探索計算機硬件基礎課程的教改

文章編號：1672-5913(2008)18-0062-02

摘要：傳統(tǒng)的計算機硬件基礎課教學已不適應現(xiàn)代科學技術的發(fā)展和社會對人才的需求，本文結合計算機專業(yè)的特點，從課程內(nèi)容、教學體系、教學方法等方面總結了在硬件基礎課教學改革中所取得的實際經(jīng)驗和體會。

關鍵詞：硬件基礎課；教學改革；整合課程

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

1引言

計算機硬件教學的先修課程是“電路分析”、“模擬電子學”和“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”。由于歷史原因，這些課程大多由電子系開設，是以理論研究為目的的課程體系，存在教學內(nèi)容陳舊，課程體系老化，理論論述多，占用學時多，前后銜接不好等問題，給后續(xù)計算機硬件課的理論教學和實踐教學帶來了諸多困難和被動。而計算機專業(yè)與其他專業(yè)相比較，少有的幾個優(yōu)勢之一就是對計算機硬件結構的掌握。因此，結合計算機專業(yè)的具體情況，在教學體系、教學內(nèi)容和教學方法等方面對硬件基礎課程進行必要的改革就顯得尤為重要。

2整合內(nèi)容、精縮課時

1) 現(xiàn)代科學技術的發(fā)展日新月異，計算機技術的發(fā)展更是突飛猛進。在大學本科階段，除了要給學生傳授基礎理論知識外，還要講授新技術、新理論，這就使得各高校不斷壓縮某些傳統(tǒng)基礎課的課時，增設一些新的課程。在這種形式下，硬件基礎課的課程體系和教學內(nèi)容亟待更新。

2) 課程體系的構建是以理論知識為架構，以實際應用為目標，教學內(nèi)容則應緊密結合專業(yè)核心能力對理論知識的要求。綜合時代發(fā)展、專業(yè)結構和課程體系的總體考慮，從98年起我們就根據(jù)計算機專業(yè)的特點，逐漸建立完善了一套硬件基礎課的課程體系。首先，在課程內(nèi)容的組織與建設方面，注重了先修課和后續(xù)課程的關系，做到內(nèi)容上不重復，知識點上不脫節(jié)。其次，教學內(nèi)容力圖反映時代的發(fā)展，技術的進步。通過編寫出版《電路與電子學基礎》、《數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)》兩本教材重新劃分課程內(nèi)容，精縮學時，將原有的64學時的“電路分析”和64學時的“模擬電子學”這兩門課程整合為課內(nèi)48學時、實驗20學時的“電路電子學”課程，重新劃分、補充了“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”（課內(nèi)48學時、實驗20學時、三周課程設計）的教學內(nèi)容。

(1) “電路與電子學”課程。在電路分析部分不再追求研究線性電路的理論體系完整性，刪除了部分傳統(tǒng)教學內(nèi)容，只保留直流分析、交流分析和動態(tài)電路三大部分。在直流分析中，刪掉了“電路分析”教學中關于支路電流法和回路電流法的內(nèi)容，保留電路系統(tǒng)分析法中的被廣泛用于機輔分析的節(jié)點電壓法。在交流分析中，刪除了三相電路內(nèi)容，而對通信中的諧振電路則詳細講解。動態(tài)電路的分析中，只通過一個簡單的RC充電回路讓學生了解時域分析的基本步驟，而將重點放在三要素法和RC無源微積分電路上。在“模擬電子學”部分，去掉了半導體器件導電原理和反饋的方框圖計算法，精簡了阻容耦合放大電路（包括多級放大）、小信號動態(tài)圖解法、差分電路分析等。相應地加強了有源器件MOS管、電流源電路和系統(tǒng)穩(wěn)定性的介紹，課程著重講解集成運放的應用。在講解由運放構成的有源積分電路時，與前面的無源積分電路做比較，這樣有助于學生理解并牢固掌握兩種電路各自的特點。實踐證明，學生在做電子競賽時對這兩種電路的使用都非常恰當。

(2) “數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”課程。教學內(nèi)容刪除了數(shù)字電路中各種觸發(fā)器電路的內(nèi)部結構和傳統(tǒng)設計方法中的設計技巧，精簡了中規(guī)模器件的內(nèi)部邏輯介紹，縮減了卡諾圖和邏輯簡化內(nèi)容。由于計算機專業(yè)的硬件課程“微機原理與接口技術”中將介紹A/D、D/A轉換，故這一部分內(nèi)容就不出現(xiàn)在“數(shù)字邏輯”課程的教學中。將教學重點放在各類觸發(fā)器的邏輯功能觸發(fā)條件、集成電路外部功能、可編程器件和EDA技術上，要求教會學生如何通過查找器件手冊了解器件功能和使用要點。由于計算機硬件中三態(tài)門、OC門的重要性，課程加強了對其邏輯功能及應用的舉例說明。

(3) 改革組課方式。邏輯門電路是傳統(tǒng)“數(shù)字邏輯”教學中最難的一章，由于門電路的原理要涉及到電路、模擬電子學等方面的知識，因此在講述這一部分內(nèi)容時，必須幫助同學復習有關的知識。在改革課程體系時，我們打破傳統(tǒng)的教學體系，將這一部分內(nèi)容放在“電路電子學”課程中，在講述半導體器件后引入邏輯門電路，如MOS管可以具有開關和受控源兩種類型的功能，根據(jù)器件所給偏置條件的不同，在模擬電路中可作為放大器件或在數(shù)字電路中作為開關器件。課堂上的師生互動證明，經(jīng)過這樣的調(diào)整，學生對有關門電路的問題就很容易理解掌握。通過合理地整合教學內(nèi)容，改變了過去把電路模型與實際器件（如受控源和晶體管）、開關與放大作用、模擬與數(shù)字等研究對象截然割裂的組課方式，而是將它們有機地融合，找出共性和個性，講清個性，突破難點，這樣便于以統(tǒng)一的觀點使學生建立完整的概念〔1〕。

3軟硬結合與時共進

1) 當前國內(nèi)計算機專業(yè)的普遍現(xiàn)象是“過軟”，即強調(diào)軟件編程，而學生的硬件動手能力非常薄弱。在計算機科學技術飛速發(fā)展的今天，計算機系統(tǒng)的軟硬件界限開始變得模糊，且采用軟件方法來設計硬件， FPGA、VHDL、DSP技術帶來了全新設計理念與結構體系，與之相應EDA技術和ISP器件在教學、科研等領域應用越來越廣泛。在這種軟硬件逐漸融合的背景下，計算機學科的硬件基礎課程必須要反映出這種時代的發(fā)展。

2)EDA技術分為三級：以PSPICE、EWB、Multisim等為軟件平臺的仿真分析類輔助設計技術為初級；以MaxPlus II、Quartus II等為軟件平臺，以FPGA/CPLD為硬件系統(tǒng)目標芯片的電子系統(tǒng)設計EDA技術為第二級；以NC Simulator、Virtuso、Diva等為軟件設計開發(fā)平臺、以集成電路芯片版圖設計為目標的ASIC芯片設計為最高級〔2〕。EDA技術的前兩級都與計算機硬件基礎課密切相關，因此在進行課程體系改革時，應結合實踐性教學環(huán)節(jié)，根據(jù)“基礎型、應用型、綜合型、創(chuàng)新型”的循序漸進的實驗課程教學體系，將EDA技術分層次地引入設置在教學中：

(1) 第一級——首先在“電路電子學”教材各章的最后一節(jié)給出PSPICE對本章典型電路的仿真實例，教材最后一章加入可編程模擬器件ispPAC。其次，增加了20學時的Multisim仿真及電路設計實驗。通過仿真實驗，將教學中的難點用直觀的圖形和曲線表述，降低了數(shù)學難度。如通過對模擬放大電路的仿真，可以直接觀察到改變電路參數(shù)所導致的波形失真，學生就很容易理解并掌握靜態(tài)工作點變化對放大電路性能的影響。最后，利用仿真平臺生動直觀方便的特點，讓學生掌握先設計、后仿真、再實際的設計方法和理念，在此基礎上，將以往的一些驗證實驗提升為綜合設計實驗。對每一個實驗都要求虛實結合，虛實互動，通過這種訓練，極大地提高了設計的成功率。計算機專業(yè)的學生取得北京市大學生電子競賽的3個一等獎，更多的二、三等獎證明，整合后“電路電子學”的教學改革取得了成效。

(2) 第二級——傳統(tǒng)的“數(shù)字邏輯”課程體系以邏輯代數(shù)為基礎，采用自底向上（DOWN-TO–TOP）的設計方法，教學內(nèi)容以門電路－中規(guī)模集成電路－大規(guī)模集成電路－數(shù)字系統(tǒng)為順序排列。導致學生在學習前面局部知識的時候，缺乏整體系統(tǒng)概念，只會 “搭積木”拼湊式的設計，當后續(xù)“組成原理”課程要建立整機、系統(tǒng)這些非常重要的概念時，前面所學的一個個分散的知識點不能被融會貫通〔3〕?，F(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設計以硬件編程語言為基礎，采用自頂向下(TOP-TO-DOWN)的設計方法，因此數(shù)字電路的教學體系必須重新構建。第二級的EDA技術包含三方面內(nèi)容：(1)大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?；(2)硬件描述語言；(3)軟件開發(fā)工具。所以在“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”的教學體系上，應以邏輯代數(shù)與VHDL語言并行為基礎，強調(diào)自頂向下的設計理念和層次化設計方法，以系統(tǒng)為對象，用VHDL語言描述，在EDA軟件平臺上，自上而下、逐步細化，最終完成整個系統(tǒng)的設計。依據(jù)整體“自頂向下”，細節(jié)“自底向上”的教學模式，在教學內(nèi)容組織上，先給出數(shù)字系統(tǒng)的整體架構及邏輯系統(tǒng)的三大部件:存儲、處理、控制，讓學生有全局、整體的認識。在講述邏輯系統(tǒng)的每一具體部件時， 仍然遵循“由淺入深，循序漸進”的原則，采用傳統(tǒng)的“自底向上”的教學組織方法。在實踐教學的綜合設計部分中，要求學生必須按照從頂層抽象描述向底層結構描述，最后到可實現(xiàn)的硬件單元描述這一過程進行數(shù)字系統(tǒng)的設計。通過這種教學改革，學生的知識結構趨于合理，滿足對軟硬件結合的人才的需求。

4注重銜接 承前啟后

在計算機硬件基礎課的教學中，首先應注重介紹該門課程的主要內(nèi)容、在計算機專業(yè)中的地位及與相關課程的關系，激發(fā)學生的學習興趣。其次，應注重與后續(xù)課程的銜接。由于當代大學生在入學時就具備了計算機使用的基本知識，因此在授課過程中，要有意識地用計算機硬件電路作為基礎課的授課案例。如“電路電子學”課程中，在集成運放構成的比較器一節(jié)，就可給出比較器在A/D轉換中的應用舉例，再指出A/D、D/A是計算機接口中的重要單元電路，這樣就埋下一條線索，與后續(xù)課程的知識相聯(lián)系。在“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”課程中所給出的案例都要盡可能為后續(xù)課程使用，如從鍵盤等引出編碼的概念和編碼器的作用；在講三態(tài)門時，可進一步給出物理上總線的概念，解釋當譯碼和讀寫信號設計錯誤時，CPU訪問存儲單元數(shù)據(jù)總線嚴重沖突會造成死機的原因；在存儲邏輯一章，介紹完寄存器隊列（FIFO）的邏輯結構后，可讓學生設計寄存器堆棧（LIFO）的邏輯電路圖。在該課程的實踐教學中，所給出的設計題目包括總線緩存器、全加器、鍵盤掃描電路、硬件控制器等計算機的基本功能部件。通過這種方法引導學生思考，建立必要的知識關聯(lián)及整體概念，最終達到對計算機硬件系統(tǒng)基本知識融會貫通的目的。實踐證明，這種訓練對于今后的“組成原理”課程和“嵌入式系統(tǒng)”設計都打下了堅實的基礎。

5黑板、多媒體、EDA仿真

高校的教學手段基本都采用多媒體。多媒體圖文并茂、生動有趣，但很容易變成另一種形式的照本宣科或“填鴨式”教育。在教學中要綜合多種教學手段，注意針對不同的教學內(nèi)容去尋求最佳的表述方式：黑板＋粉筆、電子教案、實物投影、動畫課件、虛擬電路。計算機硬件基礎課教學內(nèi)容多，知識點雜，不容易理解。對于較難理解或?qū)W生有爭議不明白的問題，傳統(tǒng)的“粉筆＋黑板”有其獨特的靈活性，既可以表述學生課堂思維的過程，又有利于師生交流互動。在課間讓學生自己擺設實物投影，增強學生的感性知識，課間的學習氣氛仍生氣勃勃。錄像CD和動畫課件則留給學生自己觀看。計算機硬件基礎課程的實踐性強、信息量大、EDA設計技術應用廣泛。在授課時通過EDA仿真將驗證實驗與理論教學相結合，解決理論與實踐的時空分離弊端，通過提問、思考、演示、總結等一系列步驟，循序漸進，調(diào)動學生參與教學的積極性，充分發(fā)揮學生的主動性。值得注意的是，在此過程中，教師一定要掌控好演示進程，既不能影響教學進度，又要協(xié)調(diào)好單位時間教學信息量與學生接受理解能力之間的矛盾。

6結束語

硬件基礎課的教學改革，涉及課程多、學術性和技術性強，是一項系統(tǒng)工程，需要教師付出不懈的努力，不斷學習新技術，及時更新教學內(nèi)容，完善教學方法，才能更好地提高教學質(zhì)量，更好地培養(yǎng)適應社會的發(fā)展人才。

參 考 文 獻

[1] 鄭君里. 試談電工程與信息科學領域基礎課程教學改革[J]. 電氣電子教學學報，2006，28(1).

[2] 賀平. 計算機類專業(yè)課程體系改革與創(chuàng)新[J]. 計算機教育，2007，(4).