(計算機教學論文)計算機硬件課程實驗教學探究

【計算機教學論文】計算機硬件課程實驗教學探究內(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)動手能力強的計算機硬件人才是解決此問題的一個必要條件。學生在硬件實驗課中，難于結(jié)合工程項目和實際應(yīng)用，學習主動性不夠高。通過多樣化的課前預(yù)習、知識化的思政案例、有針對性的課堂指導和完善的指導制度，能有效地提高學生的學習興趣，使實驗課和理論課互相促進，使硬件課程難學的問題得到解決。本文關(guān)鍵詞語:計算機硬件;實驗教學;產(chǎn)學融合計算機硬件課程不僅僅是計算機專業(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)的計算機硬件課程一般有(計算機組成原理〕(單片機開發(fā)技術(shù)〕(微機原理〕(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零碎且很多，部分學生學起來相對困難。由于各屆學生之間的互相影響，而導致學生對硬件課程有種先入為主的“怕〞。這樣，理論教學的不夠深切進入，導致學生對實驗課程也沒有足夠的重視。這種方式培養(yǎng)的學生，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)和計算機硬件的研發(fā)刻不容緩，努力培養(yǎng)高校學生的計算機硬件知識，使其能更快更好地適應(yīng)社會職位需求迫在眉睫。實驗課程不僅僅是理論課程的延續(xù)，也是其內(nèi)容的補充和提升。如果因為學生理論課程學習不夠深切進入而淡化實驗課程，實驗課程內(nèi)容簡單而無趣，則學生更不會主動學習該課程。如果學生理論課程學習較好，而實驗課程不夠豐富或過于枯燥，則可能會對理論課的學習起負面影響。反之，如果能合理布置實驗課程，則能使實驗課程與理論課程互相促進，使學生因興趣而主動學習，使理論與實踐共同提高。本文主要從課前操作、思政案例引入、實驗指導過程及課程制度激勵等方面進行分析，通過對實驗課的精心設(shè)計與布置，能很好地提高學生學習計算機硬件課程的興趣，使學生積極主動地投入計算機硬件相關(guān)方向的學習與研發(fā)當中來。2計算機硬件實驗課程教學設(shè)計與優(yōu)化現(xiàn)在，不少高校的硬件實驗課都采用教學實驗箱，實驗箱一般都是從教學設(shè)備商處購買，教學設(shè)備商同時提供了實驗軟件和實驗題目等豐富的資源。所以，各課程老師只需根據(jù)自己的需要，從提供的實驗題目中選擇若干實驗供學生課堂練習即可。這種實驗課程模式存在很多弊端，主要表現(xiàn)在:(1)學生僅能按步驟完成實驗內(nèi)容，并不能真正明白實驗的操作背景和實際應(yīng)用場景等。(2)實驗內(nèi)容和理論課程及實際工程項目脫節(jié)，學生不能通過實驗課程深化理論知識的學習，也不知道所做所學在將來的工作中會有什么可用之處。(3)各硬件實驗課程孤立，學生不能明白這些課程之間有什么聯(lián)系，認為學習這些課程枯燥而無用，所以部分學生很難有高昂的學習興趣和激情。針對這些問題，本文對硬件實驗課程進行了優(yōu)化與設(shè)計。2．1課前操作對大學生進一步地寬進嚴出是教育政策的必然。高校學生不是能輕松畢業(yè)就認為母校很好，也不會因為能輕松及格就認為自己的教師教得好。如果老師教學內(nèi)容豐富而有趣，學生能從中學到知識、受到啟發(fā)，學生學完課程后有一種充實感，仍有一種學而未盡的追求欲望，那么無論這位教師的課程任務(wù)有多重，學生一般還都是樂于接受的。(計算機組成原理〕和(微機原理〕課程相對抽象。一般單獨從實驗步驟上看，實驗內(nèi)容即不容易聯(lián)系教學資料，也不容易聯(lián)系工程項目，學生可能只會按步驟操作。即使能順利做完實驗，學生可能仍不明白所做實驗和理論課程及實際應(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，老師對實驗設(shè)備商提供的實驗內(nèi)容進行改進，使其能結(jié)合自己講解的教學資料知識。第二，老師針對每個實驗，總結(jié)出與其相關(guān)的學科知識和應(yīng)用領(lǐng)域，放在該實驗的最后作為實驗內(nèi)容延伸，并鼓勵學生結(jié)合以前所學和生活經(jīng)歷給出該實驗相關(guān)的知識點和實際應(yīng)用。第三，引進企業(yè)或其他高校的相關(guān)實驗線上課程，或由老師針對自己的學生錄制實驗課的線上輔助教學內(nèi)容。老師針對每個實驗布置任務(wù)，學生課前進行實驗背景、內(nèi)容及應(yīng)用領(lǐng)域等知識的線上預(yù)習，最好能線上記錄學生預(yù)習狀況。第四，經(jīng)濟條件較好的高校，可建立這些抽象課程的虛擬仿真實驗室，由學生在課下規(guī)定的時間內(nèi)通過虛擬仿真的形式完成每個實驗的相關(guān)內(nèi)容。(單片機開發(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目的形式聯(lián)系實際。但這些課程本身知識點多、聯(lián)系緊密、應(yīng)用起來有難度。十分的是，很多項目的完成需要結(jié)合多個章節(jié)(甚至多門課程)的知識，這給案例教學和項目驅(qū)動教學帶來了一定的難度。所以，在這些課程的理論教學中，盡量采用牽涉知識面少的項目，或者把一個大的項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目案例可以作為實驗內(nèi)容來開展，以便于老師能有更充足的時間和精力指導學生、掌握學生的項目設(shè)計能力。為了學生能按時完成實驗，對于這三門課程，除了可以采用上段所述的四種課前預(yù)習方案外，還可以由學生課下通過Proteus軟件進行實驗項目的設(shè)計和仿真，通過相應(yīng)的實驗軟件Keil、ADS、AＲMＲealViewDeveloperSuite、IAＲEWAＲM代碼編寫和測試等［2］。總之，根據(jù)老師精心設(shè)計的內(nèi)容和任務(wù)，學生有目的地進行和實驗相關(guān)的背景、應(yīng)用、理論及設(shè)計和測試知識的預(yù)習，既能增添學生學習的興趣，又能使實驗課很好地補充學生理論課時學習的不足。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)學生學習的興趣和動力，也是專業(yè)知識的延伸［3］。因?qū)嶒炚n程更容易結(jié)合前沿知識和實際項目等，所以，相比理論課程，實驗課程則更容易插入相關(guān)思政內(nèi)容。實驗內(nèi)容相關(guān)的專業(yè)發(fā)展、專業(yè)前沿和實際應(yīng)用可以很好地作為思政內(nèi)容插入實驗課程中。在硬件實驗的各課程中，可根據(jù)具體的實驗內(nèi)容插入我們國家計算機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。(計算機組成原理〕課程偏理論。在該課程存儲器相關(guān)實驗中，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，使學生對存儲器的進程和商家進行了解，以利于學生的設(shè)計和就業(yè)等。在CPU各部件相關(guān)的實驗中，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。(單片機開發(fā)技術(shù)〕(微機原理〕(接口技術(shù)〕和(AＲM原理與應(yīng)用〕課程工程性相對較強，很容易在實驗中結(jié)合相應(yīng)的工程項目作為思政元素。在這些課程的CPU模塊的實驗中，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)的實驗中，可比較不同機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驗中，可插入介紹無線耳機、無線外設(shè)的實現(xiàn)原理和應(yīng)用狀況，無線充電的基本原理等實驗相關(guān)的接口介紹。課程知識點相關(guān)的人物介紹是學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)實驗講解時的計算機之父馮·諾依曼(ENIAC)，課程第一次實驗講解計算機發(fā)展歷程時的戈登·摩爾(摩爾定律)等;在國內(nèi)，研制了中國第一臺巨型計算機銀河I、中國第一臺全數(shù)字實時仿真計算機銀河仿I、中國第一臺面向科學/工程計算的并行巨型計算機銀河II的周興銘院士，開發(fā)了聯(lián)想式漢字系統(tǒng)和聯(lián)想系列微機的倪光南院士，以及夏培肅院士、李國杰院士等很多計算機學家。課程專業(yè)相關(guān)的制度和政策解讀，一般是學生們聽的最認真的思政元素，有些同學還會自覺的做筆記?？梢灾v解的專業(yè)知識政策舉例如下:第一，當今中美關(guān)系下，我們國家計算機相關(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標準等為例，講解中國標準體系的發(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，計算機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驗課都準備思政元素，但在實際課程中，沒必要每次都進行思政講解，可根據(jù)學生的上課狀態(tài)、實驗任務(wù)的多少等靈活安排。插入思政內(nèi)容不宜時間過長，不能和實驗內(nèi)容本末倒置。老師不能為取悅學生而插入思政內(nèi)容，要在思政內(nèi)容講解后，注意觀察學生的學習狀態(tài)。如果相關(guān)的思政討論影響了實驗教學的進行，要根據(jù)學生當時的具體環(huán)境和反映狀況，找出問題所在，給出改進的措施。如果所講思政內(nèi)容能產(chǎn)生很積極的影響，使學生的學習興趣得到了長期提高，學生能在課下進行相關(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)容的實施進一步進行優(yōu)化。最終，通過思政內(nèi)容的插入能使學生學習更積極主動;能使學生對實驗的操作背景和實際應(yīng)用場景更清楚;也能使學生連點成線、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，就可以大大提高學生的就業(yè)和深造能力了。2．3實驗指導過程不同的實驗內(nèi)容，指導過程是不一樣的。所以指導過程最為靈活多變，一般需注意以下幾點。第一，認真做好每次指導，更要做好前幾次實驗的指導。前幾次實驗內(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都能完成。要通過前幾次實驗使學生樹立起能學好該課程，能做好實驗的信心。要能通過前幾次實驗有效地激發(fā)學生學習的動力。第二，簡單明了地講解實驗背景、實驗內(nèi)容、實驗步驟和要達到的結(jié)果，留足夠的時間供學生自己動手實驗。老師在實驗過程中僅起指導和總結(jié)作用就夠了，要讓學生自己動手實驗、自己查資料解決問題。對于學生不能解決的問題，老師可在查看過程中不間斷地進行提示，直到學生自己能得出結(jié)果。對于完成較早的學生，可以稍微改變實驗條件，讓學生進一步操作。第三，每個實驗留5～10分鐘供學生總結(jié)討論。老師給出討論的主題，并做最后總結(jié)。每個實驗的完成都不代表實驗的結(jié)束，更不代表學生能理解整個實驗。所以，有必要在每個實驗的最后留些時間，供老師和學生進行討論，最終通過討論進一步使實驗和理論知識及工程項目等相銜接。2．4課程制度與激勵無規(guī)矩不成方圓，學校和學院有發(fā)展規(guī)劃，每個專業(yè)和課程也要有自己的詳細的規(guī)劃和制度。對老師的教學和學生的學習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)理論課程和實驗課程最大的問題就是課程知識點不能協(xié)調(diào)統(tǒng)一，學生學習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)的項目設(shè)計與開發(fā)，從而可能會認為學習這些課程枯燥而無用。所以，應(yīng)由學院統(tǒng)一組織，各專業(yè)內(nèi)課程之間的教學內(nèi)容和實驗內(nèi)容形成統(tǒng)一規(guī)劃，使各課程教學內(nèi)容互相銜接而有序，有利于學生的學習和設(shè)計。為了提高學生對專業(yè)前沿和背景知識的了解，為了提高學生的項目設(shè)計能力，甚至可以統(tǒng)一規(guī)劃各理論課程和實驗課程的思政元素內(nèi)容和插入方式等。硬件實驗對設(shè)備依賴性比較強，應(yīng)建立相應(yīng)制度對硬件實驗室進行開放式管理。老師可根據(jù)教學實驗進度，單獨留相應(yīng)的選修實驗供學生課下操作，也可針對某些項目或全國性學科比賽留些設(shè)計題目供學生訓練。設(shè)置DIY實驗室，留下一些題目和書籍，提供助教崗位，在學生中實行以老帶新。課下實驗不必計入各種成績考核，只為培養(yǎng)學生的項目設(shè)計能力和學習興趣。設(shè)置激勵制度，鼓勵學生實驗操作和參與學科競賽等的積極性。為鼓勵學生更積極地做好實驗，可設(shè)置一些獎懲措施，如每次實驗課第一組完成實驗的可給予平時成績加分等。通過開放實驗室、DIY實驗室等提高學生的動手能力和設(shè)計能力，進而提高學生參與各種大賽的積極性?？稍O(shè)置獎勵措施，對參加全國性學科競賽的學生和指導老師根據(jù)成績分別給予形式不同的獎勵。因計算機硬件課程存在知識點零碎，需要記憶內(nèi)容多，所以學習難度相對較大。因芯片等產(chǎn)品種類很豐富，從事硬件項目設(shè)計時所使用芯片可能并不是所學習芯片，需要學生自學能力強。再加上各種硬件產(chǎn)品更新?lián)Q代很快，所以，大多數(shù)高校計算機專業(yè)的學生都存在欺軟(軟件)怕硬(硬件)的狀況。通過實驗內(nèi)容的合理選擇、實驗報告中知識前沿和工程應(yīng)用的延伸、線上實驗課程的提供和優(yōu)化、虛擬仿真和各種軟件的使用，能使學生通過預(yù)習提高學習的興趣和學習的能力，能使學生更好地掌握工程背景與設(shè)計方法。通過專業(yè)歷史發(fā)展與前沿和實際應(yīng)用的穿插、課程知識點相關(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)容和學生的聽課反映，設(shè)置靈活多變的指導過程，能盡全力實事求是、因地制宜地指導好每位學生，樹立學生學習的自信心，做好每節(jié)實驗課程。而合理