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計算機硬件類(lèi)課程教學(xué)中實(shí)踐課的問(wèn)題研究
硬件類(lèi)課程是物理硬件電路與數學(xué)邏輯抽象的有機結合，前導課程與后續課程的關(guān)聯(lián)較為緊密，以下是小編搜集整理的一篇探究計算機硬件類(lèi)課程實(shí)踐教學(xué)現狀的論文范文，歡迎閱讀借鑒。
1計算機硬件類(lèi)課程實(shí)踐教學(xué)現狀與困境
目前，計算機專(zhuān)業(yè)教學(xué)普遍存在"輕硬重軟"的現象,忽視計算機硬件知識的學(xué)習和實(shí)踐,導致計算機專(zhuān)業(yè)培養越來(lái)越"軟化".學(xué)員由于對底層概念的理解和應用能力不足，當涉及系統級編程或者解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)往往捉襟見(jiàn)肘。分析其原因，主要受以下幾方面影響：
首先，傳統的計算機專(zhuān)業(yè)課程實(shí)踐培養環(huán)節，往往被當作理論教學(xué)的驗證和延伸，實(shí)驗項目的開(kāi)設、實(shí)驗設備的操作、實(shí)驗教學(xué)的管理缺乏開(kāi)放性和自主性。在這樣的實(shí)驗理念指導下，學(xué)員只能被動(dòng)接受，學(xué)習的主動(dòng)性也受到限制。
其次，硬件類(lèi)課程是物理硬件電路與數學(xué)邏輯抽象的有機結合，前導課程與后續課程的關(guān)聯(lián)較為緊密，與學(xué)習一種計算機語(yǔ)言或算法相比，更貼近實(shí)際項目，對教師和學(xué)員的要求都較為全面，低年級學(xué)員的學(xué)習思維一時(shí)難以轉換，影響其學(xué)習的積極性。
第三，各門(mén)硬件類(lèi)課程之間缺乏整體性，各門(mén)課程的實(shí)踐環(huán)節缺乏關(guān)聯(lián)性、層次性，沒(méi)有系統性實(shí)驗的引領(lǐng)，致使學(xué)員的計算機系統能力不強。部分教師只關(guān)注自己課程的實(shí)踐環(huán)節，在教學(xué)方法上偏重"橫向"分析，缺乏"縱向"視角。
現在，越來(lái)越多的學(xué)校開(kāi)始重視計算機實(shí)踐教學(xué)，尤其是硬件類(lèi)課程的實(shí)踐教學(xué)。對計算機科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)，如果缺乏對學(xué)員工程實(shí)踐能力的培養，那么他們對專(zhuān)業(yè)課程的理解會(huì )永遠停留在書(shū)本上，無(wú)法解決實(shí)際問(wèn)題，也無(wú)法做到觸類(lèi)旁通。因此，計算機專(zhuān)業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)尤為重要。
2國內高校在計算機實(shí)踐教學(xué)方面的有益探索
近年來(lái)，國內各高校在豐富計算機實(shí)踐教學(xué)案例和提高學(xué)員參與度方面做出不少努力，取得了一定的成果，值得學(xué)習和借鑒。
清華大學(xué)計算機實(shí)驗教學(xué)中心將計算機實(shí)驗教學(xué)系統化[1].以硬件實(shí)驗為基礎，系統化建設課程體系，培養學(xué)員的系統設計能力;注重課程的系統性和完整性，重點(diǎn)關(guān)注與其他課程間的內在關(guān)系;整體規劃各課程實(shí)驗，在課程實(shí)驗中設計與其他課程的聯(lián)系點(diǎn);建設綜合實(shí)驗課程，讓學(xué)員完成計算機系統的綜合設計和實(shí)現，全面檢驗學(xué)員掌握知識的系統性。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗教學(xué)中心為豐富實(shí)踐教學(xué)實(shí)施了一系列舉措[2].通過(guò)設立各類(lèi)創(chuàng )新實(shí)驗中心為計算機實(shí)踐課程提供硬件支持;針對在實(shí)驗教學(xué)示范中心工作的指導教師，在參與評獎和晉升職稱(chēng)方面引入配套鼓勵制度。
除此之外，越來(lái)越多的新實(shí)踐內容和方式不斷涌現[3].電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院的虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心實(shí)驗內容按照一定的專(zhuān)業(yè)方向進(jìn)行資源整合，建立動(dòng)態(tài)實(shí)驗項目庫，學(xué)員可自由選擇實(shí)驗項目、實(shí)驗平臺、實(shí)驗工具等;哈爾濱工程大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院從2009年起建立Android教學(xué)團隊，開(kāi)始開(kāi)設Android課程并廣泛參加各類(lèi)比賽;合天網(wǎng)安實(shí)驗室提出的創(chuàng )新計算機實(shí)踐教學(xué)理念，源于MOOC的思想，由課堂教學(xué)的MOOC引申為實(shí)驗教學(xué)的MOOE[4](massiveopenonlineexperiments)，力圖解決實(shí)踐教學(xué)互聯(lián)網(wǎng)化的問(wèn)題。這些舉措為計算機實(shí)踐教學(xué)的發(fā)展注入了新的活力。
3計算機硬件類(lèi)課程實(shí)踐教學(xué)的思考與改進(jìn)
針對我校開(kāi)設課程與學(xué)員的特點(diǎn)，以部分課程為例探討實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展，并提出一些建議及改進(jìn)措施。
3.1實(shí)例化教學(xué)模式的探討
在操作系統原理與結構分析課程教學(xué)中，可以嘗試改變傳統的課上講授、課下實(shí)驗的教學(xué)模式。以UCORE教學(xué)操作系統為主線(xiàn)，將操作系統原理與Linux系統結構分析融入實(shí)踐教學(xué)環(huán)節。
將UCORE中的功能模塊按照操作系統原理的知識模塊進(jìn)行劃分，把操作系統內核中的原理及各部分實(shí)現對應于UCORE系統中。學(xué)員在學(xué)習操作系統知識的基礎上，進(jìn)行UCORE實(shí)驗。隨著(zhù)課程的進(jìn)行，學(xué)員逐步閱讀并實(shí)現內存管理、進(jìn)程管理、文件管理等操作系統內核的核心代碼，最終實(shí)現并完成一個(gè)小型的操作系統。從近三年的實(shí)施情況看，學(xué)員通過(guò)接觸實(shí)際的操作系統源碼，對操作系統原理的理解更加深入，為今后從事系統級的編程奠定了基礎。UCORE實(shí)驗內容設置見(jiàn)表1.
UCORE實(shí)驗的最大作用，除了其內容包含了操作系統的基本功能外，還能夠與前導課程如匯編語(yǔ)言、數據結構、算法等課程建立實(shí)際聯(lián)系，使學(xué)員將所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識與實(shí)際工程結合起來(lái)，為后續課程如計算機系統結構、嵌入式系統的學(xué)習打下堅實(shí)的基礎。
3.2學(xué)員系統觀(guān)能力的培養
在計算機系統結構教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，需重點(diǎn)強化對學(xué)員系統能力的培養。該課程實(shí)踐部分的開(kāi)展不再依托傳統的實(shí)驗箱，也不需借助模擬器進(jìn)行基礎驗證性的實(shí)驗，而是通過(guò)設計實(shí)現一個(gè)教學(xué)版的OpenMIPS32位標量處理器，加深對體系結構的理解并掌握處理器設計的工作過(guò)程和實(shí)現原理，以此檢驗教學(xué)效果，提升學(xué)員的系統觀(guān)。該處理器兼容MIPS32Release1指令集架構，其好處是可以使用現有的MIPS編譯環(huán)境，如：GCC編譯器等。
OpenMIPS的設計目標如下：(1)五級整數流水線(xiàn)，分別是取指、譯碼、執行、訪(fǎng)存、回寫(xiě);(2)哈佛結構，分開(kāi)的指令、數據接口;(3)32個(gè)32位整數寄存器;(4)大端模式;(5)向量化異常處理，支持精確異常處理;(6)支持6個(gè)外部中斷;(7)具有32bit數據、地址總線(xiàn)寬度;(8)能實(shí)現單周期乘法;(9)支持延遲轉移;(10)兼容MIPS32指令集架構，支持MIPS32指令集中的所有整數指令;(11)大多數指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內完成。
通過(guò)上述完整的實(shí)驗過(guò)程，學(xué)員對處理器的理解不再停留在與門(mén)、或門(mén)等邏輯電路的概念上，而是通過(guò)分析單條指令在計算機中的處理過(guò)程，真正了解處理器的工作與實(shí)現原理。該課程的實(shí)驗應該逐漸嘗試更開(kāi)放性、自主性的實(shí)驗設計，利用開(kāi)源軟硬件資源，把學(xué)員從實(shí)驗室、實(shí)驗箱這些固定的實(shí)驗場(chǎng)所中解放出來(lái)，隨時(shí)隨地地開(kāi)展實(shí)踐活動(dòng)。
3.3基于項目學(xué)習的組織模式
在計算機硬件類(lèi)課程的教學(xué)中，實(shí)驗是一個(gè)重要的環(huán)節。針對我校學(xué)員動(dòng)手能力強的特點(diǎn)，我們基于項目學(xué)習的方法廣泛開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)�；陧椖繉W(xué)習的意義，即通過(guò)項目"做中學(xué)"培養學(xué)員的自主學(xué)習能力、問(wèn)題求解能力和綜合創(chuàng )新能力，來(lái)源于基于問(wèn)題學(xué)習的教育理念[5].
在項目的工程實(shí)踐中，鼓勵學(xué)員主動(dòng)發(fā)現問(wèn)題、自主分析問(wèn)題并協(xié)作解決問(wèn)題，通過(guò)項目實(shí)踐參與課程，讓學(xué)生真正成為教學(xué)活動(dòng)的主角。
項目學(xué)習的基本形式是以項目(組)形式完成一項或多項任務(wù)(作品、設計、工藝、模型、裝置、軟件等)，并以書(shū)面或口頭的形式總結完成任務(wù)的過(guò)程及產(chǎn)出物。完成整個(gè)項目，要求學(xué)員組成團隊，通過(guò)分工合作共同完成一個(gè)自己感興趣的課題，能夠很好地鍛煉學(xué)員的集體榮譽(yù)感和團隊合作精神。
項目學(xué)習需要有一根主線(xiàn)，學(xué)員從大學(xué)一年級開(kāi)始直到本科畢業(yè)，在不同階段接觸不同的課程并完成不同難度和層次的項目任務(wù)。在整個(gè)過(guò)程中，學(xué)員不僅能體會(huì )到動(dòng)手的樂(lè )趣，也能感受到知識和經(jīng)驗積累的成效。將課程內容與一個(gè)完整的工程項目結合起來(lái)，要求學(xué)員完成從需求分析、建模、設計、模擬、實(shí)現、測試到最終驗收等環(huán)節，是對學(xué)員動(dòng)手能力最好的培養與鍛煉。該方法實(shí)施的難點(diǎn)在于實(shí)驗項目的選取和配套制度的完善。
3.4基于過(guò)程管理的考核評估機制
實(shí)踐教學(xué)的考核一直是教學(xué)改革的重點(diǎn)，采用科學(xué)合理的考核方法能夠有效激發(fā)學(xué)員的學(xué)習動(dòng)力，提高學(xué)員參與實(shí)驗的興趣，有利于客觀(guān)評價(jià)學(xué)員的分析能力、動(dòng)手能力等綜合素質(zhì)，有助于真實(shí)評估實(shí)踐教學(xué)效果。
加強過(guò)程管理，打破以往專(zhuān)業(yè)課程實(shí)踐環(huán)節統一學(xué)時(shí)、統一時(shí)間、統一內容、統一考核的傳統模式。在統一的教學(xué)目的下，給定驗證性課題內容，提出綜合性課題選題范圍，把關(guān)自主設計課題方向，開(kāi)放專(zhuān)業(yè)實(shí)驗室，設置命題、選題、開(kāi)題、設計、答辯和歸檔等過(guò)程環(huán)節,突出對學(xué)員創(chuàng )新實(shí)踐能力的培養。
指導教師一方面引導學(xué)員分析在實(shí)驗過(guò)程中遇到的問(wèn)題，討論可行的解決方案;另一方面根據學(xué)員的選題角度、選題難度、過(guò)程設計、應變能力、驗收答辯、報告內容等情況，綜合評定實(shí)驗課程的成績(jì)。學(xué)員可以自定實(shí)驗時(shí)間、內容和進(jìn)度，在完成必做任務(wù)后，根據自己的專(zhuān)業(yè)特長(cháng)、興趣愛(ài)好、業(yè)務(wù)需求選做實(shí)驗，也可以在實(shí)驗室實(shí)現自己的創(chuàng )意，充分發(fā)揮實(shí)驗環(huán)境的支撐效益，并為學(xué)員參加各類(lèi)競賽提供保障。
4結語(yǔ)
在實(shí)驗項目的設定上，趣味性的科技活動(dòng)、與日常生活結合緊密的項目更能引起學(xué)員的興趣，而系統的工程類(lèi)實(shí)驗項目更能激發(fā)學(xué)員的潛能。課程體系的梳理、實(shí)驗內容的整合必須投入大量的精力，同時(shí)需要更廣泛的支持。實(shí)踐教學(xué)能夠給學(xué)員更多的體驗，從而更好地激發(fā)其創(chuàng )造力，尤其對于計算機硬件類(lèi)課程，實(shí)踐教學(xué)能夠使學(xué)員在理論學(xué)習的基礎上發(fā)展多元化的知識體系與應用技能[6].無(wú)論是課堂教學(xué)還是實(shí)驗教學(xué)，在不斷優(yōu)化及豐富教學(xué)活動(dòng)的道路上，我們還將繼續前行。
參考文獻：
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[2]劉宏偉，張宏莉.項目驅動(dòng)的計算機專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系初探[J].計算機教育，2015(9)：33.
[3]劉鵬，傅婷婷.競爭類(lèi)項目實(shí)踐教學(xué)方法在計算機類(lèi)課程中的應用[J].計算機教育，2014(6)：48.
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[5]陳慶章，古輝.PBL理論探討及教師的角色認識[J].計算機教育，2011(9)：32.
[6]MichaelP,KeithT.Understandinglearningandteaching[M].北京：北京大學(xué)出版社，2008:39-53.
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