计算机硬件类课程实验改革探索

［摘要］计算机硬件类课程的实践性强、工程应用性强，贯穿整个计算机专业课学习阶段，是训练工程思维与培养工程能力的重要手段。面向OBE，从贴近实际工程环境，设置层次递进的工程性实验项目，多个层次与结点上的实验验收与考核方式等方面进行了实验改革，并结合基于二维码的实验过程监管云平台，探索解决实验环境有效学习、多结点验收、多层次能力培养、OBE持续改进等问题。

［关键词］二维码；OBE；计算机硬件类课程；实验

2013年6月，中国成为《华盛顿协议》签约预备成员国，2015年6月转为正式成员。《华盛顿协议》以成果导向教育（Outcomes⁃BasedEducation，OBE）[1-2]为核心理念，是目前国际化程度最高、最具权威性的本科工程教育国际互认协议。不同于本科教学评估，国际等效、目标定位、能力导向和持续改进是工程教育专业认证的主要特征[3]，它将本科教育从传统的工科教育中解放出来，回归工程教育[4]，以学生的学习和未来的发展为中心，将关注点从“教什么”转变为“学会了什么，学会做什么”。这一指导思想将实践环节摆在重要且突出的位置[5-6]。计算机硬件类课程是计算机类相关专业课程的重要组成部分，其实践性强、工程应用性强。该类课程从大学二年级的专业基础课到硬件类相关的毕业设计（论文），贯穿整个专业课学习阶段，是学生参与工程实践、形成工程思维、获得工程经验的重要手段[7]。致力于服务西部地区经济社会和培养应用型工程人才的普通地方院校，其硬件类课程实验可从以下几个方面进行改革：改善实验环境，与实际工程环境接轨；按实验技能、专业实验能力、工程项目能力、设计创新能力层次递进的方式制定课程目标，设置实验项目；重视实验（实践）过程，改进考核制度。同时，对于学生是否完成得好，是否达到了预期目标，后续如何改进等，着手建设计算机硬件类课程实验过程监管云平台（ExperimentProcessSupervisoryCloudPlatform,EPSCP），以解决上述改革实施中管理与操作碰到的问题，并为课程和实验项目的持续改进提供定量数据支持，以改进当前经验型粗放评价的不足。

一、面向能力培养的计算机硬件类课程实验改革

计算机硬件类课程包括数字逻辑、计算机组成原理、微机原理与应用、嵌入式系统、计算机体系结构、物联网技术以及硬件类课程设计和相关的毕业设计（论文）等，实践性强、工程应用性强，又普遍难懂难学，因此实验环节就成为深入理解工程原理并培养工程能力的主要推手。根据学校生源的实际情况，计算机硬件类课程实验可从以下几个方面开展改革与探索。（一）将实验过程将实验过程、成果作为课程考核的主要内容，强调成果验收。实验分两人一组，验收时对每组每人进行提问，包括设计思路、操作方法、阶段性及最终成果演示、工程原理等，并将验收成绩作为实验成绩主要的评分依据，使考核形式多元化，加强学生对实践能力、动手能力的重视，促进其工程能力的培养。同时，可充分促进实验前的预习准备、问题分析、方案设计；实验中测试和调试方法手段的掌握，问题的发现与解决；验收时对质询问题进行回答、表述、演示，有助于总结、厘清思路，拓展问题的认识深度。（二）实验环境尽量与实际工程接轨实验环境尽量与实际工程接轨，实验项目向实用性靠拢。过去几年的内涵式建设与发展，计算机硬件类课程实验无论是在硬件平台、软件开发环境还是实验教材方面都已经能够跟随工程应用环境。比如嵌入式系统与物联网技术课程的“CortexA9核心芯片+传感模块+无线模块+JDK+Eclipse框架+GNUARM插件+ARM编译器+FS-JTAG仿真器+云服务器”实验平台，能够让学生学会使用较为先进的工具与技术，毕业后经短期培训即可融入实际工作环境。同时考虑计算机产业工具与技术快速变化的态势，建立以工程认证为促进手段，以工程认证周期为节点的软件环境升级更新机制，解决经费、投入有限情况下的实验环境更新问题。在实验项目的设置与设计方面，坚持可用、实用、结合实际情况的原则。通过将复杂项目拆分成简单分析、设计型实验，再组合为综合实验，为课程设计项目购置少量特定开发平台等手段，使学生尽早开始工程项目思维的训练。比如将秒表（数字逻辑）分解为计数器、显示电路设计实验，将RISC模型机（计算机组成原理）分解为运算器、存储器设计实验以及四轴飞控教学系统（嵌入式系统课程与课程设计）的购置等等。（三）重重视复杂综合类实验项目，加强实验的开放性设计。面向OBE，提升学生学业挑战度并做到与国际等效，对普通地方院校来说不可谓不难。但重视考核与验收的复杂综合实验项目能帮助学生转变学习态度，增强实践能力与工程能力。面向全体学生的毕业能力要求，这一类实验项目需要重视开放性设计，允许学生在多个层次上进行。一方面帮助低层次学生理解工程原理与培养基本的应用、分析、设计能力，另一方面满足高层次学生创新能力的发展要求。以计算机组成原理为例，表1给出RISC模型机的层次化设计与能力培养目标，其原型采用Verilog描述的全开放设计，实验难度可从理解实验原理过渡到完全更新设计自己的模型机，保证学生在基本原理与实验技能掌握的基础上有足够的创新、拔高空间。

二、基于EPSCP的实验过程监管

上述措施在实施时仍碰到一些问题：计算机硬件类实验依赖环境与场地，其调试、测试过程通常又比较耗时，多个阶段性结点的逐组逐项验收在当前的人员配比与实验时间内完成有困难；与实际工程接轨的实验平台[8]工具、参数、流程繁杂，成为耗费学生实验时间以及影响核心分析、任务设计的主要障碍；学生完成效果、能力培养达成度评价依据的数据离散孤立，主要采用经验型评价模式，很难形成有效的反馈及改进建议。因此，着手建设基于二维码[9]的计算机硬件类课程实验过程监管云平台EPSCP，利用二维码在手机等智能移动设备上的广泛应用，完成实验签到，实验环境学习支持，实验过程测查，达成度评价支持等。其体系结构与工作流程如图1所示。。（一）签到。由EPSCP签到系统完成，通过维护学生、课程、教师、实验项目、实验开设等信息，生成学生实验项目相关的二维码，用于学生实验签到或开放实验室使用登记。基于二维码的签到系统极大地简化了考勤过程，提高了考勤准确度，解决了冒名签到以及开放实验室实验时间弹性变化下的实验时效统计等问题。（二）学习。与实际工程环境接轨的实验平台工具多、更新快、参数复杂、流程烦琐。以数字逻辑为例，其实验课是学生开始专业实验，培养实验技能与专业实验能力的重要环节。但由于学生初次接触EDA技术、Verilog描述语言、开发板、QuartusII集成开发环境，因此他们掌握如何将开发资源转换为实际的工程项目就需要多一些引导与学习。教材、厂家手册等大而全的说明性文档很难及时有效解决问题，非操作过程中的讲解耗时费力却效果不彰。利用EPSCP学习系统，可特定专题讲解视频供随时查看，更可以依据以往的教学经验，将常见的问题、易出错的问题、需要强调的问题等编写录制成有针对性的简短操作说明文档或视频，到服务器，生成资源二维码。学生登录签到系统后，教师下载保存所有二维码到手机，或形成打印的条码本发给学生。每个二维码都以所描述问题的关键词命名，针对具体问题，学生可根据关键词查询快速定位问题资源，这样能大大减少实验平台学习占用的实验时间，解决开放实验室实验辅导及实验预习阶段的答疑解惑等问题，充分提高实验时效。（三）测查。EPSCP的实验过程测查系统可用于快速在线实验验收与结果记录，解决逐组逐项多层次成果验收的时效性问题，并为达成度评价提供有效数据支持。针对每个可验收项（也称为考核点），EPSCP生成由关键词命名的考核点二维码。学生扫描二维码后输入学号，就能跳转到验收内容页面。系统提出验收问题，学生回答上传提交，完成验收。考核点由课程和实验项目确定，可以是多项实验内容中的一项，也可以是大型综合实验多个层次上的阶段性验收点，如表1的验收考核内容所示。还可依据其能力培养目标划分为基础型、应用型、创新型三种类别，在能力培养与达成度评价中给予不同的权重。所有考核点的验收考核内容汇集成题库，学生每次登录时动态生成验收问题，并设置时效性。实验过程测查系统的信息结构如表2所示。（四）统计。实验过程中采集的数据是实验项目、内容、课程体系、人才培养方案等持续改进的重要依据。统计与分析系统可依据实验出勤情况、自主实验时长等统计学生完成实验的总时长，确定实验内容设置难易程度的合理性；可统计各工具、环境等学习项目的访问次数，确定实验过程中的主要障碍与困难，必要时改进实验手段，或增加单独的实践环节等；可统计每个实验项目各考核点的完成时间、完成率、达标率、时效性等，以进一步分析能力培养是否达标、实验设置是否合理、课程学习是否有效等。

三、结语

本研究面向OBE，对计算机硬件类课程在实验项目设置的复杂综合性、递进能力培养作用、实验环境的实用性、考核方式的过程性等方面进行了改进，收到了良好效果。特别是通过综合实验项目完成完整工程训练，极大地激发了学生的学习热情及其投入工程项目的动力。同时考虑到在达成度评价与持续改进实施中，偏经验、定性、离散化考核成绩数据支撑的不充分性，因而建设了EPSCP监管云平台。计算机硬件类课程实验有比较明显的优点：能极大地减少环境操作讲解学习时间，增多分析、设计、验证时间，使时效性显著提高；实验考核可细化到多个结点，使得强调实验过程的考核成为可能；学习验收结果可统计、可分析，成为课程目标与毕业要求达成度评价的重要数据，也成为课程体系、实验项目持续改进的重要依据。但各个统计数据以什么样的权重参与评价能够成为持续改进的主要依据，需要综合课程目标、毕业要求、实验项目等级、实验考核目标、完成度等等多维信息，如何获得满意的模型还需要多次的尝试与探索。

作者:李润洲 康磊 宋彩利 单位:西安石油大学计算机学院