文章編號：1672-5913(2011)17-0077-05 中圖分類號：G642 文獻標識碼：A
　　摘 要：在研究可供計算機與電子類專業(yè)學(xué)生隨身攜帶的系列便攜式實驗教學(xué)設(shè)備的基礎(chǔ)上，探討一種新型的自主實驗教學(xué)模式。介紹研發(fā)該系列設(shè)備的基本設(shè)想、便攜式EDA實驗板的設(shè)計以及該模式的理念與內(nèi)容，在有限的資源下為學(xué)生提供充足的實驗條件，營造良好的學(xué)習與課外科技創(chuàng)新氛圍，并有效緩解實驗場地、設(shè)備等資源不足的矛盾。
　　關(guān)鍵詞：自主實驗教學(xué)模式；計算機與電子類專業(yè)便攜式實驗設(shè)備；案例開發(fā)；考核評價體系
　　作者簡介：徐成，男，博導(dǎo)，教授，研究方向為嵌入式系統(tǒng)。
　　1 研究背景
　　作為計算機與電子類專業(yè)教學(xué)體系的重要組成部分，實驗教學(xué)在整個教學(xué)過程中是至關(guān)重要、不可缺少的環(huán)節(jié)[1]，學(xué)生綜合素質(zhì)的提高及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)更離不開實驗教學(xué)[2]。近年來，國內(nèi)外各高校高度重視實驗教學(xué)，不斷增加資金與師資力量的投入，推行實驗教學(xué)改革，以提高教學(xué)質(zhì)量。國外高校的計算機與電子類專業(yè)已實行“開放式”實驗教學(xué)：實驗室的場地、時間及設(shè)備全面開放，提供充分的條件，培養(yǎng)學(xué)生的個性與素質(zhì)。而國內(nèi)各高校的計算機與電子類專業(yè)近年也在不同程度上進行了實驗教學(xué)改革，“開放性”、“設(shè)計性”、“綜合性”等概念被引入，減少驗證性實驗，增加設(shè)計綜合性實驗的改革方式已被大家所公認。
　　當今計算機與電子技術(shù)的進步在給各行各業(yè)帶來方便的同時也促進了實踐教學(xué)的改革，其中集成電路的飛速發(fā)展使得實驗設(shè)備的便攜化與普及化成為可能且形成趨勢。而傳統(tǒng)的計算機實驗教學(xué)已不能滿足時代的要求，如何進行改革，加強學(xué)生的動手能力，成為教師共同探討的話題[3]?；谏鲜鲈颍覀儚膶嶒灲虒W(xué)設(shè)備的研制到實驗案例開發(fā)，以及教材編寫直至實驗教學(xué)模式進行了全面改革，研究并探索出一種適合計算機與電子類專業(yè)的自主實驗教學(xué)模式。
　　2 自主實驗教學(xué)模式理念
　　自主實驗教學(xué)模式，是指緊跟新技術(shù)自制系列便攜式實驗設(shè)備，并配備給學(xué)生人手一臺，在此基礎(chǔ)上學(xué)生可“自主”安排實驗的內(nèi)容、時間、空間，教師則集中管理、答疑和考核。
　　該模式通過研制供計算機與電子類專業(yè)學(xué)生可隨身攜帶的系列便攜式實驗教學(xué)設(shè)備，實現(xiàn)實驗設(shè)備的低成本、便攜化和普及化，滿足學(xué)生人手一臺，將該專業(yè)學(xué)生系列硬件實驗的傳統(tǒng)實驗環(huán)節(jié)延伸到學(xué)生宿舍等實驗室之外的普通場所，改觀了資源短缺的矛盾，為學(xué)生提供充足的實驗條件，并使各層次學(xué)生在課余時間不受地點限制，充分利用實驗設(shè)備，自主思考，主動參與，營造好的學(xué)習與課外科技創(chuàng)新氛圍，以獲取較好的實驗教學(xué)效果。該模式以案例開發(fā)為驅(qū)動，精編涵蓋認知型、設(shè)計型和綜合型實驗的指導(dǎo)教材，并以學(xué)生為主體，鼓勵學(xué)生在實驗內(nèi)容上進行自主創(chuàng)新，而不局限于實驗教材。該模式以教師為主導(dǎo)，集中管理，建立合理的評價體系，避免傳統(tǒng)實驗中過分關(guān)注實驗報告和出勤率而造成學(xué)生不注重實驗過程的單一考核方式，注重實驗過程中學(xué)生的自主性、知識運用能力與探索思考能力，并從知識、能力和素質(zhì)三方面對學(xué)生進行全面考核評價。
　　
　　自主實驗教學(xué)模式堅持的是以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，利用可供計算機與電子類專業(yè)學(xué)生可隨身隨帶的系列便攜式實驗教學(xué)設(shè)備，讓學(xué)生在時間、空間、內(nèi)容等方面進行自主性實驗與學(xué)習的教學(xué)理念。
　　3 自主實驗教學(xué)模式研究內(nèi)容
　　自主實驗教學(xué)模式研究的內(nèi)容包括研制可供計算機與電子類專業(yè)學(xué)生隨身攜帶的系列便攜式實驗教學(xué)設(shè)備、設(shè)定硬件類課程體系、開發(fā)案例、編寫實驗教材、組織管理實驗教學(xué)活動以及建立科學(xué)合理的考核評價體系。
　　3.1 自制便攜式實驗設(shè)備
　　目前，計算機與電子類專業(yè)實驗教學(xué)存在一些問題與不足，內(nèi)容如下。
　　1) 實驗設(shè)備成本高，限于資金問題，只能滿足多個學(xué)生共用一實驗平臺，并且只能在指定時間到指定實驗室進行實驗，無法實現(xiàn)開放與自主實驗教學(xué)。
　　2) 現(xiàn)有同類教學(xué)設(shè)備沒能很好針對我們計算機專業(yè)特定課程的教學(xué)需求而設(shè)計，系統(tǒng)復(fù)雜、冗余功能較多，使入門學(xué)生產(chǎn)生畏懼，對硬件學(xué)習缺乏信心。
　　3) 實驗平臺所用技術(shù)相對落后，需要多種附加配件，缺乏便攜性，使學(xué)生實驗的時間、地點和相關(guān)環(huán)境受到了限制。
　　基于以上問題，開發(fā)設(shè)計系列硬件類便攜式實驗設(shè)備，是加快教學(xué)改革步伐的關(guān)鍵。在自主實驗教學(xué)模式的理念下，通過研究相關(guān)新技術(shù)，我們完成了研制便攜式實驗設(shè)備的方案設(shè)計與論證，并對其具體實施及完善。預(yù)計自制的系列硬件類實驗設(shè)備有便攜式EDA實驗平臺、便攜式單片機開發(fā)板、便攜式ARM開發(fā)板等，使主要硬件實驗設(shè)備實現(xiàn)便攜化和普及化，為自主實驗教學(xué)提供硬件環(huán)境，推進自主實驗教學(xué)模式的研究與探索。
　　目前，我們已研制出便攜式EDA實驗平臺并投入實驗教學(xué)。該平臺可用于數(shù)字電路與邏輯設(shè)計實驗、計算機組成原理實驗、數(shù)字集成電路設(shè)計基礎(chǔ)實驗、USB串并通信實驗、基于IP核的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計、CPU設(shè)計等實驗課程。其資源布局和實物圖分別如圖1和圖2所示。該平臺集成當前新技術(shù)，其下載、通信與供電僅需一條UBS線，保持與時俱進的科技活力，方便筆記本電腦用戶隨時隨地使用；平臺小巧輕便，面積比2張銀行卡還要小(約為12×8cm2)，便于隨身攜帶；平臺操作簡單、實用，成本低，可滿足學(xué)生人手一臺的需求，打破了傳統(tǒng)EDA實驗箱體積大，成本高，需購買配套電源線、下載線及通信轉(zhuǎn)接卡，無法滿足學(xué)生人手一臺的格局，為學(xué)生學(xué)習數(shù)字邏輯、計算機組成原理、集成電路設(shè)計等系列硬件類課程提供了充分的實驗條件，為實驗教學(xué)改革增添了新的篇章。
　　
　　圖1 便攜式EDA實驗平臺資源布局圖 圖2 便攜式EDA實驗平臺實物圖
　　
　　3.2 計算機與電子類專業(yè)自主教學(xué)模式下的硬件類課程體系設(shè)置
　　目前，國內(nèi)不同高校計算機與電子類專業(yè)硬件實驗教學(xué)體系及內(nèi)容各不相同。有的將實驗貫穿于理論課程中；有的為主干課程的實驗內(nèi)容單列實驗課；還有的是將基礎(chǔ)實驗與理論課程同步開設(shè)，另增設(shè)側(cè)重于設(shè)計型、綜合型、研究與探索型實驗內(nèi)容的綜合與創(chuàng)新實驗課程[4]。隨著教學(xué)改革的推進，以“加強基礎(chǔ)訓(xùn)練、注重能力培養(yǎng)、強調(diào)素質(zhì)提高、突出創(chuàng)新意識”為基準和原則[5]，從滿足社會的需要，培養(yǎng)具備足夠動手實踐能力的學(xué)生出發(fā)，我們結(jié)合研制的系列硬件類便攜式實驗平臺的技術(shù)特點，綜合考慮該專業(yè)硬件類課程間的銜接等問題，重新構(gòu)建了“理論教學(xué)的‘精講多練’(基礎(chǔ))→實驗教學(xué)的‘做中學(xué)’(提高)→創(chuàng)新工程設(shè)計訓(xùn)練(綜合運用)”這種適合計算機與電子類專業(yè)硬件類課程教學(xué)的三級實驗體系。
　　理論教學(xué)設(shè)置了相應(yīng)的“課程實驗”，學(xué)生利用仿真軟件以及人手一臺的針對不同硬件課程的自制便攜式實驗平臺，學(xué)習基本專業(yè)軟件的應(yīng)用，搭建基本概念模型，達到理解基本概念，促進理論學(xué)習的目的。實驗課程則在實驗教師的指導(dǎo)下，進一步強化訓(xùn)練，系統(tǒng)學(xué)習實驗技能與技巧，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實驗技能。其中“做中學(xué)”是指學(xué)生充分利用人手一臺的便攜實驗平臺，在實踐中摸索學(xué)習，進而啟發(fā)創(chuàng)造思維的過程。工程設(shè)計訓(xùn)練是利用最新的平臺和工具進行實際工程設(shè)計訓(xùn)練，注重專業(yè)知識的融合，誘導(dǎo)并培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。
　　要實現(xiàn)自主實驗教學(xué)模式這一目標，不僅要實現(xiàn)教育理念的轉(zhuǎn)變，還要將最新的計算機知識帶到課程體系中[6]。該專業(yè)的硬件類實驗內(nèi)容涉及數(shù)字邏輯、計算機組成原理、集成電路設(shè)計、單片機、接口技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用等，不同課程配備不同種類的便攜式實驗平臺。其中數(shù)字邏輯、計算機組成原理是該專業(yè)必修的硬件基礎(chǔ)核心課程，設(shè)置了相應(yīng)的課程實驗、實驗課程以及工程訓(xùn)練，其他硬件類課程則設(shè)置相應(yīng)的課程實驗，所有課程學(xué)完后有一綜合設(shè)計訓(xùn)練，可綜合運用所有硬件知識。
　　
　　以上體系設(shè)置與內(nèi)容安排使硬件類課程教學(xué)具有鮮明的層次性，實現(xiàn)了基礎(chǔ)、提高與創(chuàng)新的教學(xué)目標，使實踐教學(xué)遞進化推進，培養(yǎng)的學(xué)生能滿足社會需求。
　　3.3 針對自制便攜式設(shè)備的案例開發(fā)
　　開發(fā)高品質(zhì)的實驗案例是實驗教學(xué)有效開展的基礎(chǔ)，一個設(shè)計型、綜合型和研究型實驗案例的開發(fā)具備兩個要素：可操作性和創(chuàng)新性。基于此，我們在自制便攜式實驗平臺的基礎(chǔ)上，結(jié)合專業(yè)課程的特點，從設(shè)計性、綜合性實驗出發(fā)，組織學(xué)生參與開發(fā)適用于計算機與電子類專業(yè)實驗教學(xué)的案例，激發(fā)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，引導(dǎo)學(xué)生迅速入門并順利開展實驗教學(xué)活動。
　　目前，我們已組織了部分具有創(chuàng)新精神的學(xué)生，對正處于試驗階段的便攜式EDA實驗平臺進行案例開發(fā)。同時引入案例開發(fā)的其他有效途徑，如將優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計、優(yōu)秀大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目、學(xué)科競賽作品轉(zhuǎn)化為案例，鼓勵優(yōu)秀學(xué)生自選題目，并將其轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例等。在我院2008-2009學(xué)年上學(xué)期的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用課程中，學(xué)生所獲全國嵌入式系統(tǒng)競賽一等獎的作品“互動視窗”、學(xué)生的自選課題塔吊遙控器等，作為案例被引入課程教學(xué)中，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習自主性。
　　3.4 自主實驗教學(xué)活動的組織開展
　　自主實驗教學(xué)活動的內(nèi)容包括實驗教材的編寫、實驗過程、實驗答疑及實驗考核，并可延伸至創(chuàng)新訓(xùn)練項目與學(xué)科競賽等活動。教師組織學(xué)生以所開發(fā)的實驗案例為題材，編寫涵蓋認知型、設(shè)計型和綜合型實驗的適合計算機與電子類專業(yè)的硬件實驗教材，以提高實驗項目的綜合性、應(yīng)用性和探索性。實驗的開展過程中，學(xué)生人手一臺實驗設(shè)備，實驗內(nèi)容、時間及空間可由其“自主”安排，實現(xiàn)隨時、隨地實驗，教師則組織集中答疑，及時幫助學(xué)生解除疑惑，了解學(xué)生的實驗自主性與思考問題的過程。學(xué)生完成實驗后，撰寫相應(yīng)的實驗報告，提交并參與實驗檢查、考核或答問，最后教師通過實驗答疑環(huán)節(jié)中學(xué)生的表現(xiàn)、實驗報告及考核問答過程，對學(xué)生的實驗進行綜合評價。
　　在便攜式實驗設(shè)備基礎(chǔ)上，我們進行的一系列自主實驗教學(xué)活動，探討在案例教學(xué)方式下如何引導(dǎo)學(xué)生自主創(chuàng)新學(xué)習，激發(fā)學(xué)生的興趣與潛力，以及在自主開放實驗環(huán)境下如何引導(dǎo)學(xué)生進行創(chuàng)新性項目的開展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與實踐能力的新教學(xué)理念。同時實現(xiàn)對傳統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容的擴展，即通過自主實驗教學(xué)來引導(dǎo)部分優(yōu)秀學(xué)生參加創(chuàng)新項目訓(xùn)練及學(xué)科競賽，激發(fā)學(xué)生的潛能，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，提高綜合素質(zhì)。
　　3.5 自主實驗教學(xué)模式下的考核評價體系
　　考核評價體系是自主實驗教學(xué)的重要研究部分，前面做得再好，落實不到位，只能讓少數(shù)學(xué)生受益而不能達到預(yù)期效果。引導(dǎo)、鼓勵能對想學(xué)的自覺學(xué)生發(fā)揮作用，但很多學(xué)生仍缺乏主動性，惰性思想較重。而考核應(yīng)在提高學(xué)生的創(chuàng)新能力上發(fā)揮積極的導(dǎo)向作用[7]，因此如何落實實驗教學(xué)各環(huán)節(jié)，如何監(jiān)督到位、檢查到位是一個重點研究內(nèi)容，工作開展如下。
　　1) 在自主實驗教學(xué)模式下，對學(xué)生日常實驗活動開展調(diào)查，分析在實驗教學(xué)活動開展過程中學(xué)生、教師所扮演的不同角色，組織教師和學(xué)生分別對實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)進行討論，參考計算機與電子類專業(yè)的實驗教學(xué)大綱，探討在學(xué)生自主實驗、教師集中管理的新模式下如何制定實驗考核評價方案。
　　2) 通過針對性較強的教學(xué)案例的引導(dǎo)和自主實驗教學(xué)活動的開展，從實驗開展、答疑及考核問答等各個實驗環(huán)節(jié)對學(xué)生的自主性和將知識運用于實踐的能力進行綜合評價，避免傳統(tǒng)實驗以實驗報告和出
　　
　　勤為主的單一考核方式，有利于培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。
　　3) 研制一個人人過關(guān)的硬件語言應(yīng)用的考核系統(tǒng)，為研究并建立自主實驗教學(xué)模式下的綜合考核評價體系增添砝碼。
　　針對自主實驗教學(xué)模式建立合理的評價體系，注重實驗過程中學(xué)生是否正確運用基礎(chǔ)知識及學(xué)生的探索思考能力，我們從知識、能力和素質(zhì)三個方面對學(xué)生的自主實驗進行全面的考核評價，盡可能以科學(xué)合理的考核評價體系考核學(xué)生的自主實驗，從而最大化挖掘其潛能。
　　4 總結(jié)與展望
　　湖南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院計算機與電子類專業(yè)實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新取得了佳績：實驗載體“便攜式通用數(shù)字邏輯設(shè)計與EDA綜合實驗板”申請了國家專利，硬件課程計算機系統(tǒng)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2009年成為國家精品課程；硬件實驗室“湖南大學(xué)信息技術(shù)實驗室”2006年獲湖南省普通高校實踐教學(xué)示范實驗室建設(shè)資格，2009通過合格驗收并得到評估專家的一致好評。
　　實驗教學(xué)改革盡管有了好的開端，但仍有很大的提升空間。除實驗教學(xué)外，創(chuàng)新訓(xùn)練、學(xué)科競賽、畢業(yè)論文等環(huán)節(jié)的作用亦不可忽略。該自主實驗教學(xué)模式將傳統(tǒng)實驗環(huán)節(jié)延伸到實驗室之外的普通場所，改善了學(xué)習條件和氛圍，促進了實驗教學(xué)改革、創(chuàng)新訓(xùn)練及學(xué)科競賽活動的開展，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與實踐能力，將推廣應(yīng)用于我院的計算機科學(xué)與技術(shù)、通信工程、電子及人工智能等其他一級學(xué)科的專業(yè)。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 陳琦. 計算機實驗教學(xué)改革的思考和探索[J]. 教