計算機硬件課程實驗教學探究

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摘要:“缺芯”是我國現階段的“卡脖子”問題，培養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，難于結合工程項目和實際應用，學習主動性不夠高。通過多樣化的課前預習、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，使實驗課和理論課相互促進，使硬件課程難學的問題得到解決。

關鍵詞:計算機硬件;實驗教學;產學融合

1緒論

計算機硬件課程不僅是計算機專業的主干課程，在電子、自動控制和通信等專業中也起著舉足輕重的作用，和如今非常熱門的新專業物聯網、大數據、人工智能等也息息相關。各高校開設的計算機硬件課程一般有《計算機組成原理》《單片機開發技術》《微機原理》《接口技術》和《ARM原理與應用》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相互影響，而導致學生對硬件課程有種先入為主的“怕”。這樣，理論教學的不夠深入，導致學生對實驗課程也沒有足夠的重視。這種方式培養的學生，畢業后很難從事硬件相關技術開發。近幾年，西方一些國家想通過高端芯片的出口限制我國相關產業的發展［1］。因此，大力發展集成電路產業和計算機硬件的研發刻不容緩，努力培養高校學生的計算機硬件知識，使其能更快更好地適應社會職位需求迫在眉睫。實驗課程不僅是理論課程的延續，也是其內容的補充和提升。如果因為學生理論課程學習不夠深入而淡化實驗課程，實驗課程內容簡單而無趣，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相互促進，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方向的學習與研發當中來。

2計算機硬件實驗課程教學設計與優化

現在，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備商處購買，教學設備商同時提供了實驗軟件和實驗題目等豐富的資源。所以，各課程教師只需根據自己的需要，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，主要表現在:(1)學生僅能按步驟完成實驗內容，并不能真正明白實驗的操作背景和實際應用場景等。(2)實驗內容和理論課程及實際工程項目脫節，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用處。(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化與設計。

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就認為母校很好，也不會因為能輕松及格就認為自己的老師教得好。如果教師教學內容豐富而有趣，學生能從中學到知識、受到啟發，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，那么無論這位老師的課程任務有多重，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，實驗內容即不容易聯系教材，也不容易聯系工程項目，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用之間到底有什么聯系。教師主要可從以下四個方面解決這個問題。第一，教師對實驗設備商提供的實驗內容進行改進，使其能結合自己講解的教材知識。第二，教師針對每個實驗，總結出與其相關的學科知識和應用領域，放在該實驗的最后作為實驗內容延伸，并鼓勵學生結合以前所學和生活經歷給出該實驗相關的知識點和實際應用。第三，引進企業或其他高校的相關實驗線上課程，或由教師針對自己的學生錄制實驗課的線上輔助教學內容。教師針對每個實驗布置任務，學生課前進行實驗背景、內容及應用領域等知識的線上預習，最好能線上記錄學生預習狀況。第四，經濟條件較好的高校，可建立這些抽象課程的虛擬仿真實驗室，由學生在課下規定的時間內通過虛擬仿真的形式完成每個實驗的相關內容。《單片機開發技術》《接口技術》和《ARM原理與應用》課程較容易通過引入工程項目的形式聯系實際。但這些課程本身知識點多、聯系緊密、應用起來有難度。特別的是，很多項目的完成需要結合多個章節(甚至多門課程)的知識，這給案例教學和項目驅動教學帶來了一定的難度。所以，在這些課程的理論教學中，盡量采用涉及知識面少的項目，或者把一個大的項目拆分成幾個小的案例，分開在不同章節中使用。把一些涉及面相對較廣的項目案例可以作為實驗內容來開展，以便于教師能有更充足的時間和精力指導學生、掌握學生的項目設計能力。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計和仿真，通過相應的實驗軟件Keil、ADS、ARMRealViewDeveloperSuite、IAREWARM代碼編寫和測試等［2］。總之，根據教師精心設計的內容和任務，學生有目的地進行和實驗相關的背景、應用、理論及設計和測試知識的預習，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，傳道授業解惑也。課程思政的引入既能充分激發學生學習的興趣和動力，也是專業知識的延伸［3］。因實驗課程更容易結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思政內容。實驗內容相關的專業發展、專業前沿和實際應用可以很好地作為思政內容插入實驗課程中。在硬件實驗的各課程中，可根據具體的實驗內容插入我國計算機軟件和硬件在國際中的狀況、互聯網和物聯網的發展歷程與關系、大數據和人工智能的應用與展望等知識。《計算機組成原理》課程偏理論。在該課程存儲器相關實驗中，可分別插入世界及我國存儲器發展歷史與現狀，插入存儲器的主要生產廠家，使學生對存儲器的進程和商家進行了解，以利于學生的設計和就業等。在CPU各部件相關的實驗中，可插入世界主要CPU生產商的發展與現狀，使學生了解CPU的發展歷史和性能優化等;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，使其了解國產狀況、存在問題和擬解決方案等。《單片機開發技術》《微機原理》《接口技術》和《ARM原理與應用》課程工程性相對較強，很容易在實驗中結合相應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的應用領域的區別及它們在工程應用中的優劣。在指令系統相關的實驗中，可比較不同機器的匯編語言的差別，比較匯編與C等語言的差別，簡單介紹華為鴻蒙系統的發展現狀與應用展望等。在這些課程的接口實驗中，可插入介紹無線耳機、無線外設的實現原理和應用狀況，無線充電的基本原理等實驗相關的接口介紹。課程知識點相關的人物介紹是學生們最喜歡的思政內容，也是最能靈活插入的思政元素。如:硬件結構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展歷程時的戈登·摩爾(摩爾定律)等;在國內，研制了中國第一臺巨型計算機銀河I、中國第一臺全數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，開發了聯想式漢字系統和聯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。課程專業相關的制度和政策解讀，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。可以講解的專業知識政策舉例如下:第一，當今中美關系下，我國計算機相關行業發展的國家政策。第二，國產CPU及其他芯片發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展與現狀。第四，可分析類似華為、聯想等主要企業的發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中的作用和應用。教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，可根據學生的上課狀態、實驗任務的多少等靈活安排。插入思政內容不宜時間過長，不能和實驗內容本末倒置。教師不能為取悅學生而插入思政內容，要在思政內容講解后，注意觀察學生的學習狀態。如果相關的思政討論影響了實驗教學的進行，要根據學生當時的具體環境和反映狀況，找出問題所在，給出改進的措施。如果所講思政內容能產生很積極的影響，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前沿知識等的查閱和討論等。教師也要給出具體反思，對思政內容的實施進一步進行優化。最終，通過思政內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用場景更清楚;也能使學生連點成線、很好地把相關課程融合在一起，再加上對相關政策的解讀，就可以大大提高學生的就業和深造能力了。

2．3實驗指導過程

不同的實驗內容，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。前幾次實驗內容沒必要太難，教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學生學習的動力。第二，簡單明了地講解實驗背景、實驗內容、實驗步驟和要達到的結果，留足夠的時間供學生自己動手實驗。教師在實驗過程中僅起指導和總結作用就夠了，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，教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分鐘供學生總結討論。教師給出討論的主題，并做最后總結。每個實驗的完成都不代表實驗的結束，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，供教師和學生進行討論，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

無規矩不成方圓，學校和學院有發展規劃，每個專業和課程也要有自己的詳細的規劃和制度。對教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。各專業理論課程和實驗課程最大的問題就是課程知識點不能協調統一，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系，不能立即從事相關的項目設計與開發，從而可能會認為學習這些課程枯燥而無用。所以，應由學院統一組織，各專業內課程之間的教學內容和實驗內容形成統一規劃，使各課程教學內容相互銜接而有序，有利于學生的學習和設計。為了提高學生對專業前沿和背景知識的了解，為了提高學生的項目設計能力，甚至可以統一規劃各理論課程和實驗課程的思政元素內容和插入方式等。硬件實驗對設備依賴性比較強，應建立相應制度對硬件實驗室進行開放式管理。教師可根據教學實驗進度，單獨留相應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計題目供學生訓練。設置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，只為培養學生的項目設計能力和學習興趣。設置激勵制度，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計能力，進而提高學生參與各種大賽的積極性。可設置獎勵措施，對參加全國性學科競賽的學生和指導教師根據成績分別給予形式不同的獎勵。

3總結

因計算機硬件課程存在知識點零碎，需要記憶內容多，所以學習難度相對較大。因芯片等產品種類很豐富，從事硬件項目設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。再加上各種硬件產品更新換代很快，所以，大多數高校計算機專業的學生都存在欺軟(軟件)怕硬(硬件)的狀況。通過實驗內容的合理選擇、實驗報告中知識前沿和工程應用的延伸、線上實驗課程的提供和優化、虛擬仿真和各種軟件的使用，能使學生通過預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計方法。通過專業歷史發展與前沿和實際應用的穿插、課程知識點相關的人物介紹、課程專業相關的制度和政策解讀，能使學生的專業分析能力、就業能力和深造能力因思政元素的引入而大大提高。根據不同的課程內容和學生的聽課反映，設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，做好每節實驗課程。而合理地激勵制度和獎勵措施，則既能增添學生學習的動力，也能使學生更合理地規劃自己的學習內容、設置自己的學習目標。所以，通過以上措施能較好地解決學生欺軟(軟件)怕硬(硬件)的狀況，提高學生學習的主動性，增強學生專業知識的綜合性。

參考文獻:

［1］李拯．強起來離不開自主創“芯”［N］．人民日報，2018-04-19(005)．

［2］姚誠偉，吳煥杰．以互聯網思維和方法創新計算機硬件實驗課管理模式［J］．實驗技術與管理，2018，35(7):27-30．

［3］龔一鳴．課程思政的知與行［J］．中國大學教學，2021(5):77-84．

作者:袁澤明 高銳敏 趙貞貞 張墨華 單位:河南財經政法大學計算機與信息工程學院 河南牧業經濟學院理學部