I、中國第一臺全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)銀河仿I、中國第一臺面向科學(xué)/工程計(jì)算的并行巨型計(jì)算機(jī)銀河II的周興銘院士，開發(fā)了聯(lián)想式漢字系統(tǒng)和聯(lián)想系列微機(jī)的倪光南院士，以及夏培肅院士、李國杰院士等很多計(jì)算機(jī)學(xué)家。課程專業(yè)相關(guān)的制度和政策解讀，一般是學(xué)生們聽的最認(rèn)真的思政元素，有些同學(xué)還會自覺的做筆記?？梢灾v解的專業(yè)知識政策舉例如下:第一，當(dāng)今中美關(guān)系下，我們國家計(jì)算機(jī)相關(guān)行業(yè)發(fā)展的國家政策。第二，國產(chǎn)CPU及其他芯片發(fā)展中遇到的困難及可以采納的解決辦法。第三，以類似華為5G標(biāo)準(zhǔn)等為例，講解中國標(biāo)準(zhǔn)體系的發(fā)展與現(xiàn)在狀況。第四，可分析類似華為、聯(lián)想等主要企業(yè)的發(fā)展歷程及其管理策略等。第五，計(jì)算機(jī)硬件知識在研究生深造和就業(yè)中的作用和應(yīng)用。老師要盡量為每次實(shí)驗(yàn)課都準(zhǔn)備思政元素，但在實(shí)際課程中，沒必要每次都進(jìn)行思政講解，可根據(jù)學(xué)生的上課狀態(tài)、實(shí)驗(yàn)任務(wù)的多少等靈活安排。插入思政內(nèi)容不宜時(shí)間過長，不能和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本末倒置。老師不能為取悅學(xué)生而插入思政內(nèi)容，要在思政內(nèi)容講解后，注意觀察學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。如果相關(guān)的思政討論影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)行，要根據(jù)學(xué)生當(dāng)時(shí)的具體環(huán)境和反映狀況，找出問題所在，給出改進(jìn)的措施。如果所講思政內(nèi)容能產(chǎn)生很積極的影響，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了長期提高，學(xué)生能在課下進(jìn)行相關(guān)前沿知識等的查閱和討論等。老師也要給出具體反思，對思政內(nèi)容的實(shí)施進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。最終，通過思政內(nèi)容的插入能使學(xué)生學(xué)習(xí)更積極主動;能使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的操作背景和實(shí)際應(yīng)用場景更清楚;也能使學(xué)生連點(diǎn)成線、很好地把相關(guān)課程融合在一起，再加上對相關(guān)政策的解讀，就可以大大提高學(xué)生的就業(yè)和深造能力了。2．3實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)過程不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，指導(dǎo)過程是不一樣的。所以指導(dǎo)過程最為靈活多變，一般需注意以下幾點(diǎn)。第一，認(rèn)真做好每次指導(dǎo)，更要做好前幾次實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)。前幾次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容沒必要太難，老師在不斷地查看過程中，要盡量保證每組同學(xué)都能完成。要通過前幾次實(shí)驗(yàn)使學(xué)生樹立起能學(xué)好該課程，能做好實(shí)驗(yàn)的信心。要能通過前幾次實(shí)驗(yàn)有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動力。第二，簡單明了地講解實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟和要達(dá)到的結(jié)果，留足夠的時(shí)間供學(xué)生自己動手實(shí)驗(yàn)。老師在實(shí)驗(yàn)過程中僅起指導(dǎo)和總結(jié)作用就夠了，要讓學(xué)生自己動手實(shí)驗(yàn)、自己查資料解決問題。對于學(xué)生不能解決的問題，老師可在查看過程中不間斷地進(jìn)行提示，直到學(xué)生自己能得出結(jié)果。對于完成較早的學(xué)生，可以稍微改變實(shí)驗(yàn)條件，讓學(xué)生進(jìn)一步操作。第三，每個實(shí)驗(yàn)留5～10分鐘供學(xué)生總結(jié)討論。老師給出討論的主題，并做最后總結(jié)。每個實(shí)驗(yàn)的完成都不代表實(shí)驗(yàn)的結(jié)束，更不代表學(xué)生能理解整個實(shí)驗(yàn)。所以，有必要在每個實(shí)驗(yàn)的最后留些時(shí)間，供老師和學(xué)生進(jìn)行討論，最終通過討論進(jìn)一步使實(shí)驗(yàn)和理論知識及工程項(xiàng)目等相銜接。2．4課程制度與激勵無規(guī)矩不成方圓，學(xué)校和學(xué)院有發(fā)展規(guī)劃，每個專業(yè)和課程也要有自己的詳細(xì)的規(guī)劃和制度。對老師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)都要形成一定的約束和激勵，久而久之，就成為一種自覺性。各專業(yè)理論課程和實(shí)驗(yàn)課程最大的問題就是課程知識點(diǎn)不能協(xié)調(diào)統(tǒng)一，學(xué)生學(xué)習(xí)到的是孤立的課程知識，不能很好地明白這些課程之間到底有什么聯(lián)系，不能立即從事相關(guān)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)，從而可能會認(rèn)為學(xué)習(xí)這些課程枯燥而無用。所以，應(yīng)由學(xué)院統(tǒng)一組織，各專業(yè)內(nèi)課程之間的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容形成統(tǒng)一規(guī)劃，使各課程教學(xué)內(nèi)容互相銜接而有序，有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)。為了提高學(xué)生對專業(yè)前沿和背景知識的了解，為了提高學(xué)生的項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力，甚至可以統(tǒng)一規(guī)劃各理論課程和實(shí)驗(yàn)課程的思政元素內(nèi)容和插入方式等。硬件實(shí)驗(yàn)對設(shè)備依賴性比較強(qiáng)，應(yīng)建立相應(yīng)制度對硬件實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行開放式管理。老師可根據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，單獨(dú)留相應(yīng)的選修實(shí)驗(yàn)供學(xué)生課下操作，也可針對某些項(xiàng)目或全國性學(xué)科比賽留些設(shè)計(jì)題目供學(xué)生訓(xùn)練。設(shè)置DIY實(shí)驗(yàn)室，留下一些題目和書籍，提供助教崗位，在學(xué)生中實(shí)行以老帶新。課下實(shí)驗(yàn)不必計(jì)入各種成績考核，只為培養(yǎng)學(xué)生的項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力和學(xué)習(xí)興趣。設(shè)置激勵制度，鼓勵學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作和參與學(xué)科競賽等的積極性。為鼓勵學(xué)生更積極地做好實(shí)驗(yàn)，可設(shè)置一些獎懲措施，如每次實(shí)驗(yàn)課第一組完成實(shí)驗(yàn)的可給予平時(shí)成績加分等。通過開放實(shí)驗(yàn)室、DIY實(shí)驗(yàn)室等提高學(xué)生的動手能力和設(shè)計(jì)能力，進(jìn)而提高學(xué)生參與各種大賽的積極性。可設(shè)置獎勵措施，對參加全國性學(xué)科競賽的學(xué)生和指導(dǎo)老師根據(jù)成績分別給予形式不同的獎勵。因計(jì)算機(jī)硬件課程存在知識點(diǎn)零碎，需要記憶內(nèi)容多，所以學(xué)習(xí)難度相對較大。因芯片等產(chǎn)品種類很豐富，從事硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)所使用芯片可能并不是所學(xué)習(xí)芯片，需要學(xué)生自學(xué)能力強(qiáng)。再加上各種硬件產(chǎn)品更新?lián)Q代很快，所以，大多數(shù)高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生都存在欺軟(軟件)怕硬(硬件)的狀況。通過實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的合理選擇、實(shí)驗(yàn)報(bào)告中知識前沿和工程應(yīng)用的延伸、線上實(shí)驗(yàn)課程的提供和優(yōu)化、虛擬仿真和各種軟件的使用，能使學(xué)生通過預(yù)習(xí)提高學(xué)習(xí)的興趣和學(xué)習(xí)的能力，能使學(xué)生更好地掌握工程背景與設(shè)計(jì)方法。通過專業(yè)歷史發(fā)展與前沿和實(shí)際應(yīng)用的穿插、課程知識點(diǎn)相關(guān)的人物介紹、課程專業(yè)相關(guān)的制度和政策解讀，能使學(xué)生的專業(yè)分析能力、就業(yè)能力和深造能力因思政元素的引入而大大提高。根據(jù)不同的課程內(nèi)容和學(xué)生的聽課反映，設(shè)置靈活多變的指導(dǎo)過程，能盡全力實(shí)事求是、因地制宜地指導(dǎo)好每位學(xué)生，樹立學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心，做好每節(jié)實(shí)驗(yàn)課程。而合理