計(jì)算機(jī)硬件類課程教學(xué)中實(shí)踐課的問題研究
硬件類課程是物理硬件電路與數(shù)學(xué)邏輯抽象的有機(jī)結(jié)合，前導(dǎo)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(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀的論文范文，歡迎閱讀借鑒。
1計(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀與困境
目前，計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)普遍存在"輕硬重軟"的現(xiàn)象,忽視計(jì)算機(jī)硬件知識的學(xué)習(xí)和實(shí)踐,導(dǎo)致計(jì)算機(jī)專業(yè)培養(yǎng)越來越"軟化".學(xué)員由于對底層概念的理解和應(yīng)用能力不足，當(dāng)涉及系統(tǒng)級編程或者解決實(shí)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(jì)算機(jī)專業(yè)課程實(shí)踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)，往往被當(dāng)作理論教學(xué)的驗(yàn)證和延伸，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開設(shè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理缺乏開放性和自主性。在這樣的實(shí)驗(yàn)理念指導(dǎo)下，學(xué)員只能被動接受，學(xué)習(xí)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(xué)邏輯抽象的有機(jī)結(jié)合，前導(dǎo)課程與后續(xù)課程的關(guān)聯(lián)較為緊密，與學(xué)習(xí)一種計(jì)算機(jī)語言或算法相比，更貼近實(shí)際項(xiàng)目，對教師和學(xué)員的要求都較為全面，低年級學(xué)員的學(xué)習(xí)思維一時難以轉(zhuǎn)換，影響其學(xué)習(xí)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(shí)踐環(huán)節(jié)缺乏關(guān)聯(lián)性、層次性，沒有系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)的引領(lǐng)，致使學(xué)員的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力不強(qiáng)。部分教師只關(guān)注自己課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，在教學(xué)方法上偏重"橫向"分析，缺乏"縱向"視角。
現(xiàn)在，越來越多的學(xué)校開始重視計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)，尤其是硬件類課程的實(shí)踐教學(xué)。對計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)來說，如果缺乏對學(xué)員工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，那么他們對專業(yè)課程的理解會永遠(yuǎn)停留在書本上，無法解決實(shí)際問題，也無法做到觸類旁通。因此，計(jì)算機(jī)專業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)尤為重要。
2國內(nèi)高校在計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)方面的有益探索
近年來，國內(nèi)各高校在豐富計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)案例和提高學(xué)員參與度方面做出不少努力，取得了一定的成果，值得學(xué)習(xí)和借鑒。
清華大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心將計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)化[1].以硬件實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)化建設(shè)課程體系，培養(yǎng)學(xué)員的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力;注重課程的系統(tǒng)性和完整性，重點(diǎn)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(shí)驗(yàn)，在課程實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)與其他課程的聯(lián)系點(diǎn);建設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)課程，讓學(xué)員完成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，全面檢驗(yàn)學(xué)員掌握知識的系統(tǒng)性。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為豐富實(shí)踐教學(xué)實(shí)施了一系列舉措[2].通過設(shè)立各類創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中心為計(jì)算機(jī)實(shí)踐課程提供硬件支持;針對在實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心工作的指導(dǎo)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(shí)踐內(nèi)容和方式不斷涌現(xiàn)[3].電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照一定的專業(yè)方向進(jìn)行資源整合，建立動態(tài)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫，學(xué)員可自由選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)平臺、實(shí)驗(yàn)工具等;哈爾濱工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院從2009年起建立Android教學(xué)團(tuán)隊(duì)，開始開設(shè)Android課程并廣泛參加各類比賽;合天網(wǎng)安實(shí)驗(yàn)室提出的創(chuàng)新計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)理念，源于MOOC的思想，由課堂教學(xué)的MOOC引申為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的MOOE[4](massiveopenonlineexperiments)，力圖解決實(shí)踐教學(xué)互聯(lián)網(wǎng)化的問題。這些舉措為計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)的發(fā)展注入了新的活力。
3計(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)踐教學(xué)的思考與改進(jìn)
針對我校開設(shè)課程與學(xué)員的.特點(diǎn)，以部分課程為例探討實(shí)踐教學(xué)活動的開展，并提出一些建議及改進(jìn)措施。
3.1實(shí)例化教學(xué)模式的探討
在操作系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)分析課程教學(xué)中，可以嘗試改變傳統(tǒng)的課上講授、課下實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式。以UCORE教學(xué)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(shí)踐教學(xué)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(jìn)行劃分，把操作系統(tǒng)內(nèi)核中的原理及各部分實(shí)現(xiàn)對應(yīng)于UCORE系統(tǒng)中。學(xué)員在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)知識的基礎(chǔ)上，進(jìn)行UCORE實(shí)驗(yàn)。隨著課程的進(jìn)行，學(xué)員逐步閱讀并實(shí)現(xiàn)內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、文件管理等操作系統(tǒng)內(nèi)核的核心代碼，最終實(shí)現(xiàn)并完成一個小型的操作系統(tǒng)。從近三年的實(shí)施情況看，學(xué)員通過接觸實(shí)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置見表1.
UCORE實(shí)驗(yàn)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(dǎo)課程如匯編語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法等課程建立實(shí)際聯(lián)系，使學(xué)員將所學(xué)專業(yè)知識與實(shí)際工程結(jié)合起來，為后續(xù)課程如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
3.2學(xué)員系統(tǒng)觀能力的培養(yǎng)
在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)實(shí)施過程中，需重點(diǎn)強(qiáng)化對學(xué)員系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。該課程實(shí)踐部分的開展不再依托傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱，也不需借助模擬器進(jìn)行基礎(chǔ)驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，而是通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個教學(xué)版的OpenMIPS32位標(biāo)量處理器，加深對體系結(jié)構(gòu)的理解并掌握處理器設(shè)計(jì)的工作過程和實(shí)現(xiàn)原理，以此檢驗(yàn)教學(xué)效果，提升學(xué)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(shè)計(jì)目標(biāo)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(shí)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(shí)驗(yàn)過程，學(xué)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(jì)算機(jī)中的處理過程，真正了解處理器的工作與實(shí)現(xiàn)原理。該課程的實(shí)驗(yàn)應(yīng)該逐漸嘗試更開放性、自主性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用開源軟硬件資源，把學(xué)員從實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)箱這些固定的實(shí)驗(yàn)場所中解放出來，隨時隨地地開展實(shí)踐活動。
3.3基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的組織模式
在計(jì)算機(jī)硬件類課程的教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)是一個重要的環(huán)節(jié)。針對我校學(xué)員動手能力強(qiáng)的特點(diǎn)，我們基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方法廣泛開展實(shí)踐教學(xué)。基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的意義，即通過項(xiàng)目"做中學(xué)"培養(yǎng)學(xué)員的自主學(xué)習(xí)能力、問題求解能力和綜合創(chuàng)新能力，來源于基于問題學(xué)習(xí)的教育理念[5].
在項(xiàng)目的工程實(shí)踐中，鼓勵學(xué)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(xiàng)目實(shí)踐參與課程，讓學(xué)生真正成為教學(xué)活動的主角。
項(xiàng)目學(xué)習(xí)的基本形式是以項(xiàng)目(組)形式完成一項(xiàng)或多項(xiàng)任務(wù)(作品、設(shè)計(jì)、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(wù)的過程及產(chǎn)出物。完成整個項(xiàng)目，要求學(xué)員組成團(tuán)隊(duì)，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(xué)員的集體榮譽(yù)感和團(tuán)隊(duì)合作精神。
項(xiàng)目學(xué)習(xí)需要有一根主線，學(xué)員從大學(xué)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(xiàng)目任務(wù)。在整個過程中，學(xué)員不僅能體會到動手的樂趣，也能感受到知識和經(jīng)驗(yàn)積累的成效。將課程內(nèi)容與一個完整的工程項(xiàng)目結(jié)合起來，要求學(xué)員完成從需求分析、建模、設(shè)計(jì)、模擬、實(shí)現(xiàn)、測試到最終驗(yàn)收等環(huán)節(jié)，是對學(xué)員動手能力最好的培養(yǎng)與鍛煉。該方法實(shí)施的難點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(jī)制
實(shí)踐教學(xué)的考核一直是教學(xué)改革的重點(diǎn)，采用科學(xué)合理的考核方法能夠有效激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)動力，提高學(xué)員參與實(shí)驗(yàn)的興趣，有利于客觀評價學(xué)員的分析能力、動手能力等綜合素質(zhì)，有助于真實(shí)評估實(shí)踐教學(xué)效果。
加強(qiáng)過程管理，打破以往專業(yè)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)統(tǒng)一學(xué)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(xué)目的下，給定驗(yàn)證性課題內(nèi)容，提出綜合性課題選題范圍，把關(guān)自主設(shè)計(jì)課題方向，開放專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，設(shè)置命題、選題、開題、設(shè)計(jì)、答辯和歸檔等過程環(huán)節(jié),突出對學(xué)員創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。
指導(dǎo)教師一方面引導(dǎo)學(xué)員分析在實(shí)驗(yàn)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(xué)員的選題角度、選題難度、過程設(shè)計(jì)、應(yīng)變能力、驗(yàn)收答辯、報(bào)告內(nèi)容等情況，綜合評定實(shí)驗(yàn)課程的成績。學(xué)員可以自定實(shí)驗(yàn)時間、內(nèi)容和進(jìn)度，在完成必做任務(wù)后，根據(jù)自己的專業(yè)特長、興趣愛好、業(yè)務(wù)需求選做實(shí)驗(yàn)，也可以在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)意，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)環(huán)境的支撐效益，并為學(xué)員參加各類競賽提供保障。
4結(jié)語
在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)定上，趣味性的科技活動、與日常生活結(jié)合緊密的項(xiàng)目更能引起學(xué)員的興趣，而系統(tǒng)的工程類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更能激發(fā)學(xué)員的潛能。課程體系的梳理、實(shí)驗(yàn)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(shí)踐教學(xué)能夠給學(xué)員更多的體驗(yàn)，從而更好地激發(fā)其創(chuàng)造力，尤其對于計(jì)算機(jī)硬件類課程，實(shí)踐教學(xué)能夠使學(xué)員在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上發(fā)展多元化的知識體系與應(yīng)用技能[6].無論是課堂教學(xué)還是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在不斷優(yōu)化及豐富教學(xué)活動的道路上，我們還將繼續(xù)前行。
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