基于案例项目任务驱动的计算机硬件课程实践教学
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基于案例项目任务驱动的计算机硬件课程实践教学

2022-05-09 20:04:06 投稿作者: 点击:

摘要:针对传统计算机硬件实践课程多以验证和演示性实验为主,学生综合创新能力无法有效发挥的教学现状,提出一种基于案例项目任务驱动的计算机硬件课程实践教学方法。该方法结合案例教学、项目和任务驱动各自的优点,以“实际案例”、“具体项目和任务”驱动学生建构和内化知识结构体系,提高学生的学习主观能动性和综合创新能力。

关键词:实践教学;案例项目任务驱动;创新能力

为培养高素质创新人才,提高学生创新能力和就业竞争力,各大高校都非常重视实践教学,并将其课时设置大幅提升,在有些高校中甚至已经超过了理论教学课时量,同时学校在科研和设备投入方面也给予了大量倾斜。但受传统教学理念的影响,实践课程的设置过分依赖理论教学,实验内容仍以验证性和演示性实验为主,教师在实践教学过程中处于中心地位,学生被动地跟随教师的思路进行实验方法和技能的学习。因此,学生的主观能动性和创新能力难以有效发挥。

计算机硬件课程是计算机专业的重要分支,是软件课程学习的基础,对学生实际动手能力与创新能力的培养起着举足轻重的作用。鉴于计算机硬件课程本身的复杂性,学生在硬件实践课程的学习中存在着畏难情绪,同时硬件实践教学改革滞后,教学方法陈旧,实践课程与快速的计算机信息技术发展严重脱节,学生对计算机硬件实践课程学习的主观能动性不够,学习效果不佳,为此笔者探讨案例项目任务驱动教学法在计算机硬件实践教学中的应用,引导学生重视硬件课程,以提高学生学习兴趣,切实地提高学生实际动手能力、创新意识和就业核心竞争力。

1、基于案例项目任务驱动的教学方法

案例教学法基于启发式教学理念,寓教学内容和知识点于具体案例,结合典型案例的剖析,引导学生主动解决案例所遇到的问题,培养学生分析和解决问题的能力,发挥学生的学习主观能动性。项目教学法则是依托实际项目,融教学知识点于具体项目,学生在完成项目的过程中,学习教学大纲中设置的知识点,由于项目完成需要小组人员的通力合作,利于增强学生的团队意识,提高其自主创新能力。而任务驱动教学法是以学生作为学习主体,结合自己分担任务模块的完成,建构知识体系,极大地发挥了学生的学习主观能动性。上述3种教学方法已在当前教学实践中获得了良好的教学效果,但多以单一课程作为研究对象,教学方案设计过分依赖所选案例、项目和任务,且教学内容与设计案例、项目和任务严重脱节,影响了教学方法的效果。同时3种教学方法在培养学生创新能力和发挥学生主观能动性等方面各有侧重,为此,笔者以计算机硬件课程系统为研究对象,融3种教学方法于一体,以学生喜闻乐见的“案例”为“引导”,以“实际项目”为“主线”,寓课程知识点于项目实施的每个任务模块,“驱动”学生在完成任务的同时,建构理论体系。

2、基于案例项目任务驱动的计算机硬件实践课程的实施

2.1 计算机硬件课程实践教学内容的优化设置

计算机专业硬件课程主要有“模拟电路”、“数字电路”、“计算机组成原理”、“微型计算机原理”、“单片机原理及应用”以及“嵌入式系统”等。由于课程之间在内容上存在交叉部分,我们需要深入分析和研究计算机硬件课程的教学任务,按照硬件课程体系培养能力结构的要求,优化整合硬件课程实践教学的内容,将其分为电子技能训练教学内容、计算机系统训练教学内容、单片机与嵌入式系统教学内容3个部分,而每个部分又可分为验证性、综合性和创新性3个层次。

电子技能训练教学内容是计算机硬件课程实践教学的基础,主要以验证性和综合性试验为主,通过验证性试验巩固深化教学内容。综合性试验则是以学生熟知的案例(如设计系统电源、放大电路以及信号采集调理电路等)驱动学生综合解决系统级任务课题,提高学生综合解决问题的能力。实践教学平台包括基于Proteus仿真试验平台和自主性创新试验平台2种类型,其中基于Proteus仿真试验平台用于模拟电子电路运行机理,验证和巩固课堂教学知识点;而自主性创新试验平台是在教师引导下,学生自主搭建电子线路,从而加深其对课堂知识点的理解,提高其动手能力,激发学生的科研探究兴趣。

计算机系统训练教学内容多以综合性和创新性实验为主,主要设计内容包含处理器设计和计算机控制系统设计等方面,采用基于EDA试验平台和自主性创新试验平台2种类型。其中基于EDA试验平台的实验主要用于训练学生自主设计CPU的能力,强化其计算机底层理论体系,以便使学生建立整机的概念,优化软件编程效率。创新性试验平台则是基于实际的计算机控制系统,由学生自主地完成某一控制系统的设计,深化学生理解计算机专业硬件课程的重要性,激发学生对计算机硬件专业课程学习兴趣。

单片机与嵌入式系统教学内容主要以自主性创新试验为主,主要是对计算机硬件课程知识体系的综合检测。其试验平台多以教师实际承担的科研项目和电子设计大赛题目为主,项目具有较强的时效性和复杂性特点,易于提高学生参与课题的主观能动性,可作为计算机硬件实践课程的项目资源。学生在教师的任务分配下,独立完成自己所承担的任务,在任务完成过程中建构自己的知识体系。

2.2 项目资源的优化选择

计算机硬件课程实践教学项目资源的选择应以培养学生的创新能力为首要目的。所选项目应尽量涵盖教学大纲要求内容,同时项目还需具备一定的难度和时效性。为此,我们必须深入分析计算机硬件实践教学内容,获取相关知识点,并将其融于项目实施过程,使学生在解决项目实施过程中所遇到的问题时,掌握和深化课程知识点。

项目资源优化选择的原则有3个:①鉴于计算机硬件课程实践教学内容由电子技能训练内容、计算机系统训练教学内容和单片机与嵌入式系统教学内容3部分组成,项目资源需融合上述3种教学内容所涉及知识点,并充分涵盖相关教学内容;②项目资源内容需紧跟信息技术的发展方向,应有较强的时效性,易于激发学生学习的积极性;③项目在实施过程中所遇到的问题难度应适中,最后实验结果要明显,易于激发学生强烈的成就感。

我们以单片机与嵌入式系统教学内容为例说明项目资源优化选择原则。项目资源选择“基于单片机的智能车控制系统的设计”,包括软、硬件2部分,其中硬件部分包括了电源部分、硬件滤波部分、信号采集调理放大部分、数模转换部分、控制电路部分等电子电路部分,基本涵盖了模拟电路和数字电路的基本教学知识点;软件部分涵盖了定时器控制、中断应用、键盘使用、AD转换等,基本涵盖了微机原理和单片机原理的相关知识内容,且相关知识点均为硬件课程教学内容的基本知识点,难度适中。通过项目的实施,智能车可实现快速避障运行,易于激发学生的学习兴趣。智能车快速避障功能是智能机器人研究领域的热点,具有强烈的时代背景。此项目的开发经历,对于学生就业以及进一步深造都具有较强的指导意义。

2.3 实践案例的合理剖析

项目分解要注意与实践教学内容相结合,分解后的案例模块在功能上要保持一定的完整性,且各模块之间具有一定的渐进性、扩展性,这样可逐步引发学生的学习兴趣,避免产生畏惧和抵触情绪。我们需要针对每一个案例模块,进行有效地评价和优化,分析每个案例模块所运用的知识点、用到或可能替代的相关算法以及相关联的案例模块等,并实现和演示。

我们以“基于单片机的智能车控制系统的设计”为例,说明实践案例剖析过程。“基于单片机的智能车控制系统的设计”可分解成:智能车系统的电源模块、智能车系统信号调理模块、智能车系统显示模块、智能车系统速度控制模块、智能车系统循迹模块和智能车红外避障控制模块等典型案例。上述案例直接由实际智能车系统分解而成,功能上具有完整性,难度逐步加大,具有一定渐进性,且各案例均涉及计算机硬件课程相关知识点,譬如智能车红外避障控制模块包括硬件电子电路和软件设计部分,硬件电子电路设计部分还有模拟电子的信号推挽放大电路、12C总线扩展、中断硬件电路设计等,软件设计部分包括数字滤波设计信号、定时器设定控制周期、中断避障判定等。这样,一个案例就涉及了计算机专业硬件课程的相关知识点,便于学生在项目实施过程中,强化理论知识的学习,激发学习兴趣。

2.4 具体任务分配

案例剖析完毕后,我们必须指导学生将所选项目分解成相应的任务,使其与案例密切相关,并通过“模仿”、利用教学资源等学习方式完成任务,同时引导学生按照课堂上的案例步步深入,每完成一个任务,就将该任务“组装”进来,最终“组装”成一个完整的项目应用程序。结合“基于单片机的智能车控制系统的设计”剖析完成的案例,以任务的形式下达给各试验小组,分别用相关案例给各实验小组分配相关任务,因此会有智能车电源模块实验小组、智能车系统信号调理实验小组、智能车系统显示实验小组、智能车系统速度控制实验小组、智能车系统循迹控制实验小组以及智能车红外避障控制实验小组。各小组人员的具体任务进一步被分解,使得每一个学生都承担一定的具体任务。每位学生的责任明确,自己任务的完成都是项目完成必不可少的部分,使每位学生充分意识到团队合作的重要性,提高学生学习的主观能动性和创新能力。

2.5 客观评价体系的优化设置

具体任务下达以后,学生便进入动手操作环节,充分地发挥了学生的主体能动作用。为有效防止学生任务完成过程中出现困惑和畏难情绪,教师需要做好正确的引导,但必须时刻坚持“学生为主导”的教学理念,仅需在解决途径和思路上给予指导。学生在具体任务完成过程中建构自己的理论体系。项目完成时,每位同学需对自己所完成的任务进行总结和评价,并接受教师和学生的提问,教师做出点评。各实验小组都要对自己所承担的任务进行评价,这不仅对目标达成的结果作出判断,还对小组成员目标达成的情况作出分析评价。学生通过参与自己学习成果的评价,认识到自己的智力潜能,利于激发学生的科研热情。教师依据各小组评价、任务完成过程、设计方案、调试过程、实验报告等部分,按一定的比例计算出学生最终的考评成绩。

3、结语

计算机硬件实践课程引入了“案例项目任务驱动”的教学理念。笔者系统研究了计算机硬件课程的教学内容,根据课程设置层次将计算机硬件实践课程设置为电子技能训练教学内容、计算机系统训练教学内容、单片机与嵌入系统教学内容3部分,并结合“基于单片机的智能车控制系统的设计”进行项目选择、案例剖析和任务分配,给出了基于案例项目任务驱动实践教学过程的项目选择、具体案例剖析、任务分配以及评价体系的原则和设计理念。该教学方法具有寓教学知识点于具体项目实施中,学生任务明确,案例背景明确,具有较强的时效性以及优化的评价体系等优点,极大地调动了学生学习的积极性,提高了学生综合知识的运用能力和创新能力,提升了学生就业的核心竞争力。

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