肖 娟，王 嵩，于 芳，謝 慧

（湘南學院 軟件與通信工程學院， 湖南 郴州 423000）

0 引 言

“雙一流”建設(shè)是黨中央、國務(wù)院在中國高等教育領(lǐng)域繼“211工程”“985工程”之后作出的另一重大高等教育戰(zhàn)略決策。2017年9月21日，我國教育部、財政部、國家發(fā)展改革委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于公布世界一流大學和一流學科建設(shè)高校及建設(shè)學科名單的通知》，公布了我國建設(shè)一流大學和一流學科的名單[1]。在公布名單之列的高校都是我國辦學基礎(chǔ)扎實、發(fā)展實力強勁的高校，對于絕大多數(shù)的地方本科院校而言,沒有悠久的辦學歷史，也沒有充裕的辦學經(jīng)費，如何在“雙一流”建設(shè)的春風中找到自身定位和發(fā)展目標是地方本科院校發(fā)展的關(guān)鍵。

應用型地方本科院校在“雙一流”建設(shè)中，應抓住自身的特點，建設(shè)適合自身發(fā)展需求的“一流”應用特色學科。應用型地方本科院校的最大特點就是培養(yǎng)能把成熟的技術(shù)和理論應用到實際生成、生活中的技能型人才。作為應用型地方本科院校的計算機學科，應該抓住其應用特色，從應用實踐方面入手加強學科競爭力。

計算機硬件類課程是計算機學科各類專業(yè)所必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，而實踐教學又是培養(yǎng)學生實踐動手能力最為直接和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，因此，在“雙一流”建設(shè)中，應用型地方本科院校對計算機硬件類課程實踐教學的改革是非常必要的。

1 實踐教學體系現(xiàn)狀

近年來，計算機微處理器技術(shù)、芯片集成技術(shù)和半導體技術(shù)等計算機硬件相關(guān)技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展，其發(fā)展極大程度地降低了計算機的應用成本，使計算機的應用滲透到人們生產(chǎn)和生活的方方面面，并在逐漸改變?nèi)藗兩a(chǎn)生活方式的同時，推動社會迅速地向前發(fā)展。因此，作為計算機相關(guān)專業(yè)的高校學生，必須掌握計算機硬件設(shè)計技術(shù)和硬件工程能力等相關(guān)的計算機硬件知識技能。

在我國，計算機硬件相關(guān)課程隨著計算機學科的發(fā)展也在逐漸成熟，由于現(xiàn)在計算機學科下的二級學科發(fā)展方向不同，對于計算機相關(guān)硬件課程的選擇也有所側(cè)重。計算機硬件相關(guān)課程在不同的二級學科中有著不同的設(shè)置，但目前從計算機學科這個一級學科的全局來看，從硬件底層技術(shù)向上發(fā)展的課程主要包括電路與電子學、數(shù)字電路、模擬電路、微機原理、計算機組成原理、微機接口、匯編語言、單片機技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、體系結(jié)構(gòu)等。前面3門課程是最底層的硬件電路知識相關(guān)課程，這3門課程中的電路與電子學和模擬電路在有的偏向軟件和應用的二級學科已停止開設(shè)。第4～6門課程目前來說一般只開設(shè)計算機組成原理。匯編語言這門面向硬件底層的低級語言課程也只是在部分二級學科有開設(shè)，有部分二級學科專業(yè)把此課程合并到計算機組成原理之中，取名為計算機組成原理與匯編。單片機技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)這2門課程是面向計算機硬件技術(shù)的應用層面，其應用技術(shù)價值相對較高，是目前物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)方向的必修課程，因此這2門課程的開設(shè)較為廣泛，同時其技術(shù)難度也較大。體系結(jié)構(gòu)這門課程的理論性較強，在計算機相關(guān)專業(yè)的碩士研究生階段會繼續(xù)學習，因此，許多高校在本科學習階段都已不開設(shè)這門課程。

這些計算機硬件課程的設(shè)置和實踐體系結(jié)構(gòu)對于國內(nèi)一些底蘊深厚、技術(shù)雄厚的高校，如“985”“211”這類高校，都隨著時代的發(fā)展有所發(fā)展和改革[2-4]，這些高校的硬件類課程實踐體系的改革都是針對其自身情況特點和培養(yǎng)目標所作出的改革和嘗試，值得其他高校學習和借鑒。然而，對處于轉(zhuǎn)型發(fā)展階段的絕大多數(shù)應用型地方本科院校來說，由于技術(shù)上和資金上都相對薄弱，不能直接照搬“985”“211”這類高校的硬件課程實踐教學體系，而應該在深入分析自身培養(yǎng)目標、發(fā)展方向的基礎(chǔ)上，建立一套適合自身特色和需求的實踐教學體系。

2 實踐教學體系存在的問題

1）缺乏適合自身發(fā)展需求的實踐教學體系。

目前，絕大部分應用型地方本科高校計算機硬件課程的實踐教學體系基本上都是照搬“985”“211”這類高校的。然而，由于學情不同、發(fā)展定位不同、培養(yǎng)目標不同，純粹地照搬其他高校的實踐教學體系，是難以適應目前新形勢下應用型地方本科院?！半p一流”建設(shè)需求的。

2）實驗設(shè)備陳舊、實驗方式落后、實驗內(nèi)容老套。

當前，大部分地方本科高校計算機硬件課程的實驗設(shè)備還在沿用十多年前的實驗箱，其實驗內(nèi)容也很少變動，這些老套的實驗內(nèi)容早已跟不上現(xiàn)代硬件相關(guān)應用技術(shù)的發(fā)展。

3）實驗課時不足，影響實踐能力的培養(yǎng)。

在傳統(tǒng)計算機硬件類專業(yè)課程培養(yǎng)方案的設(shè)置中，理論課時和實驗課時的比例通常是3:1或者4:1，這么少的實驗課時，對于應用型人才實踐能力的培養(yǎng)是完全不能滿足的。

4）課程設(shè)計環(huán)節(jié)不被重視。

在傳統(tǒng)計算機硬件類專業(yè)課程的設(shè)置中，只有少部分應用性較強的課程，如嵌入式系統(tǒng)開設(shè)了課程設(shè)計，但其課程設(shè)計的內(nèi)容和選題都比較單調(diào)和簡單，并沒有與現(xiàn)行的相關(guān)應用技術(shù)和熱點技術(shù)相適應。

綜上，在“雙一流”建設(shè)中，應用型地方本科院校計算機硬件類課程實踐教學體系的改革迫在眉睫。

3 實踐教學體系改革方案

1）實踐教學目標。

應用型地方本科院校的定位就是培養(yǎng)應用型人才，而應用型人才最主要的特點是具有較強的實踐動手能力和技能。計算機硬件類課程的實踐教學目標是從硬件底層的電路設(shè)計到硬件技術(shù)的高級應用嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，這些都離不開相關(guān)硬件實踐技術(shù)的掌握。因此，需要分析計算機硬件類各門課程的特點，并調(diào)研目前相關(guān)課程所涉及的前沿應用技術(shù)，如一線企業(yè)應用到生產(chǎn)方面的關(guān)鍵技術(shù)，以此為結(jié)合點，確定計算機硬件類每門課程的實踐教學目標。例如，數(shù)字邏輯課程的實踐教學目標應該是在掌握各種類型電路設(shè)計原理的基礎(chǔ)上，學生能設(shè)計出各種實際應用的邏輯電路圖；計算機組成原理課程的實踐教學目標應該是在理解計算機各部件原理的基礎(chǔ)上，學生能自主設(shè)計出簡單的計算機模型機；單片機課程的實踐教學目標應該是學生在掌握某類單片機開發(fā)板的基礎(chǔ)上，能針對某方面應用開發(fā)出具有一定功能的軟硬件模塊；嵌入式課程的實踐教學目標應該是學生能開發(fā)出某方面應用的完整嵌入式系統(tǒng)。

2）增加計算機硬件類課程實踐課時的比例。

以提高實踐動手能力為目標來培養(yǎng)應用型人才，就必須改革陳舊的課時比例。對于計算機硬件類的課程應該根據(jù)計算機硬件類各課程的不同特點，作出不同的修改和調(diào)整。例如，數(shù)字邏輯和計算機組成原理這種理論性較強的課程，其理論課和實驗課的比例可以不變，但除了基本的實驗課時之外，還應該設(shè)置一定的課程設(shè)計課時和課外實踐課時，以此增加實踐課時比例；單片機和嵌入式系統(tǒng)這種實踐性較強的課程，其理論課程和實踐課程的比例應該調(diào)整為1:1或1:2。

3）確定合適的實驗項目。

在設(shè)置實驗項目時，要針對實踐應用需求來設(shè)置，從簡單到復雜，從驗證型到設(shè)計型再到綜合型，對所有的實驗項目要進行分類設(shè)置。改變以往大部分實驗以驗證型為主的現(xiàn)象，增加設(shè)計型實驗和綜合型實驗的比重，驗證型實驗應該只占20%的比重，而設(shè)計型和綜合型實驗的比重要增加到80%，以此提高學生的實驗自主性和設(shè)計創(chuàng)新能力。

4）改革實驗方式。

在計算機硬件相關(guān)課程的實驗中，把傳統(tǒng)使用實驗箱的實驗方式改為實驗箱、虛擬實驗平臺和實驗開發(fā)板相結(jié)合的多種實驗方式。根據(jù)課程不同、實驗項目和內(nèi)容的不同，確定不同的實驗方式，多種實驗方式的結(jié)合，有利于提高學生的實驗興趣和調(diào)動學生的實驗積極性。例如，數(shù)字邏輯中的驗證型實驗可以用古老的實驗箱完成，讓學生觀察不同的輸入得到不同的實驗輸出，通過燈泡的亮滅真實感受實驗結(jié)果；數(shù)字邏輯中的設(shè)計型和綜合型實驗就可以讓學生在虛擬實驗平臺上完成設(shè)計的過程，這樣學生可以專注于實驗設(shè)計的本身。

5）設(shè)置案例式課程設(shè)計。

認真分析計算機硬件相關(guān)課程的特性，對有應用設(shè)計需求的課程開設(shè)課程設(shè)計。在課程設(shè)計的選題中，需要結(jié)合技術(shù)發(fā)展熱點和應用前景，選擇典型的真實案例作為課程設(shè)計的項目，提高學生獨立設(shè)計和開發(fā)硬件的能力。例如，數(shù)字邏輯和計算機組成原理課程在需要開設(shè)課程設(shè)計時，教師可以給出設(shè)計的項目，讓學生利用虛擬實驗平臺完成設(shè)計，而設(shè)計項目的選擇則以實際應用為前景。數(shù)字邏輯課程的課程設(shè)計題目可以擬定一些生活中的實例，如數(shù)字式溫度計、電子鐘、報警器、搶答器的設(shè)計等，并鼓勵學生通過查閱資料自主完成。

6）開展創(chuàng)新型實踐項目。

由于課時總是有限的，因此需要利用學生的課外時間，開展課外創(chuàng)新型實踐項目。在正常課時之外，可以開放一些硬件相關(guān)的實驗室或者建立獨立的硬件創(chuàng)新開放實驗室，給學生提供學習資源和實驗平臺，并且教師給予一定的輔導和高于正常課時的實驗項目，主要依靠學生自主的學習和實驗完成。同時，鼓勵學生利用開發(fā)的項目參加相關(guān)的學科競賽，加快學生項目設(shè)計和產(chǎn)品成果轉(zhuǎn)化的進度，以此提高學生的應用能力。

7）積極發(fā)展校外實訓基地。

校企合作是應用型地方本科院校提高學生應用能力水平的一個重要途徑。與企業(yè)合作，讓高校培養(yǎng)的人才走出校門就能上崗工作，與社會需求相適應。針對計算機硬件相關(guān)課程，尋找相關(guān)企業(yè)，了解其所開發(fā)的項目資源，讓學生在畢業(yè)前期進入企業(yè)進行實習，可以提高學生的社會融入能力。

8）改革考核體系，加大實踐教學考核力度。

作為一個完整的實踐教學體系改革，其實踐考核的改革是不可或缺的。傳統(tǒng)的實踐教學考核是并入課程考核之內(nèi)的，以理論考核為重，實踐考核不計或只占非常小的比重。實踐考核因為不被重視，而導致實踐教學也不被重視，實踐能力的培養(yǎng)也無法正確地衡量，因此，必須加大實踐考核力度，制定相對完善的實踐考核方案，以學生的實踐動手能力為主要考核目標，以學生的實踐作品為考核內(nèi)容，完善計算機硬件課程實踐教學考核方案。

4 實踐教學體系改革需解決的關(guān)鍵問題

“雙一流”建設(shè)中，應用型地方本科院校計算機硬件類課程實踐教學體系改革需要解決以下兩個方面的關(guān)鍵問題。

1）課內(nèi)實驗項目、課程設(shè)計項目和課外實踐項目的設(shè)置。

在“雙一流”建設(shè)中，應用型地方本科院校計算機硬件類課程實踐教學體系應把實踐項目分為3個層次，從基礎(chǔ)實驗項目到課程設(shè)計再到課外實踐，這3個層次構(gòu)成了完整的實踐項目體系。這3個層次的項目要從簡單的單元實驗，到設(shè)計型的專項實踐項目，再到綜合型的復雜實踐項目，考慮到學生學習是一個循序漸進地規(guī)律，需依次增進難度和復雜度。因此，如何根據(jù)實際應用需求，并結(jié)合當下相關(guān)硬件技術(shù)，設(shè)置出符合學生理論知識、技術(shù)應用能力、設(shè)計開發(fā)能力及應用創(chuàng)新能力培養(yǎng)的各類實踐項目，是實踐教學體系改革中需要解決的關(guān)系。

2）實驗箱、Multisim仿真軟件和自主研發(fā)虛擬實驗系統(tǒng)的整合應用。

實驗箱是計算機硬件類課程最古老的實驗方式。Multisim仿真軟件是目前業(yè)界流行的電路設(shè)計虛擬仿真軟件，Multisim是美國國家儀器有限公司（National Instrument ）推出的以windows為基礎(chǔ)的目前業(yè)界最流行的電路設(shè)計仿真軟件之一。Multisim功能較為強大，但并不能完全適合實踐教學的需求。因此，根據(jù)實踐教學項目的需求，結(jié)合理論知識的講解，筆者自主設(shè)計和研發(fā)了數(shù)字邏輯和計算機組成原理這兩門課程的虛擬實驗平臺，并且將計算機組成原理虛擬實驗平臺做成了開源的網(wǎng)站，可供學生自主下載使用。這3種不同的實驗方式有著各自的優(yōu)缺點，實驗箱比較簡單直觀，但實驗受時間和空間的限制，也會因為實驗箱本身的原因影響實驗結(jié)果，因此只適合于簡單驗證型實驗項目的使用。Multisim是專門針對于底層電路設(shè)計的仿真實驗軟件，其提供了較為豐富的虛擬組件，也適合于電子設(shè)計方面設(shè)計型和綜合型較強的實踐項目。自主研發(fā)的虛擬實驗平臺以書本為基礎(chǔ)，又高于理論知識，是為某門課程特制的虛擬實驗平臺，實驗組件是專門設(shè)置開發(fā)的，適合于設(shè)計型和綜合型較強的實踐項目。在計算機硬件類課程實踐教學體系改革中，要根據(jù)課程設(shè)置的各類實踐項目的不同，選擇不同的實驗方式。

5 結(jié) 語

以計算機硬件類專業(yè)課程實踐教學體系改革為例，探索出適合應用型地方本科院校在“雙一流”建設(shè)中的實踐教學體系改革方案，此方案為計算機硬件類專業(yè)課程實踐教學改革指明了方向，在今后的實踐教學過程中還將在各門硬件課程中進行具體的實踐項目設(shè)置，并在實驗方式確定中形成更為完善的實踐教學體系。