(1、2.安徽大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥230601)

引言

高校作為國家創(chuàng)新體系的重要組成部分，在綜合型高素質(zhì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)中發(fā)揮著重要的作用。創(chuàng)新人才不僅需要具備扎實的基礎(chǔ)理論與專業(yè)知識，同時，更需要擁有較強的綜合分析與創(chuàng)造能力。作為人才培養(yǎng)體系中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，已經(jīng)體現(xiàn)出了越來越重要的地位[1]。另一方面，隨著近年來人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能汽車、智能語音導(dǎo)航、智能醫(yī)療設(shè)備、智能家居等已走進我們的生活[2]。2017年，國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出：到2030年使中國人工智能理論、技術(shù)與應(yīng)用總體達到世界領(lǐng)先水平，成為世界主要人工智能創(chuàng)新中心(國發(fā)[2017]35號)。在此背景下，面向計算機硬件課程體系的實驗教學(xué)作為計算機教育體系的一個重要組成，在創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)、學(xué)生綜合素質(zhì)的提升及促進國家人工智能技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用。筆者根據(jù)多年從事計算機硬件相關(guān)課程的教學(xué)經(jīng)驗，結(jié)合計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、系統(tǒng)仿真技術(shù)與人機交互技術(shù)，提出了通過構(gòu)建數(shù)字化實驗教學(xué)平臺，提升學(xué)生在教學(xué)實施過程中的主導(dǎo)地位的教學(xué)新思路，以充分激發(fā)其學(xué)習(xí)主動性與創(chuàng)造性，實現(xiàn)理論與實踐的有機統(tǒng)一。

1 構(gòu)建數(shù)字化實驗教學(xué)平臺的必要性

目前，很多高校在計算機硬件課程體系(主要包括：《匯編語言程序設(shè)計》《編譯原理》《計算機體系結(jié)構(gòu)》《微型計算機原理與接口技術(shù)》《單片機技術(shù)》等)的實驗教學(xué)中，普遍采用的是：“傳遞→接受→模仿” 教學(xué)模式。該模式通過實驗?zāi)繕说闹v解、基礎(chǔ)理論的講授、實際操作及綜合實踐4個環(huán)節(jié)實施教學(xué)，其優(yōu)點是教師可以較好地組織實驗環(huán)節(jié)、及時解決學(xué)生所遇到的問題及方便地進行課程進度的控制等，便于在實驗教學(xué)中發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用。然而，該模式卻降低了學(xué)生在教學(xué)實施過程中的認知主體地位，遏制了其主觀能動性與創(chuàng)造性的充分發(fā)揮[3]。因此，傳統(tǒng)教學(xué)模式所帶來的弊端是：逐步養(yǎng)成學(xué)生的思維惰性，使其形成對教科書與教師講授內(nèi)容的盲目“崇拜”，嚴重阻礙了學(xué)生發(fā)散思維與逆向思維的訓(xùn)練。更為嚴重的是，當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果與書本內(nèi)容不一致時，他們首先否定了自己，缺失了對所學(xué)知識的質(zhì)疑，扼殺了學(xué)生提出新想法的勇氣，阻斷了創(chuàng)新能力培養(yǎng)的源泉[4]?？梢钥闯觯@種教學(xué)模式移走了創(chuàng)新型人才賴以成長的沃土，人才培養(yǎng)質(zhì)量根本無從談起。另一方面，計算機硬件課程體系是以《數(shù)字邏輯》《電路與模電》《信號與系統(tǒng)》等相關(guān)課程為基礎(chǔ)的專業(yè)核心課程群，不同課程之間具有較強的關(guān)聯(lián)性，這對學(xué)生創(chuàng)新求異的開拓能力提出了更高的要求。如果僅強調(diào)局部專業(yè)能力的培養(yǎng)，而不重視知識的整體性把握，培養(yǎng)出的學(xué)生勢必自主學(xué)習(xí)能力差、知識體系性弱、創(chuàng)新能力不強，這將很難適應(yīng)如今快速發(fā)展的計算機技術(shù)。因此，傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式改革勢在必行，數(shù)字化實驗教學(xué)平臺則應(yīng)運而生。

2 數(shù)字化實驗教學(xué)平臺的基本架構(gòu)

數(shù)字化實驗平臺是基于互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)等信息資源，結(jié)合多種實驗教學(xué)媒體的新型教學(xué)實驗平臺。該平臺通過整合現(xiàn)有教學(xué)資源，開發(fā)新的教學(xué)交互軟件，改變傳統(tǒng)的教師到學(xué)生的講授模式，使學(xué)生在實驗過程中成為教學(xué)實施過程的主導(dǎo)者，從而充分激發(fā)其學(xué)習(xí)的主動性與創(chuàng)造性。面向計算機硬件課程體系的數(shù)字化實驗教學(xué)平臺主要由“硬件教學(xué)平臺”和“軟件教學(xué)平臺”兩個子平臺構(gòu)成。

2.1 硬件教學(xué)平臺

數(shù)字化實驗硬件教學(xué)平臺的組成如圖1所示。

圖1 數(shù)字化實驗硬件教學(xué)平臺組成示意圖

硬件平臺主要由“校外資源”與“校內(nèi)資源”兩部分組成，兩者之間通過校園網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)進行信息傳輸。其中，“校內(nèi)資源”部分由實物設(shè)備實驗室、虛擬實驗室及學(xué)校的電子圖書館組成；“校外資源”部分由科研機構(gòu)、其他高校及實習(xí)基地組成。學(xué)生實驗內(nèi)容的預(yù)習(xí)、資料的查閱、部分實驗的仿真及結(jié)果的提交可在校內(nèi)資源平臺內(nèi)實現(xiàn)；而對于一些本專業(yè)最新的動態(tài)、產(chǎn)品與思路可通過互聯(lián)網(wǎng)從校外資源獲取。在整個硬件平臺中，“實物設(shè)備實驗室”與“虛擬實驗室”是兩個核心組成部分。其中，“實物設(shè)備實驗室”通過硬件的實際操作完成原理驗證、開發(fā)或電子制作等實驗；“虛擬實驗室”通過相關(guān)設(shè)備和軟件虛擬實驗平臺，用來完成理論的驗證、算法的模擬和軟件的開發(fā)等，從而解決硬件實驗設(shè)備緊缺的問題。在進行虛擬仿真實驗時，學(xué)生可以不用去實驗室，只需在連接網(wǎng)絡(luò)的電腦上進行預(yù)定實驗內(nèi)容的操作即可。同時，還可以將分析結(jié)果以及所遇到的問題發(fā)送給教師；教師則通過自己的辦公電腦就可以觀察學(xué)生的實驗結(jié)果，并回答學(xué)生的提問。另外，教師和學(xué)生也可以通過網(wǎng)絡(luò)進行實時對話，隨時解決實驗過程中遇到的問題。

2.2 軟件教學(xué)平臺

軟件教學(xué)平臺是基于硬件教學(xué)平臺，它是實現(xiàn)交互教學(xué)功能的一個主要承擔(dān)者，主要包括以下6個部分：

2.2.1 實驗/實習(xí)指導(dǎo)教材：根據(jù)數(shù)字化平臺教學(xué)特點，以教材內(nèi)容為依據(jù)，以教學(xué)大綱為目標，由課題組與實驗室有經(jīng)驗的教師進行撰寫。為使學(xué)生能夠快速地了解實驗?zāi)康?、掌握實驗步驟、理解實驗重/難點，該教材應(yīng)具有提綱挈領(lǐng)與言簡意賅的特點。

2.2.2 基于多媒體技術(shù)的教學(xué)交互軟件：為保證學(xué)生能夠準確地掌握實驗基本原理、方法、步驟，軟件通過視頻、聲音、文字等手段，以交互方式完成這一目標。具體來說，學(xué)生可以在學(xué)習(xí)過程中，根據(jù)實驗?zāi)康?，自主設(shè)計程序流程、修改參數(shù)設(shè)置等方式來觀察初步的仿真結(jié)果。該軟件與教師電腦相連，教師可以查看該學(xué)生的具體實驗過程與結(jié)果，以便及時進行反饋。

2.2.3 理論仿真軟件：該軟件是教學(xué)交互軟件的升級，采用模塊化的設(shè)計思路，通過拖拽方式實現(xiàn)系統(tǒng)的搭建。學(xué)生在使用時，可根據(jù)所學(xué)原理，如：中斷、串行通信、看門狗程序等，設(shè)計實驗基本流程、編寫程序、設(shè)置硬件電路及參數(shù)等；學(xué)生也可以通過已有的實驗結(jié)果改變程序參數(shù)、調(diào)整硬件配置和程序運行環(huán)境進行仿真。在顯示端，軟件將同步輸出/顯示實驗結(jié)果及部分波形。

2.2.4 實物制作仿真軟件：計算機硬件教學(xué)主要面向硬件設(shè)備的制作與開發(fā)，如：定時器、計數(shù)器等，學(xué)生通過軟、硬件設(shè)計鍛煉獨立思考能力。在實驗過程中，他們將根據(jù)自己的興趣，在得到教師的許可后，可以自行設(shè)計一些具有一定綜合性的小系統(tǒng)。實物制作仿真軟件就是為了避免初期設(shè)計失敗而導(dǎo)致的資源浪費問題，同時，又可以為他們開發(fā)的系統(tǒng)提供必要的驗證。通過該軟件，學(xué)生可以實現(xiàn)系統(tǒng)模塊的搭建、參數(shù)的設(shè)置及輸出性能的分析等，通過結(jié)果的實時反饋，不斷調(diào)整、完善系統(tǒng)性能，以獲取最佳設(shè)計方案。

2.2.5 能力綜合測試軟件：為了檢查學(xué)生學(xué)習(xí)效果的好壞，軟件設(shè)計了筆試與實操兩個測試內(nèi)容。其中，筆試部分主要用于檢測學(xué)生對理論知識、實驗過程及實驗現(xiàn)象的掌握與理解程度；實操部分則由教師隨機抽取測試內(nèi)容，如：設(shè)計流水燈、使用揚聲器播放指定音樂、電子數(shù)碼管的顯示等，該測試依托實物制作仿真軟件完成，用以考查學(xué)生運用綜合知識的能力。

2.2.6 平臺管理軟件：為保證平臺的正常運行，軟件采用高、中、低三級管理方法，具體為：低級管理由學(xué)生推選的課程委員執(zhí)行，主要負責(zé)信息的日常維護與數(shù)據(jù)的更新；中級管理則由任課教師和實驗教師組成，主要負責(zé)軟件功能的開發(fā)、試題庫的維護等；高級管理由網(wǎng)絡(luò)專家組成，主要負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的維護、資源的分配等技術(shù)問題。

3 基于數(shù)字化實驗平臺的教學(xué)特點

面向計算機硬件課程體系的數(shù)字化實驗教學(xué)平臺綜合了計算機的快速交互、信息的實時更新、豐富的知識獲取手段等優(yōu)點[5, 6]，促進了學(xué)生在實驗教學(xué)過程中地位的改變，使學(xué)生從被動的信息接收者變成主動的知識獲取者。在這種教學(xué)模式下，教師從課堂的主宰者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生創(chuàng)新能力的哺育者，實現(xiàn)對學(xué)生學(xué)習(xí)主動性與積極性的進一步激發(fā)?；跀?shù)字化實驗平臺的教學(xué)過程具有以下幾個鮮明特點：

3.1 教學(xué)資源更加豐富。數(shù)字平臺整合了校外與校內(nèi)教學(xué)資源，學(xué)生在實驗過程中，可以方便地利用這些資源對實驗原理、實驗現(xiàn)象及實驗結(jié)果進行充分的準備與分析。另外，多媒體教學(xué)軟件的開發(fā)，聲音、視頻、文本等多種手段的綜合使用，在為學(xué)生提供良好信息獲取環(huán)境的同時，也會極大地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使他們有意愿去嘗試，去探索。

3.2 有利于教學(xué)質(zhì)量的提高。實驗平臺所提供的豐富教學(xué)資源為學(xué)生進行個性化學(xué)習(xí)提供了便利條件。學(xué)生可以通過指導(dǎo)教材與交互軟件了解實驗的重難點問題，在教師的指導(dǎo)下，可進行獨立思考與自主安排實驗內(nèi)容與時間。實物制作仿真軟件可輔助學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識，設(shè)計系統(tǒng)并進行仿真與驗證，幫助其在更高的層面上進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)?？梢钥闯?，這種實驗?zāi)Ｊ绞箤W(xué)生由傳統(tǒng)教學(xué)中的“簡單模仿”轉(zhuǎn)變?yōu)椤蔼毩⒃O(shè)計”，使之能夠更加主動獲取知識和處理信息；同時，也便于教師根據(jù)不同學(xué)生的特點，實現(xiàn)因材施教。

3.3 促進了教學(xué)模式的改革。在數(shù)字化教學(xué)平臺的教學(xué)活動中，弱化了教師在教學(xué)實施過程中的主導(dǎo)地位，強化了學(xué)生獨立與創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。教師通過指導(dǎo)學(xué)生從理論驗證到系統(tǒng)設(shè)計，再到系統(tǒng)實現(xiàn)及最終的實驗結(jié)果分析這一完整實驗過程，有效促進了學(xué)生自身探索和獲取知識能力的提高，逐步使學(xué)生養(yǎng)成主動思考與主動探索的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣。

3.4 促進學(xué)生創(chuàng)新能力的提升。數(shù)字化實驗教學(xué)通過改變“教”與“學(xué)”在教學(xué)過程中的比重，強調(diào)學(xué)生的認知主體地位，注重“自主獲取、自主探索、自主發(fā)現(xiàn)”能力的培養(yǎng)，通過學(xué)生與教師、學(xué)生與學(xué)生間的交流互動，將會有力促進學(xué)生創(chuàng)造與創(chuàng)新性思維的發(fā)展。

3.5 有助于團隊精神的培養(yǎng)。網(wǎng)絡(luò)在實驗過程中的使用，使得學(xué)生之間隨時、隨地開展合作成為可能。傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生的合作僅限于課堂教學(xué)時間，而在基于數(shù)字化平臺的教學(xué)模式中，學(xué)生們可以將實驗任務(wù)分解為多個模塊，每個學(xué)生負責(zé)完成其中一部分工作，最后通過網(wǎng)絡(luò)將功能進行整合。這種合作模式能夠促進學(xué)生們深入理解和運用所學(xué)知識；同時，共同的目標、共同的努力以及成功所帶來的滿足感將會深化學(xué)生對開展團隊合作重要性的認識，對于培養(yǎng)學(xué)生良好的協(xié)作精神與溝通協(xié)調(diào)能力具有重要的推動作用。

4 實施過程中可能會面臨的問題

4.1 對實驗條件提出了更高的要求

基于網(wǎng)絡(luò)的新型數(shù)字化實驗教學(xué)平臺的使用，對各高校的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)保障、實驗教學(xué)設(shè)備的更新與升級提出了更高的要求。以《微型計算機原理與接口技術(shù)》實驗課程為例，我院現(xiàn)有的主要實驗設(shè)備是基于單機版的實驗箱，缺少網(wǎng)絡(luò)版的在線仿真軟件，這限制了數(shù)字化實驗教學(xué)模式的實施。另外，平臺的管理也是一個具有挑戰(zhàn)的問題，如何保證網(wǎng)絡(luò)資源的合理分配、教師與學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上的信息安全及仿真結(jié)果的實時性，都是需要認真考慮的問題。

4.2 對教師的課程駕馭能力提出了新的挑戰(zhàn)

在基于數(shù)字化實驗教學(xué)平臺的實驗教學(xué)中，由于強化了學(xué)生認知主體的地位，教師的主導(dǎo)作用則有所下降。因此，在具體實施中，教師不再是實驗的“重復(fù)器”，學(xué)生也不再是知識的“存儲器”。相反，教師在教學(xué)中的主要工作變?yōu)橐龑?dǎo)學(xué)生在實驗中發(fā)現(xiàn)問題，幫助其分析問題與解決問題，提高探索新知識的能力。因此，在新的教學(xué)模式下，教師將從傳統(tǒng)教學(xué)方法中知識的講授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶒炦^程中的輔導(dǎo)者、學(xué)生的合作者。然而，這種關(guān)系的轉(zhuǎn)變必然給教師帶來新的挑戰(zhàn)。在學(xué)生的自主思維下，在豐富教學(xué)資源的幫助下，實驗過程中可能會產(chǎn)生各種難以預(yù)料的問題，這些問題可能是技術(shù)層面的，也可能是理論層面的。因此，快速、有效地“診斷”出問題所在，并給予學(xué)生合理的解決方案，對教師在課程內(nèi)容的駕馭上提出了更高的要求。

4.3 教師隊伍建設(shè)可能無法滿足數(shù)字化實驗教學(xué)的需求

目前，很多院校都存在實驗教師資源緊張的現(xiàn)象，新的數(shù)字平臺的應(yīng)用，雖然教師可以在網(wǎng)絡(luò)上對學(xué)生疑問進行解答，但依然難以有效緩解實驗教師的工作強度。另外，對于一些年紀偏大的教師，雖在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中得心應(yīng)手，但對于開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的實驗軟件、實施網(wǎng)絡(luò)教學(xué)有可能存在一定的困難。因此，如何加強實驗教師隊伍建設(shè)，提高實驗教師專業(yè)能力也是一個亟待解決的問題。

5 結(jié)語

數(shù)字化實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的一種改革，通過教學(xué)過程中教師與學(xué)生在教學(xué)過程中發(fā)揮作用的改變，基于網(wǎng)絡(luò)的資源共享的實現(xiàn)及多媒體交互軟件的開發(fā)，將會大大提高學(xué)生在實驗教學(xué)中的主動性與創(chuàng)造性。研究和探討新的面向計算機硬件課程體系的實驗教學(xué)模式和手段，利用數(shù)字化技術(shù)改進實驗教學(xué)條件，是提高計算機專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的一個重要且有效的途徑。作為一種行之有效的實驗教學(xué)平臺，目前我們已經(jīng)完成了硬件平臺中“校內(nèi)資源”模塊與“軟件教學(xué)平臺”的搭建，并在2017年度第一學(xué)期計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)約300名學(xué)生中展開了測試。學(xué)生們普遍反映，該教學(xué)平臺能夠較好地調(diào)動他們的學(xué)習(xí)積極性，尤其是“理論仿真軟件”與“實物制作仿真軟件”兩個模塊對于促進他們深入理解、運用所學(xué)知識起到了非常好的推動作用；同時，在完成實驗?zāi)繕说倪^程中，共同的目標、共同的努力以及成功所帶來的滿足感深化了學(xué)生對開展團隊合作重要性的認識，培養(yǎng)了他們良好的協(xié)作精神與溝通協(xié)調(diào)能力。目前，平臺構(gòu)建過程中，所遇到的主要問題是系統(tǒng)的穩(wěn)定性與學(xué)生注冊信息的安全性。在以后的工作中，我們除繼續(xù)完成“校外資源”模塊的搭建的同時，著手解決上述兩個問題，進一步提高該教學(xué)平臺的實用性。