隋欣

【摘要】? ? 硬件電路課程體系是計算機科學與技術專業(yè)學生的專業(yè)必修課。在新工科背景下，硬件電路課程體系的教學面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。本文以硬件電路課程體系中的硬件電路設計課程為例，闡述了在新工科背景下，硬件課程的教育教學方法可以有那些改進。并以課程中的交通燈電路設計為例，率先在課堂上進行了教學改革的嘗試，使得學生對課堂的參與度大大提高，增強了動手能力及邏輯思維能力，提高了課堂的滿意度。

【關鍵詞】? ?硬件電路? ? 教學改革? ? 數(shù)字邏輯? ? 新工科

引言：

隨著計算機技術以及信息技術的飛速發(fā)展，計算機科學與技術專業(yè)迅速成為我國幾大炙手可熱的熱門專業(yè)之一。因此，由此而引發(fā)的計算機專業(yè)的在校生人數(shù)也在逐年上升。然而，隨著投入到計算機行業(yè)的人才越來越多，各行各業(yè)對計算機人才的要求也在逐年升高。自2017年始，我國各大高校掀起了一場新工科運動的浪潮。在新工科運動的背景下，社會以及高校對學生的要求發(fā)生了很大程度上的轉變。如今，在實際生產(chǎn)和生活中，人們不僅要求計算機類人才具有扎心的理論基礎知識，同時，還要求大學生具有熟練的實際上手操作能力以及針對軟硬件的編程和調試能力?；谝陨献兓處煹慕虒W能力和學生的學習能力也將面臨新的變化，因此，教學改革被提上議程。

本次課題以計算機硬件課程的教學為例，進行了新的教學模式的探索，在日常課堂教學中，加大并且深入了實踐課程的研究力度，達到實踐與理論相結合的目的，從而提高學生的計算機硬件知識水平。

一、硬件電路課程現(xiàn)狀

計算機硬件課程設計，是計算機科學與技術專業(yè)的一門專業(yè)必修課，也是一門培養(yǎng)學生硬件思維和數(shù)字邏輯能力的重要課程。本門課程作為專業(yè)必修課，其前修課程有《計算機電路基礎》、《計算機組成原理》、《微型機接口技術》等，而這幾門課程都或多或少地存在著重理論輕實踐的基本問題，這就導致了學生的硬件基礎相對薄弱，同時對硬件課程的課程興趣度和重視度都不夠。因此，筆者將在計算機硬件電路教學中遇到的問題歸納為以下幾大類：

1.1重理論輕實踐

傳統(tǒng)的計算機硬件課程的教學多是以理論教學為主，重點強調知識點的理解和把握，傳統(tǒng)的教學方式也多是以教師在教室中講授為主。整體課程的設置相對枯燥，教學方法也是一成不變，少有創(chuàng)新。同時，幾門課程的銜接出現(xiàn)重復知識點重復講解的問題，在二進制、組合邏輯等知識領域，每門課程大綱都有所涉及，令學生在重復的學習中失去新鮮感，從而對硬件課程產(chǎn)生相應的抵觸感，學習積極性不高。

1.2理論與實踐不匹配

很多硬件課程在教學大綱設計之初沒有考慮到實踐課程的銜接，因此，實踐課程多是后期根據(jù)需求加入到課程體系中來的。這就導致理論課程側重于傳統(tǒng)的基礎知識領域，而實踐課程又往往和最新的實踐項目相結合，導致了理論課程和實踐課程的不對稱和不對等。學生在上實踐課程時有少許迷茫情緒。

1.3實驗設備陳舊

目前實驗室中的實踐設備，多是以傳統(tǒng)的數(shù)字電路實驗箱、嵌入式開發(fā)板等為主，這些實驗設備配備的實驗項目和內容一成不變，與理論課中的基礎知識一脈相承，都是側重于基礎，而忽視技術的更新?lián)Q代，因此，偶有實驗項目與新進技術脫節(jié)等問題存在。

基于對以上幾點現(xiàn)狀的思考和分析，結合新工科背景下行業(yè)對計算機人才的提出的更多的需求和更高的要求，本課題組對現(xiàn)有硬件課程設計課程進行了教學改革，彌補了教學中存在的問題與出現(xiàn)的短板，以期培養(yǎng)學生應對新的社會需求、勝任新的技術崗位、解決新的技術難題的綜合能力。

二、硬件電路課程教學改革方法

針對上存在的問題，本課題組從計算機科學與技術專業(yè)的硬件課程設計這一門課程入手，對教學大綱、課程體系以及知識點進行了統(tǒng)一的整理歸納，理清各個知識點之間的內在銜接關系，重新梳理教學大綱，改變以往的以理論授課為主，學生被動接受的教學方式，重新找到一種以學生為主體的提高主觀能動性的課堂形式。

課題組首先對傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)方案進行了研討，計算機科學與技術專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，普遍分為公共課、專業(yè)基礎課、專業(yè)課、實踐教學課幾個大的板塊。為了讓學生能夠更好地掌握計算機硬件電路知識，課題組在專業(yè)基礎課和專業(yè)課程中，注重前后課程的銜接，按照人才培養(yǎng)方案的要求，以我院計算機電路基礎、計算機組成原理、微型機接口技術及硬件課程設計等偏硬件課程群為研究對象，相應地調整了計算機硬件課程的教學大綱，在大綱中，著重調整了實踐課程的比例，重新設計了實踐課程的內容，通過理論到實踐的轉換，來鍛煉學生的動腦思維能力。通過讓學生嘗試著自行動手設計電路等方式來提高學生的課堂積極性，提高學生的課堂動手能力，提高學生的課堂參與感。

三、硬件課程設計的教學實踐

在硬件電路的教學中，時常會遇到學生的理論知識已經(jīng)具備一定的基礎，但是輪到實際操作時，卻不知該從何處下手的困境。因此，為了減少學生在實踐環(huán)節(jié)中感覺與理論脫節(jié)的迷茫感，課題組從生活中的實際案例出發(fā)，盡量尋找學生日常會經(jīng)常接觸到的并且相對比較熟悉的情景，從情境中提取相應的數(shù)字邏輯或硬件電路等，作為本課程的教學實踐環(huán)節(jié)，來幫助學生將理論和實際聯(lián)系起來。

本課程以交通燈電路的設計為例，首先明確想要完成本電路需要的數(shù)字邏輯電路的知識點，并將知識點進行整合，在實踐課程開始前，將理論知識點通過授課的方式讓學生做到心中有數(shù)，具體內容見表1。

由表1可見，知識點1、2和4的內容屬于基礎知識范疇，可以將此部分理論知識于計算機電路基礎課程中進行講授，在計算機電路基礎課程的基礎上，完成本課程的實驗設計，可以使課程首尾銜接更加連貫，解決了學生認為學習知識有斷層感，前后知識無法熟練運用的困境。技能點3和5屬于實踐課程部分，對于同學來說相對陌生，可以在本課程的前幾個課時中向同學進行講授，并在實驗室中由同學親身實踐使用，熟練使用度，并將所學技能運用到本次設計中。

3.1 實踐工具介紹

本課程使用Multisim仿真軟件來進行硬件電路的設計。Multisim廣泛適用于板級的模擬電路板和數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入兩種輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。同學們可以利用Multisim仿真軟件交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。由于Multisim仿真軟件可以用于模擬電路和數(shù)字電路兩種電路的開發(fā)和設計工作，因此，該軟件可以普遍適用于硬件類相關課程的實踐教學，包括但不限于計算機電路基礎、計算機組成原理、微型機接口技術等。

3.2 實踐教學實施

本課題組以2018級計算機科學與技術專業(yè)的學生為研究對象，授課班級人數(shù)為每班60人左右。因此，將學生進行分組，每兩人為一組，由學生自行組隊。在課前，老師會將實驗內容以及所用要用到的知識點以課堂講授的方式進行講解，并在前序課程中讓學生熟悉Multisim仿真軟件的使用方法，做到熟練運用。

課程開始時，會由教師將案例引入，并簡單啟發(fā)案例的分析方法及分析過程。引入工作結束后，由學生進行課堂討論，討論內容即為電路的具體設計方法，包括但不限于電路中使用到的數(shù)字邏輯、如何控制時長的選擇、如何完成電路的定時功能等。

在討論環(huán)節(jié)中，如果學生遇到困難或有問題解決不了，教師會及時提供給予幫助。第三階段，由小組內部自行運用Multisim仿真軟件繪制電路圖，在電路圖的繪制過程中，通過一邊設計一邊運行調試的方式，來檢查電路是否能夠達到預期效果，判斷設計電路的正確與否。最后，在實驗指導教師的指導下，按照預先給出的實驗指導書的要求，完成實驗報告，對實踐環(huán)節(jié)進行總結和分析，達到鞏固理論知識并結合實際的目的。

四、結束語

新工科教育背景下，計算機硬件課程的教學枯燥繁瑣等問題尤為突出。在對硬件課程教學進行了調研和探討之后，課題組選擇了硬件課程設計這門課程進行教學改革，突出了實踐環(huán)節(jié)在教學中的作用。培養(yǎng)學生的硬件思維，提高學生的動手能力，是的理論與實踐相結合，提高學生學習硬件課程的積極性，是本次教學改革的終極目的。本論文以硬件電路設計課程中的交通燈電路設計為例，借助Multisim仿真軟件的應用，在教學中引入現(xiàn)實生活中隨處可見的例子，通過仿真來模擬實際生活中的情況，鍛煉了學生的實際分析能力，提高了學生的課堂參與度，激發(fā)了學生的科研興趣，取得了較好的成績。

參? 考? 文? 獻

[1]蘭勇，安毅生， 明洋， 馬榮貴，李穎.工程教育認證背景下計算機硬件課程教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2021（28）：84-87.

[2]張磊，何杰，齊悅，鄭榕.以硬件思維培養(yǎng)為導向的數(shù)字邏輯課程建設.中國冶金教育，2021（2）：46-50.

[3]劉彩虹，林強，滿正行，紀金水.結合工程教育認證的硬件系列課程教學改革.科技與創(chuàng)新，2021（7）：69-70.

[4]陳家禎，吳為民，鄭子華，葉鋒，連桂仁.基于EDA技術的計算機硬件課程實驗融合設計.實驗室科學，2021.2：120-126.

[5]胡必玲，鐘錦，潘潔珠.新工科背景下基于翻轉課堂的傳感網(wǎng)實驗課程教學改革.物聯(lián)網(wǎng)技術，2021（9）：125-127.