摘要：以核心課程為基石，構(gòu)建層次化計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程體系和開放實(shí)驗(yàn)平臺。以“產(chǎn)學(xué)研三結(jié)合”的人才培養(yǎng)為指導(dǎo)思想，研究層次遞進(jìn)的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)模式，研究項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)和培養(yǎng)方式。改革實(shí)驗(yàn)成績評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建立過程式考評機(jī)制。

關(guān)鍵詞：層次化計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程體系；開放實(shí)驗(yàn)平臺；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)踐教學(xué)；過程式考評機(jī)制

文章編號：1672-5913（2013）03-0050-04

中圖分類號：G642

計(jì)算機(jī)硬件系列實(shí)驗(yàn)課程主要從邏輯和應(yīng)用兩個(gè)方面對計(jì)算機(jī)硬件的基本原理、應(yīng)用方法進(jìn)行教學(xué)，其目的是在學(xué)生學(xué)習(xí)硬件抽象理論的同時(shí)，通過教師演示或?qū)W生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，直觀地驗(yàn)證計(jì)算機(jī)硬件的基本原理和工作機(jī)制，培養(yǎng)學(xué)生在應(yīng)用技能方面的實(shí)踐創(chuàng)新能力。因此，計(jì)算機(jī)硬件系列實(shí)驗(yàn)課程在高校計(jì)算機(jī)教學(xué)中占據(jù)非常重要的位置。

1 問題分析

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)主要存在以下幾個(gè)方面的問題：

1）思想上“重軟輕硬”。不少學(xué)生認(rèn)為硬件實(shí)驗(yàn)課程只是驗(yàn)證計(jì)算機(jī)硬件的工作原理，對學(xué)習(xí)軟件知識，進(jìn)行軟件開發(fā)沒有幫助；或者認(rèn)為硬件實(shí)驗(yàn)完成的多少無礙大局，因此在硬件實(shí)驗(yàn)課程上缺乏主動(dòng)性。

2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊。當(dāng)今計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)飛速發(fā)展，而硬件理論和實(shí)驗(yàn)教材均稍顯落后，實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，很多新理論新技術(shù)沒有融入到實(shí)驗(yàn)課程中。

3）實(shí)驗(yàn)課程體系缺乏系統(tǒng)性和科學(xué)性的規(guī)劃。由于計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程包含了眾多的基礎(chǔ)知識、基本思想、基本方法，課程之間不僅存在前后銜接的層次關(guān)系，而且存在著相互滲透的交叉關(guān)系，計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程之間和課程知識點(diǎn)之間內(nèi)容銜接比較緊密。但各門課程的任課教師按照教學(xué)大綱獨(dú)立授課，過分強(qiáng)調(diào)某一門課的完整性和獨(dú)立性，忽略了課程之間的內(nèi)容銜接和整體優(yōu)化，內(nèi)容重復(fù)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。加之有些課程的先修課并未放到培養(yǎng)計(jì)劃中，造成前導(dǎo)知識斷層，致使學(xué)生的硬件知識體系不系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)不健全、實(shí)驗(yàn)技能不全面，無形中給學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件課程和軟件課程制造了障礙，影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

4）對創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)認(rèn)識不足。計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)不能僅僅停留在通過基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算機(jī)硬件的工作原理這一最低要求上，還要通過綜合類實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生完成一些綜合性系統(tǒng)設(shè)計(jì)，更需要拓展視野，完成一些開創(chuàng)性的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)科學(xué)探索精神和素養(yǎng)。

5）實(shí)驗(yàn)室的開放程度不高。目前國內(nèi)多數(shù)高校的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)室為限制性集中管理，學(xué)生進(jìn)行集體實(shí)驗(yàn)，不能滿足學(xué)生個(gè)人實(shí)驗(yàn)需求，實(shí)驗(yàn)設(shè)備共享和利用程度不高。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在時(shí)間和空間的限制等問題，這些都嚴(yán)重影響了硬件實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)效果的提高和專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量，限制了學(xué)生完成硬件實(shí)驗(yàn)的能力，降低了實(shí)驗(yàn)興趣。

6）缺乏科學(xué)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)成績評價(jià)方法。計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)成績過度依靠教師現(xiàn)場觀察進(jìn)行打分，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師工作量繁重，實(shí)驗(yàn)抄襲現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，缺乏統(tǒng)一評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，降低了考核成績的公正和客觀性。

針對以上問題，計(jì)算機(jī)教育專家們提出了許多計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程改革創(chuàng)新性的建議，但多傾向于從某一側(cè)面解決問題。計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革需要統(tǒng)籌規(guī)劃，兼顧課程體系、實(shí)驗(yàn)平臺、實(shí)踐模式和評價(jià)方法各個(gè)方面。

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程的重要性不言而喻，它對于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力、工程實(shí)踐能力及開發(fā)創(chuàng)新能力具有特別重要的意義。隨著電子技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)和電子科學(xué)技術(shù)相互滲透和融合，硬件軟件化和軟件硬件化日益普遍，尤其是ARM、SoC、SOPC等技術(shù)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)軟、硬件的融合日益顯著和成熟，加強(qiáng)計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)、硬件課程體系新的實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)顯得越來越重要和必要。為了培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，有必要對計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程體系進(jìn)行更系統(tǒng)、更深層次的教學(xué)改革。

2 融合各門計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程的主要任務(wù)是驗(yàn)證計(jì)算機(jī)的工作原理，以配合對應(yīng)的計(jì)算機(jī)硬件理論課程，忽略了各實(shí)驗(yàn)課程間的融合性，而且課程內(nèi)的各個(gè)實(shí)驗(yàn)之間的融合也不夠緊密，而技術(shù)的發(fā)展需要軟硬結(jié)合、軟件硬化或交融。硬件實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)任務(wù)不但要學(xué)生了解計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理，而且要掌握計(jì)算機(jī)維護(hù)技術(shù)，能用硬件描述語言進(jìn)行部件及應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；結(jié)合軟件知識，能夠設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。尤其是嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用日益普及，應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大，要培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力。

因此，計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程群應(yīng)以“培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才，注重計(jì)算機(jī)實(shí)踐能力培養(yǎng)”為核心進(jìn)行建設(shè)。按照計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)方案的要求，將課程群中各門課程的授課、討論、實(shí)踐、考核、教材等教學(xué)環(huán)節(jié)作為一個(gè)整體進(jìn)行統(tǒng)籌優(yōu)化，融合各課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容，形成一個(gè)完整的體系。這樣就能使學(xué)生較容易地理解和掌握課程的重點(diǎn)內(nèi)容，理解課程間的連續(xù)性，使所學(xué)的知識形成一個(gè)完整的體系。

按照培養(yǎng)方案，對課程群內(nèi)各課程的安排順序、授課內(nèi)容、授課重點(diǎn)、授課計(jì)劃等按照計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)方案的要求和社會對人才的需求進(jìn)行調(diào)整和整合，形成包含基礎(chǔ)層、系統(tǒng)層和應(yīng)用層的層次化課程體系（如圖1所示，其中標(biāo)*的課程為核心課程）。修訂教學(xué)大綱，協(xié)調(diào)各門課程的內(nèi)容，避免同一內(nèi)容在多門課程重復(fù)講授；適當(dāng)引入新概念、新技術(shù)；注重課程之間的內(nèi)容側(cè)重和無縫銜接。

在基礎(chǔ)層，講授模擬電路和數(shù)字電路分析與設(shè)計(jì)，讓學(xué)生掌握電路的基本知識和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，能夠設(shè)計(jì)一般的數(shù)字邏輯部件及簡單的數(shù)字系統(tǒng)。在系統(tǒng)層，讓學(xué)生掌握現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)、工作原理、實(shí)現(xiàn)方式和設(shè)計(jì)方法，能夠再現(xiàn)和設(shè)計(jì)簡單指令系統(tǒng)、CPU和完整的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。在應(yīng)用層，讓學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)（包括硬件電路、應(yīng)用軟件）設(shè)計(jì)方法，能夠設(shè)計(jì)實(shí)際的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。

3 建設(shè)共享和開放的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)主要通過集體實(shí)驗(yàn)來完成。由教師布置，學(xué)生準(zhǔn)備，在固定時(shí)間集中到實(shí)驗(yàn)室完成，最后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種途徑不能充分滿足學(xué)生的個(gè)性化實(shí)驗(yàn)需求。

此外，一些實(shí)驗(yàn)室采用分散預(yù)約和集體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方式，學(xué)生可以在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站進(jìn)行預(yù)約，提前準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，寫好實(shí)驗(yàn)報(bào)告的“靜態(tài)”（實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、原理、內(nèi)容、設(shè)備等）部分后，再到實(shí)驗(yàn)室開始做實(shí)驗(yàn)；在實(shí)驗(yàn)過程中完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的“動(dòng)態(tài)”（實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程、出現(xiàn)的問題、解決方法、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、分析等）部分。這種方式較為靈活，一定程度上提高了實(shí)驗(yàn)室的利用率和實(shí)驗(yàn)效率，但在實(shí)驗(yàn)資源有限的情況下依然不能解決供需矛盾。

近年來，利用多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬教學(xué)和虛擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。虛擬教學(xué)可模擬進(jìn)行演示、探索、游戲。利用簡易型虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)表現(xiàn)某些系統(tǒng)（自然、物理、社會）的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)，為學(xué)生提供一種可供體驗(yàn)和觀測的環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)室概念是由美國弗吉尼亞大學(xué)教授William Wolf于1989年首先提出的，它描述了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，致力于構(gòu)筑一個(gè)綜合不同工具和技術(shù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化的集成環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境里，實(shí)驗(yàn)員可以非常有效地利用世界上分布的各種數(shù)據(jù)、信息、儀器設(shè)備及人力等資源。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)，將有效緩解很多院校在經(jīng)費(fèi)、場地、器材等方面普遍面臨的困難和壓力，而且開展網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對“時(shí)、空”的限制，無論是學(xué)生還是教師，都可以自由地、無顧慮地隨時(shí)隨地上網(wǎng)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，操作儀器，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，有助于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

4 改革創(chuàng)新計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教材中對一些重要原理的有關(guān)實(shí)驗(yàn)大多是驗(yàn)證性的，即先通過教師演示，然后學(xué)生再現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬件各個(gè)器件的工作。目前的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)儀器生產(chǎn)廠商多提供這種封閉性實(shí)驗(yàn)儀器，雖然利于教學(xué)，但是僅支持基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定，實(shí)驗(yàn)?zāi)康膯我?，擴(kuò)展性不足，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

針對以上驗(yàn)證性基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)的問題，綜合類實(shí)驗(yàn)也納入到了計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街?。這類實(shí)驗(yàn)需要綜合多個(gè)知識點(diǎn)，對所學(xué)內(nèi)容的綜合運(yùn)用，一般作為考試型或課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排，目的在于充分發(fā)揮學(xué)生的潛在能力，拓展思維空間，考查學(xué)生運(yùn)用綜合知識，進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)、組織以及調(diào)試運(yùn)行的能力；也可以作為學(xué)生課外開放實(shí)驗(yàn)的選題項(xiàng)目，一定程度上滿足學(xué)生開展課程設(shè)計(jì)和課外創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的需要。

對任何一所大學(xué)來說，本科教育始終是學(xué)校辦學(xué)的主體和基礎(chǔ)。在有條件的大學(xué)開展本科生科研，培養(yǎng)本科生的科研意識，鼓勵(lì)本科生及早進(jìn)入研究領(lǐng)域，是培養(yǎng)具有實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的本科人才的一個(gè)十分重要的途徑。因此，創(chuàng)新成為實(shí)踐環(huán)節(jié)的更高要求，其實(shí)現(xiàn)途徑成為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ窖芯康男抡n題。

5 建立完善科學(xué)的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)成績評價(jià)機(jī)制

在高校計(jì)算機(jī)課程教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)成績是學(xué)生實(shí)踐能力的綜合反映，也是一個(gè)綜合評價(jià)問題。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中如何科學(xué)地、合理地判定學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績，有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，發(fā)現(xiàn)和挖掘?qū)W生在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的潛能是從事實(shí)踐教學(xué)的高校教師所探討的課題。

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)成績的評價(jià)不同于軟件，需要結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行考核，其考核形式包括單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收式、實(shí)驗(yàn)報(bào)告驗(yàn)收式、綜合實(shí)驗(yàn)考試式等，考核教師的工作量巨大?？己诉^程中，成績的評定人為因素較嚴(yán)重，過分依賴于考核教師。另外，實(shí)驗(yàn)考核中也存在抄襲現(xiàn)象，僅僅通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式考核欠科學(xué)公正。因此，計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)成績的考核需要規(guī)范化、量化。

為了減輕考核教師的工作負(fù)擔(dān)，可以用“優(yōu)秀”“良好”“中等”“及格”“不及格”來分等級衡量。等級制成為首選的評定方法。但該評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較為模糊，而評價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績的因素是多元的，并沒有完全客觀的標(biāo)準(zhǔn)，通常難以定量衡量。如果直接進(jìn)行定量分析，如僅給出一個(gè)成績，很難科學(xué)合理地反映學(xué)生的綜合能力及水平，也就難以對其學(xué)習(xí)進(jìn)行正確的評價(jià)。

指標(biāo)制則對等級制進(jìn)一步細(xì)化，將考核指標(biāo)化，如表1所示。

可以進(jìn)一步限定指標(biāo)的分值比重和等級的分?jǐn)?shù)范圍，實(shí)現(xiàn)考評的量化。通過在線評測系統(tǒng)登記考評結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)成績的規(guī)范管理，可提高實(shí)踐教學(xué)的指導(dǎo)效率，更準(zhǔn)確及時(shí)地調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和難度，更有效地杜絕或減少互相抄襲，更客觀公正地考核成績，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

6 結(jié)語

總結(jié)起來，我們從計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程體系、實(shí)驗(yàn)平臺、實(shí)踐模式和評價(jià)方法4個(gè)維度，對計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)進(jìn)行了綜合教學(xué)改革，建立起如圖2所示的教學(xué)系統(tǒng)。

（見習(xí)編輯：劉麗麗；編輯：郭田珍）