“雙一流”建設(shè)中應(yīng)用型地方本科院校計(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)踐教學(xué)體系改革研究

肖 娟，王 嵩，于 芳，謝 慧

（湘南學(xué)院 軟件與通信工程學(xué)院， 湖南 郴州 423000）

0 引 言

“雙一流”建設(shè)是黨中央、國(guó)務(wù)院在中國(guó)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(guó)教育部、財(cái)政部、國(guó)家發(fā)展改革委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于公布世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)高校及建設(shè)學(xué)科名單的通知》，公布了我國(guó)建設(shè)一流大學(xué)和一流學(xué)科的名單[1]。在公布名單之列的高校都是我國(guó)辦學(xué)基礎(chǔ)扎實(shí)、發(fā)展實(shí)力強(qiáng)勁的高校，對(duì)于絕大多數(shù)的地方本科院校而言,沒(méi)有悠久的辦學(xué)歷史，也沒(méi)有充裕的辦學(xué)經(jīng)費(fèi)，如何在“雙一流”建設(shè)的春風(fēng)中找到自身定位和發(fā)展目標(biāo)是地方本科院校發(fā)展的關(guān)鍵。

應(yīng)用型地方本科院校在“雙一流”建設(shè)中，應(yīng)抓住自身的特點(diǎn)，建設(shè)適合自身發(fā)展需求的“一流”應(yīng)用特色學(xué)科。應(yīng)用型地方本科院校的最大特點(diǎn)就是培養(yǎng)能把成熟的技術(shù)和理論應(yīng)用到實(shí)際生成、生活中的技能型人才。作為應(yīng)用型地方本科院校的計(jì)算機(jī)學(xué)科，應(yīng)該抓住其應(yīng)用特色，從應(yīng)用實(shí)踐方面入手加強(qiáng)學(xué)科競(jìng)爭(zhēng)力。

計(jì)算機(jī)硬件類課程是計(jì)算機(jī)學(xué)科各類專業(yè)所必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，而實(shí)踐教學(xué)又是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)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(yīng)用型地方本科院校對(duì)計(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)踐教學(xué)的改革是非常必要的。

1 實(shí)踐教學(xué)體系現(xiàn)狀

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)微處理器技術(shù)、芯片集成技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)等計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其發(fā)展極大程度地降低了計(jì)算機(jī)的應(yīng)用成本，使計(jì)算機(jī)的應(yīng)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(shí)，推動(dòng)社會(huì)迅速地向前發(fā)展。因此，作為計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的高校學(xué)生，必須掌握計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)技術(shù)和硬件工程能力等相關(guān)的計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)技能。

在我國(guó)，計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)課程隨著計(jì)算機(jī)學(xué)科的發(fā)展也在逐漸成熟，由于現(xiàn)在計(jì)算機(jī)學(xué)科下的二級(jí)學(xué)科發(fā)展方向不同，對(duì)于計(jì)算機(jī)相關(guān)硬件課程的選擇也有所側(cè)重。計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)課程在不同的二級(jí)學(xué)科中有著不同的設(shè)置，但目前從計(jì)算機(jī)學(xué)科這個(gè)一級(jí)學(xué)科的全局來(lái)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(xué)、數(shù)字電路、模擬電路、微機(jī)原理、計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)接口、匯編語(yǔ)言、單片機(jī)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(shí)相關(guān)課程，這3門課程中的電路與電子學(xué)和模擬電路在有的偏向軟件和應(yīng)用的二級(jí)學(xué)科已停止開設(shè)。第4～6門課程目前來(lái)說(shuō)一般只開設(shè)計(jì)算機(jī)組成原理。匯編語(yǔ)言這門面向硬件底層的低級(jí)語(yǔ)言課程也只是在部分二級(jí)學(xué)科有開設(shè)，有部分二級(jí)學(xué)科專業(yè)把此課程合并到計(jì)算機(jī)組成原理之中，取名為計(jì)算機(jī)組成原理與匯編。單片機(jī)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)這2門課程是面向計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的應(yīng)用層面，其應(yīng)用技術(shù)價(jià)值相對(duì)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(shí)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(qiáng)，在計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的碩士研究生階段會(huì)繼續(xù)學(xué)習(xí)，因此，許多高校在本科學(xué)習(xí)階段都已不開設(shè)這門課程。

這些計(jì)算機(jī)硬件課程的設(shè)置和實(shí)踐體系結(jié)構(gòu)對(duì)于國(guó)內(nèi)一些底蘊(yùn)深厚、技術(shù)雄厚的高校，如“985”“211”這類高校，都隨著時(shí)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(shí)踐體系的改革都是針對(duì)其自身情況特點(diǎn)和培養(yǎng)目標(biāo)所作出的改革和嘗試，值得其他高校學(xué)習(xí)和借鑒。然而，對(duì)處于轉(zhuǎn)型發(fā)展階段的絕大多數(shù)應(yīng)用型地方本科院校來(lái)說(shuō)，由于技術(shù)上和資金上都相對(duì)薄弱，不能直接照搬“985”“211”這類高校的硬件課程實(shí)踐教學(xué)體系，而應(yīng)該在深入分析自身培養(yǎng)目標(biāo)、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(shí)踐教學(xué)體系。

2 實(shí)踐教學(xué)體系存在的問(wèn)題

1）缺乏適合自身發(fā)展需求的實(shí)踐教學(xué)體系。

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

2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、實(shí)驗(yàn)方式落后、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容老套。

當(dāng)前，大部分地方本科高校計(jì)算機(jī)硬件課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備還在沿用十多年前的實(shí)驗(yàn)箱，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也很少變動(dòng)，這些老套的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容早已跟不上現(xiàn)代硬件相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。

3）實(shí)驗(yàn)課時(shí)不足，影響實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件類專業(yè)課程培養(yǎng)方案的設(shè)置中，理論課時(shí)和實(shí)驗(yàn)課時(shí)的比例通常是3:1或者4:1，這么少的實(shí)驗(yàn)課時(shí)，對(duì)于應(yīng)用型人才實(shí)踐能力的培養(yǎng)是完全不能滿足的。

4）課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)不被重視。

在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件類專業(yè)課程的設(shè)置中，只有少部分應(yīng)用性較強(qiáng)的課程，如嵌入式系統(tǒng)開設(shè)了課程設(shè)計(jì)，但其課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和選題都比較單調(diào)和簡(jiǎn)單，并沒(méi)有與現(xiàn)行的相關(guān)應(yīng)用技術(shù)和熱點(diǎn)技術(shù)相適應(yīng)。

綜上，在“雙一流”建設(shè)中，應(yīng)用型地方本科院校計(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)踐教學(xué)體系的改革迫在眉睫。

3 實(shí)踐教學(xué)體系改革方案

1）實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)。

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

2）增加計(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)踐課時(shí)的比例。

以提高實(shí)踐動(dòng)手能力為目標(biāo)來(lái)培養(yǎng)應(yīng)用型人才，就必須改革陳舊的課時(shí)比例。對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件類的課程應(yīng)該根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件類各課程的不同特點(diǎn)，作出不同的修改和調(diào)整。例如，數(shù)字邏輯和計(jì)算機(jī)組成原理這種理論性較強(qiáng)的課程，其理論課和實(shí)驗(yàn)課的比例可以不變，但除了基本的實(shí)驗(yàn)課時(shí)之外，還應(yīng)該設(shè)置一定的課程設(shè)計(jì)課時(shí)和課外實(shí)踐課時(shí)，以此增加實(shí)踐課時(shí)比例；單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)這種實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，其理論課程和實(shí)踐課程的比例應(yīng)該調(diào)整為1:1或1:2。

3）確定合適的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

在設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，要針對(duì)實(shí)踐應(yīng)用需求來(lái)設(shè)置，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從驗(yàn)證型到設(shè)計(jì)型再到綜合型，對(duì)所有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要進(jìn)行分類設(shè)置。改變以往大部分實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證型為主的現(xiàn)象，增加設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和綜合型實(shí)驗(yàn)的比重，驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)應(yīng)該只占20%的比重，而設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)的比重要增加到80%，以此提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)自主性和設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。

4）改革實(shí)驗(yàn)方式。

在計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)中，把傳統(tǒng)使用實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)方式改為實(shí)驗(yàn)箱、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)開發(fā)板相結(jié)合的多種實(shí)驗(yàn)方式。根據(jù)課程不同、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容的不同，確定不同的實(shí)驗(yàn)方式，多種實(shí)驗(yàn)方式的結(jié)合，有利于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性。例如，數(shù)字邏輯中的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)可以用古老的實(shí)驗(yàn)箱完成，讓學(xué)生觀察不同的輸入得到不同的實(shí)驗(yàn)輸出，通過(guò)燈泡的亮滅真實(shí)感受實(shí)驗(yàn)結(jié)果；數(shù)字邏輯中的設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)就可以讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成設(shè)計(jì)的過(guò)程，這樣學(xué)生可以專注于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的本身。

5）設(shè)置案例式課程設(shè)計(jì)。

認(rèn)真分析計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)課程的特性，對(duì)有應(yīng)用設(shè)計(jì)需求的課程開設(shè)課程設(shè)計(jì)。在課程設(shè)計(jì)的選題中，需要結(jié)合技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)和應(yīng)用前景，選擇典型的真實(shí)案例作為課程設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，提高學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)和開發(fā)硬件的能力。例如，數(shù)字邏輯和計(jì)算機(jī)組成原理課程在需要開設(shè)課程設(shè)計(jì)時(shí)，教師可以給出設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，讓學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成設(shè)計(jì)，而設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選擇則以實(shí)際應(yīng)用為前景。數(shù)字邏輯課程的課程設(shè)計(jì)題目可以擬定一些生活中的實(shí)例，如數(shù)字式溫度計(jì)、電子鐘、報(bào)警器、搶答器的設(shè)計(jì)等，并鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)查閱資料自主完成。

6）開展創(chuàng)新型實(shí)踐項(xiàng)目。

由于課時(shí)總是有限的，因此需要利用學(xué)生的課外時(shí)間，開展課外創(chuàng)新型實(shí)踐項(xiàng)目。在正常課時(shí)之外，可以開放一些硬件相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室或者建立獨(dú)立的硬件創(chuàng)新開放實(shí)驗(yàn)室，給學(xué)生提供學(xué)習(xí)資源和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并且教師給予一定的輔導(dǎo)和高于正常課時(shí)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，主要依靠學(xué)生自主的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)完成。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生利用開發(fā)的項(xiàng)目參加相關(guān)的學(xué)科競(jìng)賽，加快學(xué)生項(xiàng)目設(shè)計(jì)和產(chǎn)品成果轉(zhuǎn)化的進(jìn)度，以此提高學(xué)生的應(yīng)用能力。

7）積極發(fā)展校外實(shí)訓(xùn)基地。

校企合作是應(yīng)用型地方本科院校提高學(xué)生應(yīng)用能力水平的一個(gè)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(huì)需求相適應(yīng)。針對(duì)計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)課程，尋找相關(guān)企業(yè)，了解其所開發(fā)的項(xiàng)目資源，讓學(xué)生在畢業(yè)前期進(jìn)入企業(yè)進(jìn)行實(shí)習(xí)，可以提高學(xué)生的社會(huì)融入能力。

8）改革考核體系，加大實(shí)踐教學(xué)考核力度。

作為一個(gè)完整的實(shí)踐教學(xué)體系改革，其實(shí)踐考核的改革是不可或缺的。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)考核是并入課程考核之內(nèi)的，以理論考核為重，實(shí)踐考核不計(jì)或只占非常小的比重。實(shí)踐考核因?yàn)椴槐恢匾暎鴮?dǎo)致實(shí)踐教學(xué)也不被重視，實(shí)踐能力的培養(yǎng)也無(wú)法正確地衡量，因此，必須加大實(shí)踐考核力度，制定相對(duì)完善的實(shí)踐考核方案，以學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力為主要考核目標(biāo)，以學(xué)生的實(shí)踐作品為考核內(nèi)容，完善計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)踐教學(xué)考核方案。

4 實(shí)踐教學(xué)體系改革需解決的關(guān)鍵問(wèn)題

“雙一流”建設(shè)中，應(yīng)用型地方本科院校計(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)踐教學(xué)體系改革需要解決以下兩個(gè)方面的關(guān)鍵問(wèn)題。

1）課內(nèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目和課外實(shí)踐項(xiàng)目的設(shè)置。

在“雙一流”建設(shè)中，應(yīng)用型地方本科院校計(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)踐教學(xué)體系應(yīng)把實(shí)踐項(xiàng)目分為3個(gè)層次，從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目到課程設(shè)計(jì)再到課外實(shí)踐，這3個(gè)層次構(gòu)成了完整的實(shí)踐項(xiàng)目體系。這3個(gè)層次的項(xiàng)目要從簡(jiǎn)單的單元實(shí)驗(yàn)，到設(shè)計(jì)型的專項(xiàng)實(shí)踐項(xiàng)目，再到綜合型的復(fù)雜實(shí)踐項(xiàng)目，考慮到學(xué)生學(xué)習(xí)是一個(gè)循序漸進(jìn)地規(guī)律，需依次增進(jìn)難度和復(fù)雜度。因此，如何根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，并結(jié)合當(dāng)下相關(guān)硬件技術(shù)，設(shè)置出符合學(xué)生理論知識(shí)、技術(shù)應(yīng)用能力、設(shè)計(jì)開發(fā)能力及應(yīng)用創(chuàng)新能力培養(yǎng)的各類實(shí)踐項(xiàng)目，是實(shí)踐教學(xué)體系改革中需要解決的關(guān)系。

2）實(shí)驗(yàn)箱、Multisim仿真軟件和自主研發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整合應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)箱是計(jì)算機(jī)硬件類課程最古老的實(shí)驗(yàn)方式。Multisim仿真軟件是目前業(yè)界流行的電路設(shè)計(jì)虛擬仿真軟件，Multisim是美國(guó)國(guó)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(jì)仿真軟件之一。Multisim功能較為強(qiáng)大，但并不能完全適合實(shí)踐教學(xué)的需求。因此，根據(jù)實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的需求，結(jié)合理論知識(shí)的講解，筆者自主設(shè)計(jì)和研發(fā)了數(shù)字邏輯和計(jì)算機(jī)組成原理這兩門課程的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并且將計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)做成了開源的網(wǎng)站，可供學(xué)生自主下載使用。這3種不同的實(shí)驗(yàn)方式有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)箱比較簡(jiǎn)單直觀，但實(shí)驗(yàn)受時(shí)間和空間的限制，也會(huì)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)箱本身的原因影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此只適合于簡(jiǎn)單驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的使用。Multisim是專門針對(duì)于底層電路設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)軟件，其提供了較為豐富的虛擬組件，也適合于電子設(shè)計(jì)方面設(shè)計(jì)型和綜合型較強(qiáng)的實(shí)踐項(xiàng)目。自主研發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以書本為基礎(chǔ)，又高于理論知識(shí)，是為某門課程特制的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)組件是專門設(shè)置開發(fā)的，適合于設(shè)計(jì)型和綜合型較強(qiáng)的實(shí)踐項(xiàng)目。在計(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)踐教學(xué)體系改革中，要根據(jù)課程設(shè)置的各類實(shí)踐項(xiàng)目的不同，選擇不同的實(shí)驗(yàn)方式。

5 結(jié) 語(yǔ)

以計(jì)算機(jī)硬件類專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)體系改革為例，探索出適合應(yīng)用型地方本科院校在“雙一流”建設(shè)中的實(shí)踐教學(xué)體系改革方案，此方案為計(jì)算機(jī)硬件類專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)改革指明了方向，在今后的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中還將在各門硬件課程中進(jìn)行具體的實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)置，并在實(shí)驗(yàn)方式確定中形成更為完善的實(shí)踐教學(xué)體系。