1 计算机硬件类课程实践教学现状与困境
目前，计算机专业教学普遍存在"轻硬重软"的现象 , 忽视计算机硬件知识的学习和实践 ,导致计算机专业培养越来越"软化".学员由于对底层概念的理解和应用能力不足，当涉及系统级编程或者解决实际问题时往往捉襟见肘。分析其原因，主要受以下几方面影响：
首先，传统的计算机专业课程实践培养环节，往往被当作理论教学的验证和延伸，实验项目的开设、实验设备的操作、实验教学的管理缺乏开放性和自主性。在这样的实验理念指导下，学员只能被动接受，学习的主动性也受到限制。
其次，硬件类课程是物理硬件电路与数学逻辑抽象的有机结合，前导课程与后续课程的关联较为紧密，与学习一种计算机语言或算法相比，更贴近实际项目，对教师和学员的要求都较为全面，低年级学员的学习思维一时难以转换，影响其学习的积极性。
第三，各门硬件类课程之间缺乏整体性，各门课程的实践环节缺乏关联性、层次性，没有系统性实验的引领，致使学员的计算机系统能力不强。部分教师只关注自己课程的实践环节，在教学方法上偏重"横向"分析，缺乏"纵向"视角。
现在，越来越多的学校开始重视计算机实践教学，尤其是硬件类课程的实践教学。对计算机科学与技术专业来说，如果缺乏对学员工程实践能力的培养，那么他们对专业课程的理解会永远停留在书本上，无法解决实际问题，也无法做到触类旁通。因此，计算机专业课程的实践教学尤为重要。
2 国内高校在计算机实践教学方面的有益探索
近年来，国内各高校在丰富计算机实践教学案例和提高学员参与度方面做出不少努力，取得了一定的成果，值得学习和借鉴。
清华大学计算机实验教学中心将计算机实验教学系统化[1].以硬件实验为基础，系统化建设课程体系，培养学员的系统设计能力；注重课程的系统性和完整性，重点关注与其他课程间的内在关系；整体规划各课程实验，在课程实验中设计与其他课程的联系点；建设综合实验课程，让学员完成计算机系统的综合设计和实现，全面检验学员掌握知识的系统性。
哈尔滨工业大学计算机科学与技术实验教学中心为丰富实践教学实施了一系列举措[2].通过设立各类创新实验中心为计算机实践课程提供硬件支持；针对在实验教学示范中心工作的指导教师，在参与评奖和晋升职称方面引入配套鼓励制度。
除此之外，越来越多的新实践内容和方式不断涌现[3].电子科技大学计算机科学与工程学院的虚拟仿真实验教学中心实验内容按照一定的专业方向进行资源整合，建立动态实验项目库，学员可自由选择实验项目、实验平台、实验工具等；哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院从 2009 年起建立 Android 教学团队，开始开设 Android 课程并广泛参加各类比赛；合天网安实验室提出的创新计算机实践教学理念，源于 MOOC 的思想，由课堂教学的 MOOC 引申为实验教学的 MOOE[4]（massive open online experiments），力图解决实践教学互联网化的问题。这些举措为计算机实践教学的发展注入了新的活力。
3 计算机硬件类课程实践教学的思考与改进
针对我校开设课程与学员的特点，以部分课程为例探讨实践教学活动的开展，并提出一些建议及改进措施。
3.1 实例化教学模式的探讨
在操作系统原理与结构分析课程教学中，可以尝试改变传统的课上讲授、课下实验的教学模式。以 UCORE 教学操作系统为主线，将操作系统原理与Linux系统结构分析融入实践教学环节。
将 UCORE 中的功能模块按照操作系统原理的知识模块进行划分，把操作系统内核中的原理及各部分实现对应于 UCORE 系统中。学员在学习操作系统知识的基础上，进行 UCORE 实验。随着课程的进行，学员逐步阅读并实现内存管理、进程管理、文件管理等操作系统内核的核心代码，最终实现并完成一个小型的操作系统。从近三年的实施情况看，学员通过接触实际的操作系统源码，对操作系统原理的理解更加深入，为今后从事系统级的编程奠定了基础。UCORE 实验内容设置见表 1.
UCORE 实验的最大作用，除了其内容包含了操作系统的基本功能外，还能够与前导课程如汇编语言、数据结构、算法等课程建立实际联系，使学员将所学专业知识与实际工程结合起来，为后续课程如计算机系统结构、嵌入式系统的学习打下坚实的基础。
3.2 学员系统观能力的培养
在计算机系统结构教学实施过程中，需重点强化对学员系统能力的培养。该课程实践部分的开展不再依托传统的实验箱，也不需借助模拟器进行基础验证性的实验，而是通过设计实现一个教学版的 OpenMIPS 32 位标量处理器，加深对体系结构的理解并掌握处理器设计的工作过程和实现原理，以此检验教学效果，提升学员的系统观。该处理器兼容MIPS32 Release 1指令集架构，其好处是可以使用现有的 MIPS 编译环境，如：GCC 编译器等。
OpenMIPS 的设计目标如下：（1）五级整数流水线，分别是取指、译码、执行、访存、回写；（2）哈佛结构，分开的指令、数据接口；（3）32 个 32 位整数寄存器；（4）大端模式；（5）向量化异常处理，支持精确异常处理；（6）支持 6 个外部中断；（7）具有 32bit 数据、地址总线宽度；（8）能实现单周期乘法；（9）支持延迟转移；（10）兼 容 MIPS32 指 令 集 架 构， 支 持MIPS32 指令集中的所有整数指令；（11）大多数指令可以在一个时钟周期内完成。
通过上述完整的实验过程，学员对处理器的理解不再停留在与门、或门等逻辑电路的概念上，而是通过分析单条指令在计算机中的处理过程，真正了解处理器的工作与实现原理。该课程的实验应该逐渐尝试更开放性、自主性的实验设计，利用开源软硬件资源，把学员从实验室、实验箱这些固定的实验场所中解放出来，随时随地地开展实践活动。
3.3 基于项目学习的组织模式
在计算机硬件类课程的教学中，实验是一个重要的环节。针对我校学员动手能力强的特点，我们基于项目学习的方法广泛开展实践教学。基于项目学习的意义，即通过项目"做中学"培养学员的自主学习能力、问题求解能力和综合创新能力，来源于基于问题学习的教育理念[5].
在项目的工程实践中，鼓励学员主动发现问题、自主分析问题并协作解决问题，通过项目实践参与课程，让学生真正成为教学活动的主角。
项目学习的基本形式是以项目（组）形式完成一项或多项任务（作品、设计、工艺、模型、装置、软件等），并以书面或口头的形式总结完成任务的过程及产出物。完成整个项目，要求学员组成团队，通过分工合作共同完成一个自己感兴趣的课题，能够很好地锻炼学员的集体荣誉感和团队合作精神。
项目学习需要有一根主线，学员从大学一年级开始直到本科毕业，在不同阶段接触不同的课程并完成不同难度和层次的项目任务。在整个过程中，学员不仅能体会到动手的乐趣，也能感受到知识和经验积累的成效。将课程内容与一个完整的工程项目结合起来，要求学员完成从需求分析、建模、设计、模拟、实现、测试到最终验收等环节，是对学员动手能力最好的培养与锻炼。该方法实施的难点在于实验项目的选取和配套制度的完善。
3.4 基于过程管理的考核评估机制
实践教学的考核一直是教学改革的重点，采用科学合理的考核方法能够有效激发学员的学习动力，提高学员参与实验的兴趣，有利于客观评价学员的分析能力、动手能力等综合素质，有助于真实评估实践教学效果。
加强过程管理，打破以往专业课程实践环节统一学时、统一时间、统一内容、统一考核的传统模式。在统一的教学目的下，给定验证性课题内容，提出综合性课题选题范围，把关自主设计课题方向，开放专业实验室，设置命题、选题、开题、设计、答辩和归档等过程环节 , 突出对学员创新实践能力的培养。
指导教师一方面引导学员分析在实验过程中遇到的问题，讨论可行的解决方案；另一方面根据学员的选题角度、选题难度、过程设计、应变能力、验收答辩、报告内容等情况，综合评定实验课程的成绩。学员可以自定实验时间、内容和进度，在完成必做任务后，根据自己的专业特长、兴趣爱好、业务需求选做实验，也可以在实验室实现自己的创意，充分发挥实验环境的支撑效益，并为学员参加各类竞赛提供保障。
4 结 语
在实验项目的设定上，趣味性的科技活动、与日常生活结合紧密的项目更能引起学员的兴趣，而系统的工程类实验项目更能激发学员的潜能。课程体系的梳理、实验内容的整合必须投入大量的精力，同时需要更广泛的支持。实践教学能够给学员更多的体验，从而更好地激发其创造力，尤其对于计算机硬件类课程，实践教学能够使学员在理论学习的基础上发展多元化的知识体系与应用技能[6].无论是课堂教学还是实验教学，在不断优化及丰富教学活动的道路上，我们还将继续前行。
参考文献：
[1] 姚登峰。 计算机课程整合无障碍技术的实践探索[J]. 计算机教育， 2014（24）： 58.
[2] 刘宏伟， 张宏莉。 项目驱动的计算机专业实践教学体系初探[J]. 计算机教育， 2015（9）： 33.
[3] 刘鹏， 傅婷婷。 竞争类项目实践教学方法在计算机类课程中的应用[J]. 计算机教育， 2014（6）： 48.
[4] 刘欢迎。 创新计算机实验教学， 开启MOOE新时代[J]. 计算机教育， 2015（9）： 16.
[5] 陈庆章， 古辉。 PBL理论探讨及教师的角色认识[J]. 计算机教育， 2011（9）： 32.
[6] Michael P, Keith T.Understanding learning and teaching[M]. 北京： 北京大学出版社， 2008: 39-53.
