計算機硬件類課程教學中實踐課的問題研究
硬件類課程是物理硬件電路與數(shù)學邏輯抽象的有機結(jié)合，前導課程與后續(xù)課程的關(guān)聯(lián)較為緊密，以下是小編搜集整理的一篇探究計算機硬件類課程實踐教學現(xiàn)狀的論文范文，歡迎閱讀借鑒。
1計算機硬件類課程實踐教學現(xiàn)狀與困境
目前，計算機專業(yè)教學普遍存在"輕硬重軟"的現(xiàn)象,忽視計算機硬件知識的學習和實踐,導致計算機專業(yè)培養(yǎng)越來越"軟化".學員由于對底層概念的理解和應用能力不足，當涉及系統(tǒng)級編程或者解決實際問題時往往捉襟見肘。分析其原因，主要受以下幾方面影響：
首先，傳統(tǒng)的計算機專業(yè)課程實踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)，往往被當作理論教學的驗證和延伸，實驗項目的開設、實驗設備的操作、實驗教學的管理缺乏開放性和自主性。在這樣的實驗理念指導下，學員只能被動接受，學習的主動性也受到限制。
其次，硬件類課程是物理硬件電路與數(shù)學邏輯抽象的有機結(jié)合，前導課程與后續(xù)課程的關(guān)聯(lián)較為緊密，與學習一種計算機語言或算法相比，更貼近實際項目，對教師和學員的要求都較為全面，低年級學員的學習思維一時難以轉(zhuǎn)換，影響其學習的積極性。
第三，各門硬件類課程之間缺乏整體性，各門課程的實踐環(huán)節(jié)缺乏關(guān)聯(lián)性、層次性，沒有系統(tǒng)性實驗的引領(lǐng)，致使學員的計算機系統(tǒng)能力不強。部分教師只關(guān)注自己課程的實踐環(huán)節(jié)，在教學方法上偏重"橫向"分析，缺乏"縱向"視角。
現(xiàn)在，越來越多的學校開始重視計算機實踐教學，尤其是硬件類課程的實踐教學。對計算機科學與技術(shù)專業(yè)來說，如果缺乏對學員工程實踐能力的培養(yǎng)，那么他們對專業(yè)課程的理解會永遠停留在書本上，無法解決實際問題，也無法做到觸類旁通。因此，計算機專業(yè)課程的實踐教學尤為重要。
2國內(nèi)高校在計算機實踐教學方面的有益探索
近年來，國內(nèi)各高校在豐富計算機實踐教學案例和提高學員參與度方面做出不少努力，取得了一定的成果，值得學習和借鑒。
清華大學計算機實驗教學中心將計算機實驗教學系統(tǒng)化[1].以硬件實驗為基礎(chǔ)，系統(tǒng)化建設課程體系，培養(yǎng)學員的系統(tǒng)設計能力;注重課程的系統(tǒng)性和完整性，重點關(guān)注與其他課程間的內(nèi)在關(guān)系;整體規(guī)劃各課程實驗，在課程實驗中設計與其他課程的聯(lián)系點;建設綜合實驗課程，讓學員完成計算機系統(tǒng)的綜合設計和實現(xiàn)，全面檢驗學員掌握知識的系統(tǒng)性。
哈爾濱工業(yè)大學計算機科學與技術(shù)實驗教學中心為豐富實踐教學實施了一系列舉措[2].通過設立各類創(chuàng)新實驗中心為計算機實踐課程提供硬件支持;針對在實驗教學示范中心工作的指導教師，在參與評獎和晉升職稱方面引入配套鼓勵制度。
除此之外，越來越多的新實踐內(nèi)容和方式不斷涌現(xiàn)[3].電子科技大學計算機科學與工程學院的虛擬仿真實驗教學中心實驗內(nèi)容按照一定的專業(yè)方向進行資源整合，建立動態(tài)實驗項目庫，學員可自由選擇實驗項目、實驗平臺、實驗工具等;哈爾濱工程大學計算機科學與技術(shù)學院從2009年起建立Android教學團隊，開始開設Android課程并廣泛參加各類比賽;合天網(wǎng)安實驗室提出的創(chuàng)新計算機實踐教學理念，源于MOOC的思想，由課堂教學的MOOC引申為實驗教學的MOOE[4](massiveopenonlineexperiments)，力圖解決實踐教學互聯(lián)網(wǎng)化的問題。這些舉措為計算機實踐教學的發(fā)展注入了新的活力。
3計算機硬件類課程實踐教學的思考與改進
針對我校開設課程與學員的.特點，以部分課程為例探討實踐教學活動的開展，并提出一些建議及改進措施。
3.1實例化教學模式的探討
在操作系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)分析課程教學中，可以嘗試改變傳統(tǒng)的課上講授、課下實驗的教學模式。以UCORE教學操作系統(tǒng)為主線，將操作系統(tǒng)原理與Linux系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析融入實踐教學環(huán)節(jié)。
將UCORE中的功能模塊按照操作系統(tǒng)原理的知識模塊進行劃分，把操作系統(tǒng)內(nèi)核中的原理及各部分實現(xiàn)對應于UCORE系統(tǒng)中。學員在學習操作系統(tǒng)知識的基礎(chǔ)上，進行UCORE實驗。隨著課程的進行，學員逐步閱讀并實現(xiàn)內(nèi)存管理、進程管理、文件管理等操作系統(tǒng)內(nèi)核的核心代碼，最終實現(xiàn)并完成一個小型的操作系統(tǒng)。從近三年的實施情況看，學員通過接觸實際的操作系統(tǒng)源碼，對操作系統(tǒng)原理的理解更加深入，為今后從事系統(tǒng)級的編程奠定了基礎(chǔ)。UCORE實驗內(nèi)容設置見表1.
UCORE實驗的最大作用，除了其內(nèi)容包含了操作系統(tǒng)的基本功能外，還能夠與前導課程如匯編語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法等課程建立實際聯(lián)系，使學員將所學專業(yè)知識與實際工程結(jié)合起來，為后續(xù)課程如計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)的學習打下堅實的基礎(chǔ)。
3.2學員系統(tǒng)觀能力的培養(yǎng)
在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學實施過程中，需重點強化對學員系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。該課程實踐部分的開展不再依托傳統(tǒng)的實驗箱，也不需借助模擬器進行基礎(chǔ)驗證性的實驗，而是通過設計實現(xiàn)一個教學版的OpenMIPS32位標量處理器，加深對體系結(jié)構(gòu)的理解并掌握處理器設計的工作過程和實現(xiàn)原理，以此檢驗教學效果，提升學員的系統(tǒng)觀。該處理器兼容MIPS32Release1指令集架構(gòu)，其好處是可以使用現(xiàn)有的MIPS編譯環(huán)境，如：GCC編譯器等。
OpenMIPS的設計目標如下：(1)五級整數(shù)流水線，分別是取指、譯碼、執(zhí)行、訪存、回寫;(2)哈佛結(jié)構(gòu)，分開的指令、數(shù)據(jù)接口;(3)32個32位整數(shù)寄存器;(4)大端模式;(5)向量化異常處理，支持精確異常處理;(6)支持6個外部中斷;(7)具有32bit數(shù)據(jù)、地址總線寬度;(8)能實現(xiàn)單周期乘法;(9)支持延遲轉(zhuǎn)移;(10)兼容MIPS32指令集架構(gòu)，支持MIPS32指令集中的所有整數(shù)指令;(11)大多數(shù)指令可以在一個時鐘周期內(nèi)完成。
通過上述完整的實驗過程，學員對處理器的理解不再停留在與門、或門等邏輯電路的概念上，而是通過分析單條指令在計算機中的處理過程，真正了解處理器的工作與實現(xiàn)原理。該課程的實驗應該逐漸嘗試更開放性、自主性的實驗設計，利用開源軟硬件資源，把學員從實驗室、實驗箱這些固定的實驗場所中解放出來，隨時隨地地開展實踐活動。
3.3基于項目學習的組織模式
在計算機硬件類課程的教學中，實驗是一個重要的環(huán)節(jié)。針對我校學員動手能力強的特點，我們基于項目學習的方法廣泛開展實踐教學�；陧椖繉W習的意義，即通過項目"做中學"培養(yǎng)學員的自主學習能力、問題求解能力和綜合創(chuàng)新能力，來源于基于問題學習的教育理念[5].
在項目的工程實踐中，鼓勵學員主動發(fā)現(xiàn)問題、自主分析問題并協(xié)作解決問題，通過項目實踐參與課程，讓學生真正成為教學活動的主角。
項目學習的基本形式是以項目(組)形式完成一項或多項任務(作品、設計、工藝、模型、裝置、軟件等)，并以書面或口頭的形式總結(jié)完成任務的過程及產(chǎn)出物。完成整個項目，要求學員組成團隊，通過分工合作共同完成一個自己感興趣的課題，能夠很好地鍛煉學員的集體榮譽感和團隊合作精神。
項目學習需要有一根主線，學員從大學一年級開始直到本科畢業(yè)，在不同階段接觸不同的課程并完成不同難度和層次的項目任務。在整個過程中，學員不僅能體會到動手的樂趣，也能感受到知識和經(jīng)驗積累的成效。將課程內(nèi)容與一個完整的工程項目結(jié)合起來，要求學員完成從需求分析、建模、設計、模擬、實現(xiàn)、測試到最終驗收等環(huán)節(jié)，是對學員動手能力最好的培養(yǎng)與鍛煉。該方法實施的難點在于實驗項目的選取和配套制度的完善。
3.4基于過程管理的考核評估機制
實踐教學的考核一直是教學改革的重點，采用科學合理的考核方法能夠有效激發(fā)學員的學習動力，提高學員參與實驗的興趣，有利于客觀評價學員的分析能力、動手能力等綜合素質(zhì)，有助于真實評估實踐教學效果。
加強過程管理，打破以往專業(yè)課程實踐環(huán)節(jié)統(tǒng)一學時、統(tǒng)一時間、統(tǒng)一內(nèi)容、統(tǒng)一考核的傳統(tǒng)模式。在統(tǒng)一的教學目的下，給定驗證性課題內(nèi)容，提出綜合性課題選題范圍，把關(guān)自主設計課題方向，開放專業(yè)實驗室，設置命題、選題、開題、設計、答辯和歸檔等過程環(huán)節(jié),突出對學員創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。
指導教師一方面引導學員分析在實驗過程中遇到的問題，討論可行的解決方案;另一方面根據(jù)學員的選題角度、選題難度、過程設計、應變能力、驗收答辯、報告內(nèi)容等情況，綜合評定實驗課程的成績。學員可以自定實驗時間、內(nèi)容和進度，在完成必做任務后，根據(jù)自己的專業(yè)特長、興趣愛好、業(yè)務需求選做實驗，也可以在實驗室實現(xiàn)自己的創(chuàng)意，充分發(fā)揮實驗環(huán)境的支撐效益，并為學員參加各類競賽提供保障。
4結(jié)語
在實驗項目的設定上，趣味性的科技活動、與日常生活結(jié)合緊密的項目更能引起學員的興趣，而系統(tǒng)的工程類實驗項目更能激發(fā)學員的潛能。課程體系的梳理、實驗內(nèi)容的整合必須投入大量的精力，同時需要更廣泛的支持。實踐教學能夠給學員更多的體驗，從而更好地激發(fā)其創(chuàng)造力，尤其對于計算機硬件類課程，實踐教學能夠使學員在理論學習的基礎(chǔ)上發(fā)展多元化的知識體系與應用技能[6].無論是課堂教學還是實驗教學，在不斷優(yōu)化及豐富教學活動的道路上，我們還將繼續(xù)前行。
參考文獻：
[1]姚登峰.計算機課程整合無障礙技術(shù)的實踐探索[J].計算機教育，2014(24)：58.
[2]劉宏偉，張宏莉.項目驅(qū)動的計算機專業(yè)實踐教學體系初探[J].計算機教育，2015(9)：33.
[3]劉鵬，傅婷婷.競爭類項目實踐教學方法在計算機類課程中的應用[J].計算機教育，2014(6)：48.
[4]劉歡迎.創(chuàng)新計算機實驗教學，開啟MOOE新時代[J].計算機教育，2015(9)：16.
[5]陳慶章，古輝.PBL理論探討及教師的角色認識[J].計算機教育，2011(9)：32.
[6]MichaelP,KeithT.Understandinglearningandteaching[M].北京：北京大學出版社，2008:39-53.
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