摘 要:“缺芯”是我国现阶段的“卡脖子”问题，培养动手能力强的计算机硬件人才是解决此问题的一个必要条件。学生在硬件实验课中，难于结合工程项目和实际应用，学习主动性不够高。通过多样化的课前预习、知识化的思政案例、有针对性的课堂指导和完善的指导制度，能有效地提高学生的学习兴趣，使实验课和理论课相互促进，使硬件课程难学的问题得到解决。
关键词: 计算机硬件; 实验教学; 产学融合
1 绪论
计算机硬件课程不仅是计算机专业的主干课程，在电子、自动控制和通信等专业中也起着举足轻重的作用，和如今非常热门的新专业物联网、大数据、人工智能等也息息相关。各高校开设的计算机硬件课程一般有《计算机组成原理》《单片机开发技术》《微机原理》《接口技术》和《ARM 原理与应用》等。这些课程中需要记忆的知识点零碎且很多，部分学生学起来相对困难。由于各届学生之间的相互影响，而导致学生对硬件课程有种先入为主的“怕”。这样，理论教学的不够深入，导致学生对实验课程也没有足够的重视。这种方式培养的学生，毕业后很难从事硬件相关技术开发。近几年，西方一些国家想通过高端芯片的出口限制我国相关产业的发展［1］。因此，大力发展集成电路产业和计算机硬件的研发刻不容缓，努力培养高校学生的计算机硬件知识，使其能更快更好地适应社会职位需求迫在眉睫。实验课程不仅是理论课程的延续，也是其内容的补充和提升。如果因为学生理论课程学习不够深入而淡化实验课程，实验课程内容简单而无趣，则学生更不会主动学习该课程。如果学生理论课程学习较好，而实验课程不够丰富或过于枯燥，则可能会对理论课的学习起负面影响。反之，如果能合理布置实验课程，则能使实验课程与理论课程相互促进，使学生因兴趣而主动学习，使理论与实践共同提高。本文主要从课前操作、思政案例引入、实验指导过程及课程制度激励等方面进行分析，通过对实验课的精心设计与布置，能很好地提高学生学习计算机硬件课程的兴趣，使学生积极主动地投入计算机硬件相关方向的学习与研发当中来。
2 计算机硬件实验课程教学设计与优化
现在，不少高校的硬件实验课都采用教学实验箱，实验箱一般都是从教学设备商处购买，教学设备商同时提供了实验软件和实验题目等丰富的资源。所以，各课程教师只需根据自己的需要，从提供的实验题目中选择若干实验供学生课堂练习即可。这种实验课程模式存在很多弊端，主要表现在: ( 1) 学生仅能按步骤完成实验内容，并不能真正明白实验的操作背景和实际应用场景等。( 2) 实验内容和理论课程及实际工程项目脱节，学生不能通过实验课程深化理论知识的学习，也不知道所做所学在将来的工作中会有什么用处。( 3) 各硬件实验课程孤立，学生不能明白这些课程之间有什么联系，认为学习这些课程枯燥而无用，所以部分学生很难有高昂的学习兴趣和激情。针对这些问题，本文对硬件实验课程进行了优化与设计。
2．1 课前操作
对大学生进一步地宽进严出是教育政策的必然。高校学生不是能轻松毕业就认为母校很好，也不会因为能轻松及格就认为自己的老师教得好。如果教师教学内容丰富而有趣，学生能从中学到知识、受到启发，学生学完课程后有一种充实感，仍有一种学而未尽的追求欲望，那么无论这位老师的课程任务有多重，学生一般还都是乐于接受的。《计算机组成原理》和《微机原理》课程相对抽象。一般单独从实验步骤上看，实验内容即不容易联系教材，也不容易联系工程项目，学生可能只会按步骤操作。即使能顺利做完实验，学生可能仍不明白所做实验和理论课程及实际应用之间到底有什么联系。教师主要可从以下四个方面解决这个问题。第一，教师对实验设备商提供的实验内容进行改进，使其能结合自己讲解的教材知识。第二，教师针对每个实验，总结出与其相关的学科知识和应用领域，放在该实验的最后作为实验内容延伸，并鼓励学生结合以前所学和生活经历给出该实验相关的知识点和实际应用。第三，引进企业或其他高校的相关实验线上课程，或由教师针对自己的学生录制实验课的线上辅助教学内容。教师针对每个实验布置任务，学生课前进行实验背景、内容及应用领域等知识的线上预习，最好能线上记录学生预习状况。第四，经济条件较好的高校，可建立这些抽象课程的虚拟仿真实验室，由学生在课下规定的时间内通过虚拟仿真的形式完成每个实验的相关内容。《单片机开发技术》《接口技术》和《ARM 原理与应用》课程较容易通过引入工程项目的形式联系实际。但这些课程本身知识点多、联系紧密、应用起来有难度。特别的是，很多项目的完成需要结合多个章节( 甚至多门课程)的知识，这给案例教学和项目驱动教学带来了一定的难度。所以，在这些课程的理论教学中，尽量采用涉及知识面少的项目，或者把一个大的项目拆分成几个小的案例，分开在不同章节中使用。把一些涉及面相对较广的项目案例可以作为实验内容来开展，以便于教师能有更充足的时间和精力指导学生、掌握学生的项目设计能力。为了学生能按时完成实验，对于这三门课程，除了可以采用上段所述的四种课前预习方案外，还可以由学生课下通过 Proteus软件进行实验项目的设计和仿真，通过相应的实验软件Keil、ADS、ARM Real View Developer Suite、IAR EWARM 代码编写和测试等［2］。总之，根据教师精心设计的内容和任务，学生有目的地进行和实验相关的背景、应用、理论及设计和测试知识的预习，既能增添学生学习的兴趣，又能使实验课很好地补充学生理论课时学习的不足。
2．2 思政案例引入
师者，传道授业解惑也。课程思政的引入既能充分激发学生学习的兴趣和动力，也是专业知识的延伸［3］。因实验课程更容易结合前沿知识和实际项目等，所以，相比理论课程，实验课程则更容易插入相关思政内容。实验内容相关的专业发展、专业前沿和实际应用可以很好地作为思政内容插入实验课程中。在硬件实验的各课程中，可根据具体的实验内容插入我国计算机软件和硬件在国际中的状况、互联网和物联网的发展历程与关系、大数据和人工智能的应用与展望等知识。《计算机组成原理》课程偏理论。在该课程存储器相关实验中，可分别插入世界及我国存储器发展历史与现状，插入存储器的主要生产厂家，使学生对存储器的进程和商家进行了解，以利于学生的设计和就业等。在 CPU 各部件相关的实验中，可插入世界主要 CPU 生产商的发展与现状，使学生了解CPU 的发展历史和性能优化等; 也可插入 MCS-51 系列、ARM 系列等 CPU 的简介，为后期课程做好铺垫; 还可进一步插入麒麟芯片架构，使其了解国产状况、存在问题和拟解决方案等。《单片机开发技术》《微机原理》《接口技术》和《ARM 原理与应用》课程工程性相对较强，很容易在实验中结合相应的工程项目作为思政元素。在这些课程的CPU 模块的实验中，可插入不同字长、不同系列的 CPU 的应用领域的区别及它们在工程应用中的优劣。在指令系统相关的实验中，可比较不同机器的汇编语言的差别，比较汇编与 C 等语言的差别，简单介绍华为鸿蒙系统的发展现状与应用展望等。在这些课程的接口实验中，可插入介绍无线耳机、无线外设的实现原理和应用状况，无线充电的基本原理等实验相关的接口介绍。课程知识点相关的人物介绍是学生们最喜欢的思政内容，也是最能灵活插入的思政元素。如: 硬件结构实验讲解时的计算机之父冯•诺依曼( ENIAC) ，课程第一次实验讲解计算机发展历程时的戈登•摩尔( 摩尔定律) 等; 在国内，研制了中国第一台巨型计算机银河 I、中国第一台全数字实时仿真计算机银河仿 I、中国第一台面向科学 /工程计算的并行巨型计算机银河 II 的周兴铭院士，开发了联想式汉字系统和联想系列微机的倪光南院士，以及夏培肃院士、李国杰院士等很多计算机学家。课程专业相关的制度和政策解读，一般是学生们听的最认真的思政元素，有些同学还会自觉的做笔记。可以讲解的专业知识政策举例如下: 第一，当今中美关系下，我国计算机相关行业发展的国家政策。第二，国产 CPU 及其他芯片发展中遇到的困难及可以采纳的解决办法。第三，以类似华为 5G 标准等为例，讲解中国标准体系的发展与现状。第四，可分析类似华为、联想等主要企业的发展历程及其管理策略等。第五，计算机硬件知识在研究生深造和就业中的作用和应用。教师要尽量为每次实验课都准备思政元素，但在实际课程中，没必要每次都进行思政讲解，可根据学生的上课状态、实验任务的多少等灵活安排。插入思政内容不宜时间过长，不能和实验内容本末倒置。教师不能为取悦学生而插入思政内容，要在思政内容讲解后，注意观察学生的学习状态。如果相关的思政讨论影响了实验教学的进行，要根据学生当时的具体环境和反映状况，找出问题所在，给出改进的措施。如果所讲思政内容能产生很积极的影响，使学生的学习兴趣得到了长期提高，学生能在课下进行相关前沿知识等的查阅和讨论等。教师也要给出具体反思，对思政内容的实施进一步进行优化。最终，通过思政内容的插入能使学生学习更积极主动; 能使学生对实验的操作背景和实际应用场景更清楚; 也能使学生连点成线、很好地把相关课程融合在一起，再加上对相关政策的解读，就可以大大提高学生的就业和深造能力了。
2．3 实验指导过程
不同的实验内容，指导过程是不一样的。所以指导过程最为灵活多变，一般需注意以下几点。第一，认真做好每次指导，更要做好前几次实验的指导。前几次实验内容没必要太难，教师在不断地查看过程中，要尽量保证每组同学都能完成。要通过前几次实验使学生树立起能学好该课程，能做好实验的信心。要能通过前几次实验有效地激发学生学习的动力。第二，简单明了地讲解实验背景、实验内容、实验步骤和要达到的结果，留足够的时间供学生自己动手实验。教师在实验过程中仅起指导和总结作用就够了，要让学生自己动手实验、自己查资料解决问题。对于学生不能解决的问题，教师可在查看过程中不间断地进行提示，直到学生自己能得出结果。对于完成较早的学生，可以稍微改变实验条件，让学生进一步操作。第三，每个实验留 5～ 10 分钟供学生总结讨论。教师给出讨论的主题，并做最后总结。每个实验的完成都不代表实验的结束，更不代表学生能理解整个实验。所以，有必要在每个实验的最后留些时间，供教师和学生进行讨论，最终通过讨论进一步使实验和理论知识及工程项目等相衔接。
2．4 课程制度与激励
无规矩不成方圆，学校和学院有发展规划，每个专业和课程也要有自己的详细的规划和制度。对教师的教学和学生的学习都要形成一定的约束和激励，久而久之，就成为一种自觉性。各专业理论课程和实验课程最大的问题就是课程知识点不能协调统一，学生学习到的是孤立的课程知识，不能很好地明白这些课程之间到底有什么联系，不能立即从事相关的项目设计与开发，从而可能会认为学习这些课程枯燥而无用。所以，应由学院统一组织，各专业内课程之间的教学内容和实验内容形成统一规划，使各课程教学内容相互衔接而有序，有利于学生的学习和设计。为了提高学生对专业前沿和背景知识的了解，为了提高学生的项目设计能力，甚至可以统一规划各理论课程和实验课程的思政元素内容和插入方式等。硬件实验对设备依赖性比较强，应建立相应制度对硬件实验室进行开放式管理。教师可根据教学实验进度，单独留相应的选修实验供学生课下操作，也可针对某些项目或全国性学科比赛留些设计题目供学生训练。设置 DIY实验室，留下一些题目和书籍，提供助教岗位，在学生中实行以老带新。课下实验不必计入各种成绩考核，只为培养学生的项目设计能力和学习兴趣。设置激励制度，鼓励学生实验操作和参与学科竞赛等的积极性。为鼓励学生更积极地做好实验，可设置一些奖惩措施，如每次实验课第一组完成实验的可给予平时成绩加分等。通过开放实验室、DIY 实验室等提高学生的动手能力和设计能力，进而提高学生参与各种大赛的积极性。可设置奖励措施，对参加全国性学科竞赛的学生和指导教师根据成绩分别给予形式不同的奖励。
3 总结
因计算机硬件课程存在知识点零碎，需要记忆内容多，所以学习难度相对较大。因芯片等产品种类很丰富，从事硬件项目设计时所使用芯片可能并不是所学习芯片，需要学生自学能力强。再加上各种硬件产品更新换代很快，所以，大多数高校计算机专业的学生都存在欺软( 软件) 怕硬( 硬件) 的状况。通过实验内容的合理选择、实验报告中知识前沿和工程应用的延伸、线上实验课程的提供和优化、虚拟仿真和各种软件的使用，能使学生通过预习提高学习的兴趣和学习的能力，能使学生更好地掌握工程背景与设计方法。通过专业历史发展与前沿和实际应用的穿插、课程知识点相关的人物介绍、课程专业相关的制度和政策解读，能使学生的专业分析能力、就业能力和深造能力因思政元素的引入而大大提高。根据不同的课程内容和学生的听课反映，设置灵活多变的指导过程，能尽全力实事求是、因地制宜地指导好每位学生，树立学生学习的自信心，做好每节实验课程。而合理地激励制度和奖励措施，则既能增添学生学习的动力，也能使学生更合理地规划自己的学习内容、设置自己的学习目标。所以，通过以上措施能较好地解决学生欺软( 软件) 怕硬( 硬件) 的状况，提高学生学习的主动性，增强学生专业知识的综合性。
参考文献:
［1］李拯．强起来离不开自主创“芯”［N］．人民日报，2018-04-19( 005) ．
［2］姚诚伟，吴焕杰．以互联网思维和方法创新计算机硬件实验课管理模式［J］．实验技术与管理，2018，35( 7) :27-30．
［3］龚一鸣．课程思政的知与行［J］． 中国大学教学，2021( 5) : 77-84．
作者：袁泽明 高锐敏 赵贞贞 张墨华 单位：河南财经政法大学计算机与信息工程学院 河南牧业经济学院理学部