王曉曄, 溫顯斌, 肖迎元

(天津理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院 天津市智能計(jì)算及軟件新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300384)

0 引 言

在培養(yǎng)高等院校學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力中，實(shí)踐教學(xué)是一個(gè)非常重要的手段，近幾年來(lái),各高校以“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”為教學(xué)目標(biāo)，改革工程人才培養(yǎng)的傳統(tǒng)模式，以適應(yīng)日益發(fā)展的工程型人才的需求。

計(jì)算機(jī)接口課程群是電子信息類專業(yè)非常重要的課程[1]，主要包括“接口技術(shù)與匯編語(yǔ)言”、“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”、“單片機(jī)”、“嵌入式”等課程以及若干實(shí)踐環(huán)節(jié)，根據(jù)各高校的培養(yǎng)計(jì)劃不同，所選課程略有差別。這些課程的應(yīng)用性和實(shí)踐性很強(qiáng)，是培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力的一個(gè)重要載體。但是目前傳統(tǒng)的教學(xué)模式教學(xué)內(nèi)容單一，工程背景不強(qiáng)，綜合訓(xùn)練程度不夠，造成學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)接口類技術(shù)理解不透徹，實(shí)踐動(dòng)手能力普遍較弱，難于符合“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的培養(yǎng)目標(biāo)[2-4]。如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化接口類課程的工程應(yīng)用能力，成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)接口類課程實(shí)踐教學(xué)改革中一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

目前計(jì)算機(jī)接口類課程在實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題主要有：① 計(jì)算機(jī)接口類課程內(nèi)容繁多，概念抽象，傳統(tǒng)的教學(xué)方法偏重于知識(shí)的傳授，學(xué)生被動(dòng)接收知識(shí)，大腦容易疲勞，學(xué)習(xí)效率低下，達(dá)不到“培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力”的教學(xué)目的，必須進(jìn)行改革。② 實(shí)踐教學(xué)所用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件線路比較固定，設(shè)計(jì)方案針對(duì)性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容受硬件設(shè)計(jì)的制約[5]，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的擴(kuò)展很受局限，如果要開(kāi)設(shè)自主性、開(kāi)放性和綜合性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，需要進(jìn)行很大的硬件投入和實(shí)驗(yàn)器件的消耗，對(duì)實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的需求量比較大。③ 當(dāng)前計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的教學(xué)中普遍存在“重軟輕硬”的現(xiàn)象，軟件教學(xué)只需要一臺(tái)電腦和相關(guān)軟件，就可以完成各種教學(xué)需求，對(duì)硬件的需求低，設(shè)備使用周期長(zhǎng)，實(shí)踐教學(xué)實(shí)施起來(lái)相對(duì)容易。而硬件知識(shí)的信息存儲(chǔ)和傳遞都是在設(shè)備內(nèi)部完成的，不直觀，老師講述起來(lái)比較抽象。造成目前計(jì)算機(jī)專業(yè)教育普遍存在重視軟件輕視硬件的急功近利的傾向。

這些問(wèn)題抑制了學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)接口課程群的主動(dòng)性，如果將所學(xué)知識(shí)與其在實(shí)際工作當(dāng)中的應(yīng)用相結(jié)合，使學(xué)生提前了解生產(chǎn)過(guò)程中的真實(shí)需求，及時(shí)參與企業(yè)的實(shí)習(xí)，不但能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且能夠使學(xué)生在學(xué)習(xí)中有的放矢。實(shí)際上，日常生活及生產(chǎn)中涉及到微機(jī)接口應(yīng)用的方面很多，如農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、公共汽車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)、智能儀器儀表等應(yīng)用不勝枚舉，通過(guò)科學(xué)的選擇和設(shè)計(jì)相關(guān)的應(yīng)用項(xiàng)目，以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)講授課程，將會(huì)大大激發(fā)學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣，參與實(shí)際項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)也會(huì)在學(xué)生的求職過(guò)程中起到重要的支撐作用[6-8]。

1 教學(xué)改革目標(biāo)與措施

1.1 改革目標(biāo)

通過(guò)“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法的研究和探索，從本質(zhì)上改變傳統(tǒng)教學(xué)方法中忽視實(shí)踐環(huán)節(jié)、內(nèi)容單一、工程背景不強(qiáng)等缺點(diǎn)，在學(xué)校課堂上就能夠滿足企業(yè)在招聘中經(jīng)常開(kāi)出的 “參與過(guò)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)”的條件，增加了學(xué)生的工程應(yīng)用背景，為學(xué)生的就業(yè)打好基礎(chǔ)[9]。

1.2 構(gòu)建多層次實(shí)踐教學(xué)體系

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法的實(shí)踐教學(xué)體系循序漸進(jìn)地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)踐項(xiàng)目涉及專業(yè)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)訓(xùn)、開(kāi)放選修實(shí)驗(yàn)等多個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。表1列出了微機(jī)接口類課程的實(shí)踐教學(xué)體系。

表1 微機(jī)接口類課程的實(shí)踐教學(xué)體系

1.3 項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與管理

1.3.1項(xiàng)目設(shè)置

為了提高學(xué)生的工程背景知識(shí)，需要安排有效的實(shí)際開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，這就需要授課教師多與企業(yè)接觸合作，設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)化的但仍具有實(shí)際意義的項(xiàng)目，同時(shí)這些項(xiàng)目又具有一定的趣味性，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

在“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)中，項(xiàng)目是整個(gè)課程的核心內(nèi)容[10-14]，因此項(xiàng)目設(shè)計(jì)是要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，項(xiàng)目的合理與否將直接影響到最終教學(xué)效果，項(xiàng)目的設(shè)計(jì)應(yīng)該緊扣教學(xué)內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)所講授內(nèi)容的深度，擬定出切實(shí)可行的項(xiàng)目。

在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接口課程群的教學(xué)中，由于要解決的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題比較簡(jiǎn)單，學(xué)生經(jīng)常忽視項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程，總是直接畫(huà)電路圖和寫(xiě)代碼，然后再補(bǔ)充文檔甚至不寫(xiě)文檔，因此如何規(guī)范學(xué)生的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)流程是做好“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”教學(xué)的關(guān)鍵。

因此我們?cè)O(shè)定一個(gè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)流程(見(jiàn)圖1)，用以支持項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程，這一框架在較高的層面列舉了相關(guān)的活動(dòng)內(nèi)容，它包括了項(xiàng)目相關(guān)的領(lǐng)域知識(shí)、啟發(fā)式的開(kāi)發(fā)策略、控制策略和學(xué)習(xí)策略等[4，15]。所有項(xiàng)目按照此流程框架開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，可以大大降低教師的工作量。

1.3.2項(xiàng)目設(shè)計(jì)的目標(biāo)

項(xiàng)目主要培養(yǎng)以下幾方面的工程訓(xùn)練能力：① 專業(yè)理論知識(shí)的掌握與運(yùn)用。② 專業(yè)技術(shù)資料的收集、閱讀、綜述整理能力。③ 計(jì)算機(jī)接口課程群的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試能力。④ 使學(xué)生對(duì)自己將要從事的工作過(guò)程有詳細(xì)的了解。⑤ 了解實(shí)際項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)流程，熟悉常用的開(kāi)發(fā)工具和相關(guān)的儀器儀表，使學(xué)生充分體驗(yàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到成品的全過(guò)程。⑥ 提高學(xué)生之間的技術(shù)交流、團(tuán)隊(duì)合作和撰寫(xiě)技術(shù)文檔等的技能。

1.3.3項(xiàng)目設(shè)計(jì)原則

由于當(dāng)前大學(xué)生普遍存在動(dòng)手能力差、合作意識(shí)不強(qiáng)等弱點(diǎn)，因此項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要采取循序漸進(jìn)的原則，從最初的單人項(xiàng)目、雙人項(xiàng)目到團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目，逐漸增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和合作意識(shí)，不能急于求成。

單人項(xiàng)目主要進(jìn)行專業(yè)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試用例程序或電路設(shè)計(jì)，實(shí)踐初級(jí)的項(xiàng)目管理工具和操作流程。

雙人項(xiàng)目主要合作完成一些綜合性實(shí)踐活動(dòng)，練習(xí)各種功能模塊的軟硬件設(shè)計(jì)，主要達(dá)到提高交流和合作能力的目的。涉及內(nèi)容包括結(jié)對(duì)編程、不同模塊之間的接口設(shè)計(jì)、電路和代碼的審查、人機(jī)界面的設(shè)計(jì)等，使得學(xué)生能夠有機(jī)會(huì)了解不同層次的編程語(yǔ)言和硬件電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

有雙人項(xiàng)目的合作基礎(chǔ)后，可進(jìn)行團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，采用工業(yè)界普遍使用的項(xiàng)目小組開(kāi)發(fā)模式，要求學(xué)生6～8人分成小組。項(xiàng)目開(kāi)始階段，教師起主導(dǎo)作用，通過(guò)與學(xué)生充分的交流和探討幫助他們完成早期的調(diào)研和總體方案的確定；項(xiàng)目的中期階段，教師的作用逐漸變成小組內(nèi)部的協(xié)調(diào)和引導(dǎo)；進(jìn)入項(xiàng)目的后期，教師主要檢查項(xiàng)目的進(jìn)展情況，針對(duì)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中的難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行指導(dǎo)和解答，幫助學(xué)生共同尋找答案。

1.3.4項(xiàng)目評(píng)估體系

項(xiàng)目的評(píng)估是關(guān)系到“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。因此設(shè)計(jì)出一套行之有效的項(xiàng)目評(píng)估體系，使得評(píng)估結(jié)果即能夠體現(xiàn)項(xiàng)目的完成質(zhì)量，又能夠體現(xiàn)學(xué)生的知識(shí)積累情況和學(xué)生之間的協(xié)作精神。

項(xiàng)目的評(píng)估體系同企業(yè)的評(píng)估方式類似，包括客觀評(píng)估和主觀評(píng)估兩部分內(nèi)容，主觀評(píng)估根據(jù)每個(gè)階段的工作效果進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估內(nèi)容主要包括：需求分析與調(diào)研、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、硬件電路調(diào)試、軟件編程與調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和資料歸檔等階段的工作。主觀評(píng)估主要包括小組內(nèi)部的協(xié)作開(kāi)發(fā)能力、每個(gè)小組成員的參與程度、項(xiàng)目開(kāi)發(fā)成果的評(píng)定，通過(guò)項(xiàng)目評(píng)估實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的模擬跟蹤。

2 開(kāi)放式硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

為了更好地實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，課題組設(shè)計(jì)了開(kāi)放式的接口課程群的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用大規(guī)模可編程器件，探索性設(shè)計(jì)了一套基于EDA技術(shù)的低成本的計(jì)算機(jī)接口實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能完成微機(jī)原理、計(jì)算機(jī)控制、單片機(jī)、嵌入式等課程的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置通常采用的是中小規(guī)模的集成電路器件，器件相對(duì)固定，可調(diào)整性差，而通過(guò)EDA工具軟件可以設(shè)計(jì)各種規(guī)模的數(shù)字電子系統(tǒng)，通過(guò)硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真后，下載到可編程邏輯器件中測(cè)試。這類開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案沒(méi)有限制，實(shí)現(xiàn)起來(lái)更加靈活。

通過(guò)EDA 和CPLD/FPGA仿真器能完成計(jì)算機(jī)硬件接口類課程群的各類項(xiàng)目開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)。我們采用了模塊化結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖2所示。該裝置使用Xilinx 公司Spartan-3系列FPGA 芯片，通過(guò)擴(kuò)充板可以滿足大部分的項(xiàng)目模型開(kāi)發(fā)要求。

平臺(tái)整體分為軟硬件兩個(gè)部分。軟件部分主要在實(shí)驗(yàn)PC上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的監(jiān)控；硬件部分主要是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)PC 與硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)USB 串口連接，根據(jù)通信接口協(xié)議實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)PC 對(duì)硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。軟件部分按照模塊化設(shè)計(jì)分為界面、通信、監(jiān)控調(diào)試、下載以及內(nèi)嵌的編譯解釋器等模塊。硬件部分分為板上公共邏輯模組，實(shí)驗(yàn)?zāi)＝M以及對(duì)應(yīng)各個(gè)實(shí)驗(yàn)課程的微機(jī)接口輔助模組、微機(jī)控制輔助模組和單片機(jī)輔助模組。這里各個(gè)實(shí)驗(yàn)課程輔助模組之間不是完全分離的，我們通過(guò)相互比較采用了一定的重疊復(fù)用，提高了硬件利用率，大大提高了整體硬件平臺(tái)的利用率。

3 教學(xué)成果分析

課題組為了進(jìn)行教學(xué)成果的分析和比較，選取天津理工大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)2009級(jí)兩個(gè)不同教學(xué)班的“微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)”和“計(jì)算機(jī)控制”課程作為實(shí)驗(yàn)樣本，“微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)”為前期專業(yè)基礎(chǔ)課程，“計(jì)算機(jī)控制”為后續(xù)專業(yè)課。教學(xué)實(shí)驗(yàn)從不同的角度進(jìn)行教學(xué)成果分析，其中A班采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)方法，在“微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)”課程開(kāi)始的時(shí)候，老師就布置了項(xiàng)目的任務(wù)，但是在開(kāi)始階段是單人和雙人項(xiàng)目，學(xué)生可以自由的選擇合作對(duì)象，當(dāng)進(jìn)入后續(xù)專業(yè)課程時(shí)，再重新選擇組成團(tuán)隊(duì)，這樣能夠督促學(xué)生主動(dòng)的寫(xiě)好文檔，并且能提高學(xué)生看電路圖和讀代碼的能力。B班采用傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)方法，以2個(gè)自然教學(xué)學(xué)期作為實(shí)驗(yàn)周期。

對(duì)兩個(gè)班的學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查分析，由于兩個(gè)對(duì)照班的教學(xué)模式不同，所以設(shè)計(jì)的問(wèn)卷內(nèi)容也有不同，但是都反映了學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)的完成情況和學(xué)生對(duì)課程的滿意度，對(duì)調(diào)查表的總結(jié)情況如表2和表3所示。

表2 A班34人(項(xiàng)目驅(qū)動(dòng))問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果

表3 B班34人(傳統(tǒng)教學(xué))問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果

通過(guò)對(duì)上述兩個(gè)表格以及授課教師的教學(xué)反饋，兩種教學(xué)模式的教學(xué)成果分析如表4所示。

通過(guò)對(duì)學(xué)生和授課教師的調(diào)查結(jié)果分析可知，學(xué)生對(duì)于基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式產(chǎn)生了較好的反響，學(xué)生的滿意度較高，能夠自主、積極地完成教學(xué)過(guò)程中的各項(xiàng)任務(wù)，學(xué)生感到受益很多，尤其對(duì)于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的實(shí)際過(guò)程有了一個(gè)很深入的體驗(yàn)，加強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。同時(shí)由于各組的設(shè)計(jì)方案不盡相同，因此在各種文檔的書(shū)寫(xiě)過(guò)程中有效的避免了抄襲現(xiàn)象的產(chǎn)生。

表4 教學(xué)成果分析

對(duì)于傳統(tǒng)組的調(diào)查結(jié)果所反映的問(wèn)題，也正是我們?yōu)槭裁匆岢龈母锏脑蛩?，?shí)驗(yàn)內(nèi)容死板，抽象，學(xué)生的參與度較低，實(shí)驗(yàn)報(bào)告千篇一律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)體系過(guò)于簡(jiǎn)單，造成了上述問(wèn)題的存在。

4 結(jié) 語(yǔ)

“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)方式是一種全新的教學(xué)模式，將實(shí)際項(xiàng)目導(dǎo)入到專業(yè)教學(xué)當(dāng)中，使學(xué)生充分參與到項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的各個(gè)階段，從而優(yōu)化了接口類課程群的教學(xué)體系和知識(shí)結(jié)構(gòu)，全面培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、解決問(wèn)題的能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，在天津理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院的實(shí)施結(jié)果表明，學(xué)生的工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力得到較明顯的提高。

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