創新能力驅動的層次化計算機硬件課程群構建與實施

[摘 要]以核心課程為基石，構建由基礎層、系統層和應用層組成的層次化計算機硬件課程體系，實行帶頭人總負責、課程組組長召集、課程雙人負責、教學科研互動的制度，建立梯隊形式團隊。實踐內容按驗證類、設計類和創新類進行層次化設計，轉化科研成果，及時更新教學內容，實施案例教學，注重學生綜合實踐能力的培養，實施項目驅動的實踐教學，帶領學生參加各項設計類競賽，以賽促學，學以致用。

[關鍵詞]層次化計算機硬件課程體系；開放實驗平臺；項目驅動教學

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2013）04-0040-03

計算機硬件系列課程主要從邏輯和應用兩個方面對計算機硬件的基本原理、應用方法進行教學，其目的是在學生學習硬件方面抽象的理論知識的同時，通過教師演示讓學生親自動手實驗，直觀地驗證計算機硬件的基本原理和工作機制，培養學生在應用技能方面的實踐創新能力。因此，計算機硬件系列課程作為計算機專業課程體系中“不得不學”的基礎課程，應用范圍廣且與實際工程聯系緊密，在高校計算機及其相關專業課程教學中占據非常重要的位置，改革和加強計算機硬件課程群的建設越來越重要和必要。

一、現狀和存在的問題

第一，思想上“重軟輕硬”[1]。不少學生甚至教師認為，計算機硬件課程只是了解和驗證計算機硬件的工作原理，對學習軟件知識和做軟件開發沒有幫助，或者認為硬件實驗完成的多少無礙大局，因此在硬件理論和實驗課程學習上缺乏主動性。

第二，計算機硬件課程體系缺乏系統性和科學性的規劃[2]。由于計算機硬件課程包含了眾多的基礎知識、基本思想、基本方法，課程之間不僅存在前后銜接的層次關系，而且存在著相互滲透的交叉關系，計算機硬件課程之間和課程知識點之間內容銜接比較緊密。但各門課程的任課教師按照教學大綱獨立授課，過分強調某一門課的完整性和獨立性，忽略了課程之間內容銜接和整體優化，內容重復的現象時有發生。

第三，計算機硬件課程教學內容陳舊。當今計算機硬件技術飛速發展，而硬件理論和實驗教材均稍顯落后，實驗設備老化，實驗內容陳舊，很多新理論新技術沒有融入到課程中。

第四，對實踐教學環節認識不足。計算機硬件實驗，過去僅僅停留在通過基礎類實驗驗證計算機硬件的工作原理這一最低要求上，沒能通過綜合類實驗讓學生完成一些綜合性系統設計，不利于拓展學生視野、完成一些開創性的設計、培養科學探索精神和素養[3-4]。

第五，實驗室的開放程度不高[5]。目前國內多數高校的計算機硬件實驗室為限制性集中管理，學生進行集體實驗，不能滿足學生個人實驗需求，實驗設備共享和利用程度不高。傳統的實驗教學存在時間和空間的限制等問題，這些都嚴重影響了硬件實驗課程教學效果的提高，限制了學生完成硬件實驗的能力，降低了實驗興趣。

第六，缺乏科學的實驗、實訓成績評價方法[6-7]。計算機硬件實驗、實訓成績過度依靠教師現場觀察進行打分，導致實驗指導教師工作量繁重，實驗抄襲現象時有發生，缺乏統一評價標準，降低了考核成績的公正和客觀性。

二、優化課程體系結構

第一，課程體系建設目標。課程群應以“培養應用型、創新型人才，注重計算機實踐能力培養”為核心進行建設。按照計算機科學與技術專業培養方案的要求，將課程群中各門課程的授課、討論、實踐、考核、教材等教學環節作為一個整體進行統籌優化，融合各課程的學習內容，形成一個完整的體系，使學生能夠較容易地理解和掌握課程的重點內容，理解課程間的連續性，使所學的知識形成一個完整的體系。

第二，課程體系建設思路。傳統的計算機硬件課程主要任務是講授計算機的工作原理， 以配合計算機軟件課程的教學。而技術的發展需要軟硬結合、軟件硬化， 硬件課程教學的任務不但要學生了解計算機結構、原理，而且要掌握計算機維護技術，能用硬件描述語言進行部件及應用系統的設計。結合軟件知識， 能夠設計計算機應用系統， 尤其是嵌入式系統的應用日益普及， 應用范圍迅速擴大， 要培養學生綜合設計能力。按照培養方案，對課程群內各課程的安排順序、授課內容、授課重點、授課計劃等按照計算機科學與技術專業培養方案的要求和社會對人才的需求進行調整和整合，形成包含基礎層、系統層和應用層的層次化課程體系（如圖1）。

第三，課程教學內容整合。

修訂教學大綱，協調各門課程的內容，避免同一內容在多門課程中重復講授；適當引入新概念、新技術；注重課程之間的內容側重和無縫銜接（如表1）。

在基礎層， 以“數字邏輯”課程為核心，主要包括“數字邏輯”和“模擬電子技術” 課程，講授模擬電路和數字電路分析與設計，讓學生掌握電路的基本知識和現代設計方法， 能夠設計一般的數字邏輯部件及簡單的數字系統。

在系統層，以“計算機組成原理”課程為核心，主要包括“計算機組成原理”、“硬件描述語言”、“計算機體系結構”和“微機原理與接口技術”，讓學生掌握現代計算機組成結構、工作原理、實現方式和設計方法，能夠再現和設計簡單指令系統、CPU和完整的計算機硬件系統。

在應用層，以“嵌入式系統”課程為核心，由前兩層主要課程的課程設計及專業選修課、綜合課程設計組成， 主要包括“數字信號處理器”、“人機交互技術”、“計算機組裝與維護”、“嵌入式系統”和“單片機原理及應用”，讓學生掌握計算機應用系統（包括硬件電路、應用軟件）設計方法，能夠設計實際的嵌入式應用系統。

三、建設特色教學團隊

課程建設的首要任務就是做好師資培養與教學隊伍的建設。整個課程群實行帶頭人總負責、課程組組長召集、課程雙人負責、教學科研互動的制度，有利于知識的系統性和交融性。根據層次化課程群的建設思路，我們形成了以課程群為核心的教學團隊。該教學團隊在職稱、規模、學歷、年齡、教學經歷、科研能力等方面自然形成梯隊形式，通過成員之間的協作與交流，開展教學研究與教學改革，從而提高教師的整體素質和教學水平。

基于課程群的教學團隊的建立，教研活動的開展帶動了青年教師教學水平的快速提高，目前已形成一支職稱（高級職稱占50%）、學歷（博士占17%，碩士占50%）、年齡結構（45歲以下教師占83%）合理的具有較高水平和極具特色的教學團隊。

在團隊內部，通過相互聽課、交流教學經驗、統一制定教學計劃等方式對課程的教學過程進行規范，傳、幫、帶作用得到了充分體現；同時，加強對任課教師尤其是青年教師的培養和培訓，提高青年教師的業務素質，促進青年教師的快速成長。

四、強化實踐教學環節

對于計算機科學與技術專業的學生，僅僅提高學生的理論水平是不夠的，還需注重培養學生的動手能力，加強學生的實踐能力鍛煉，這是計算機硬件課程群建設中的一個非常關鍵的環節。只有將實踐和理論緊密結合，互為補充，才能使學生盡快掌握基礎知識，并能夠利用所學知識分析解決實際問題。

第一，對課程群中的實驗課程教學內容進行改革。實行實驗教學單獨設課，開辟新實驗領域，并構建全新的實驗課程體系，與理論課程的教學進度相配套。通過預習報告、講解演示、上機實驗、分析總結、撰寫實驗報告的方式，注重學生創新、實踐能力的培養。

第二，將實踐教學內容劃分為基礎型實驗和綜合型實驗兩大模塊。各個模塊的側重點不同，學生可以根據接受和掌握知識的實際情況逐步訓練，在綜合型實驗模塊內容的設置上充分考慮課程群的可融合性，滲透計算機學科多課程的相關知識點。

第三，轉化科研成果，更新教學內容。以學生為中心，以滿足社會對人才的需求為目的，鼓勵教師創新意識和能力，追蹤學科前沿的最新突破，研究學科前沿的新技術與新理論，并及時將科研成果組織并不斷轉化為科學的、客觀的觀點及教學內容。通過不斷更新教學內容，把傳授知識、培養能力與提高素質融為一體，因材施教，促進學生個性發展。

第四，實施案例教學，激勵自主學習。采用基于案例教學方式，將課程與教師科研項目中遇到的熱點、難點和重點問題，設計典型的案例情景，分階段實施教學內容，并將課堂講授與參與式、提問式、討論式、啟發式教學方法相糅合開展教學活動。通過以案例演示并互動式教學，調動學生的學習興趣，利用開放實驗平臺教學交流，發揮學生的主動學習的能動性。以“教為主導，學為主題”的授課思路，培養學生自主學習的能力。

第五，基于在線評測系統的實踐教學考核模式。在線評測系統提高了實踐教學的指導效率，準確及時地調整實驗內容和難度，更有效地杜絕或減少互相抄襲和更客觀公正地考核成績，從而調動了學生學習的積極性，提高了學生的動手能力。通過對學生進行差異性實踐教學，改進實踐考核方案等方式，調動了學生的積極性和主動性，達到理論知識和實踐技能兩方面的共同提高。

五、培養科研創新能力

以“產學研三結合”的人才培養為思想[8-9]，鼓勵學生主持和參與科研項目，理論聯系實際，強化項目驅動的實踐教學，把傳授理論知識、培養操作能力與提高綜合素質融為一體，注重對學生的過程式培養。

第一，鼓勵參與項目，提升創新能力。通過定期公布項目指南，由教師發布項目題目和設計研究方案，設計案例，成立學生項目小組，鼓勵學生以開發團隊的形式互幫互助，合作交流，發揮優秀學生的傳幫帶作用，充分調動學生學習的積極性和自主性，使得學生們能共同進步。

第二，主持科研課題，培養科研素質。對學生創新訓練活動常規化，指導優秀學生申報并承擔學校、省廳、教育部創新、創業類實踐課題，指導優秀學生完成優秀本科畢業設計培育項目，在科研實驗室進行“實戰”性的項目開發，培養本科生科研素質。

第三，支持參加競賽，加強攻關能力。近幾年，學生在“數學建?！?、“單片機”、“機器人”、“智能車”、“電子設計”等競賽活動中多次獲獎，客觀上形成“以賽促學”和“學以致用”的學習氛圍。

六、整合優質教學資源

計算機硬件課程體系教學資源建設的總體思路是構建“合理配置，資源共享”的教學資源，結合學科優勢，加強特色教材建設，共享優質教學資源，建設更新實驗平臺。

第一，加強特色教材建設。在明確了計算機硬件課程教學目的和思路的基礎上，開展相關課程的特色教材建設，組織課程自編教材與選用精品教材相結合，編寫成體系的實驗指導書和教材，并且根據學生的反饋信息不斷修訂，使其不斷完善。

第二，共享優質教學資源。整合利用學院設有的教學服務平臺、FTP平臺、畢業論文互選平臺，實現各課程之間資源的共享。在這些平臺上可以提供各門課程的教學大綱、電子教案、多媒體課件、實驗指導、試題庫等教學資源，學生課后可以自主學習和設計。

第三，建設開放實驗平臺。積極爭取學校、贊助企業和個人各方資助，建立和健全計算機硬件實驗室，及時采購更新計算機硬件課程的實驗設備，建立網絡化虛擬實驗室。

七、結束語

綜上所述，在創新能力驅動的層次化計算機硬件課程群構建與實施過程中，完成了如下工作：

第一，通過構建以核心課程為基石的基礎層、系統層、應用層的層次化計算機硬件課程體系，形成基于課程群的特色教學團隊；

第二，融合和整合計算機硬件課程體系中各課程實驗內容，編寫了特色實驗教材；

第三，在教學方式、實驗內容組織及難度安排、考核方案等方面對課程實踐教學環節進行了研究和改革，實施項目驅動的實踐教學；

第四，指導學生主持創新和創業類實踐課題，進行“實戰”性的項目開發，帶領學生參加各項設計類競賽，以賽促學，學以致用，對學生進行科學思維的訓練，養成良好的工作習慣和工作作風；

第五，充分利用各種平臺，開展學科前沿交流，拓展學生視野，鼓勵學生探索學科前沿領域，激發學生的探索意識和創新精神，培養學生的主體意識，提高學生獨立解決現實問題的能力，使之成為適應社會發展需要的實用型人才。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 鮑可進，肖鐵軍，趙念強等.計算機硬件課程與實驗平臺建設[J].計算機教育，2007，（24）：10-11.

[2] 吳衛江，趙建輝，劉博.也談計算機硬件課程群建設[J].計算機教育，2012，（01）：28-31.

[3] 郭繼強，陳曉藝，李長吾.以科研促進教學：創新型人才培養的有效途徑[J].遼寧師范大學學報（社會科學版），2009，32（1）：76-78.

[4] 沙超，黃海平，孫力娟.以創新型科研項目提升本科生綜合技能[J].計算機教育，2011，（23）：34-37.

[5] 王楊，嚴遠亭.基于P2P技術的云計算教育服務平臺設計與實現[J].計算機教育，2010，（16）：153-156.

[責任編輯：左 蕓]