計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)中的問題分析與改革

傅 籬

摘要:本文對(duì)普通本科院校計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件類課程教學(xué)中存在的問題進(jìn)行深入分析,針對(duì)如何提高計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)的質(zhì)量、解決硬件課程教學(xué)中所存在的問題,進(jìn)行了積極的探索。

關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)硬件;課程教學(xué);興趣;實(shí)踐

中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的。因此,計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)的教與學(xué)對(duì)于高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的重要性是不言而喻的。但是在目前普通本科院校,計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生中普遍存在著軟件類課程的學(xué)習(xí)的興趣大于硬件類課程的學(xué)習(xí),也就是我們常說的“重軟輕硬”。

在這種現(xiàn)象的下面,必然隱藏著硬件課程教學(xué)中的一些問題,如何準(zhǔn)確的找到這些問題,分析其存在的根源,進(jìn)而在硬件課程教學(xué)中解決這些問題,筆者進(jìn)行了初步的探索和實(shí)踐,同時(shí)在教學(xué)活動(dòng)中取得了不錯(cuò)的效果,得到學(xué)生的好評(píng)。本文針對(duì)計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)過程中存在的問題,進(jìn)行深入分析。

1存在問題及分析

目前,大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)開設(shè)的計(jì)算機(jī)硬件類課程主要有基礎(chǔ)課程中的“數(shù)字電子技術(shù)”、“模擬電子技術(shù)”,專業(yè)課程中的“匯編語言” 、“計(jì)算機(jī)組原理”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”,以及后面的“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”、“嵌入式系統(tǒng)”等課程。

這些課程雖然各有特點(diǎn),各有側(cè)重,但是又有密切的聯(lián)系。在教與學(xué)中也存在一些共同的問題,影響計(jì)算機(jī)硬件類課程教學(xué)的效果和質(zhì)量。通過多年的計(jì)算機(jī)硬件類課程的教學(xué),我覺得問題主要存在于以下幾個(gè)方面。

1.1學(xué)生的問題

硬件類的課程內(nèi)容是和計(jì)算機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)以及工廠生產(chǎn)實(shí)際密切相關(guān)的,從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)上看,計(jì)算機(jī)硬件開發(fā)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最底層的開發(fā)。從電路圖的設(shè)計(jì)到電路板的制作;從實(shí)際集成電路、電子元件的安裝、焊接,到匯編語言監(jiān)控程序的設(shè)計(jì);都需要學(xué)生有較強(qiáng)的實(shí)際動(dòng)手能力和匯編語言程序的設(shè)計(jì)開發(fā)能力。

現(xiàn)在我們高等學(xué)校的學(xué)生大多是從學(xué)校到學(xué)校應(yīng)屆畢業(yè)生,絕大多數(shù)學(xué)生沒有任何社會(huì)生產(chǎn)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。加之目前我們的中學(xué)教育基本上是應(yīng)試教育,學(xué)生的動(dòng)手能力差,對(duì)工廠電子產(chǎn)品的生產(chǎn)過程沒有任何了解,使得學(xué)生根本不適應(yīng)硬件類課程的學(xué)習(xí)。更多的學(xué)生習(xí)慣于做題、解題,根據(jù)公式定理進(jìn)行理論推導(dǎo),這是目前高校理工類學(xué)生普遍存在的問題。

學(xué)生喜歡軟件類課程學(xué)習(xí)、畏懼硬件類課程學(xué)習(xí)的第二個(gè)原因是感到軟件類課程學(xué)習(xí)更有趣。通過計(jì)算機(jī)軟件類課程學(xué)習(xí)后,大多數(shù)學(xué)生往往能實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的應(yīng)用軟件開發(fā),這樣學(xué)生很容易產(chǎn)生成就感,也就有進(jìn)一步學(xué)習(xí)的動(dòng)力。而且,軟件類課程學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)方法和中學(xué)的數(shù)學(xué)和物理的學(xué)習(xí)方法相對(duì)接近,比如算法的學(xué)習(xí),數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)條件要求相對(duì)簡單,只要有一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)就可以學(xué)習(xí)編程,進(jìn)行大部分的軟件類課程實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)。

其實(shí)硬件類的課程學(xué)習(xí)和軟件類課程學(xué)習(xí)相比較,也有它的特點(diǎn)和吸引學(xué)生的地方,關(guān)鍵在于我們?nèi)绾我龑?dǎo)學(xué)生。比如我們平時(shí)生活中的家用電器、汽車、霓虹彩燈、音樂噴泉、有很多的地方都采取了計(jì)算機(jī)控制?？梢赃@么講,只要稍微復(fù)雜一點(diǎn)的電子產(chǎn)品都采用了計(jì)算機(jī)控制,都要涉及計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)。但是這些,我們的學(xué)生往往不能認(rèn)識(shí)和感受到。加上學(xué)生們一般是不可能擁有硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備,學(xué)校的相關(guān)資源也有限。所以,本來看得見、摸得著的十分有趣的硬件設(shè)計(jì),在學(xué)生眼里變成了抽象、空洞的理論上的“說教”。幾門硬件課程學(xué)習(xí)下來,不僅沒有學(xué)到相應(yīng)的硬件知識(shí),反而對(duì)計(jì)算機(jī)硬件產(chǎn)生了畏懼心理。

也就是說,學(xué)生要設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)硬件產(chǎn)品的困難遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)出一個(gè)軟件產(chǎn)品。不管是從學(xué)校的客觀條件,還是學(xué)生對(duì)硬件知識(shí)的掌握。而硬件知識(shí)的真正掌握又必須通過一個(gè)個(gè)硬件類產(chǎn)品設(shè)計(jì)才能較為完整理解。

1.2教師的問題

目前,地方普通高等學(xué)校的一線教師,大多是學(xué)校畢業(yè)的碩士研究生。有些教師有過課題科研的經(jīng)驗(yàn),但大多數(shù)教師缺乏一個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)過程的實(shí)踐,尤其是硬件產(chǎn)品的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。這樣,他們對(duì)計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)的了解,也就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及對(duì)軟件知識(shí)的了解。一些做過課題或者有科研項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的教師由于種種原因很少在本科教學(xué)的第一線,即便在第一線上課,由于也不太會(huì)愿意在本科教學(xué)活動(dòng)中花費(fèi)太多的時(shí)間。

我們前面所說的幾門硬件類課程,分別在不同的學(xué)期進(jìn)行開設(shè)。所以每門課程的教師在教學(xué)中,只會(huì)強(qiáng)調(diào)本課程的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn),而不會(huì)顧及各門課程之間的聯(lián)系。學(xué)生更加只是看到本課程中的內(nèi)容,不太容易看到各課程之間的關(guān)系、以及如何在實(shí)際硬件產(chǎn)品開發(fā)中綜合應(yīng)用這些課程的知識(shí),無法了解一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。

各門課程之間的有機(jī)聯(lián)系不夠,是學(xué)生無法駕馭整個(gè)硬件系統(tǒng)知識(shí)體系的一個(gè)重要原因,導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因和教師的能力不足是密切相關(guān)的。

1.3教材與實(shí)驗(yàn)的問題

計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷飛速發(fā)展,硬件技術(shù)也日新月異,當(dāng)前計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)的教材內(nèi)容老化的現(xiàn)象比較嚴(yán)重,和新技術(shù)結(jié)合的不夠密切。這種現(xiàn)象幾乎存在于所有的計(jì)算機(jī)類教材,尤其以硬件教材更為明顯。比如:《微機(jī)原理與接口技術(shù)》教材內(nèi)容十多年沒有大的變化;大多數(shù)《匯編語言》教材也一直是講8086指令系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。教材中當(dāng)代的最新計(jì)算機(jī)技術(shù)內(nèi)容一般都是用一章簡單介紹。學(xué)生普遍感覺教材知識(shí)陳舊,沒有興奮點(diǎn)。

另外軟件類課程的教材在結(jié)構(gòu)上不斷進(jìn)行探索與改革,許多教材采用“案例教學(xué)法”、“任務(wù)驅(qū)動(dòng)法”來編寫教材。但是硬件類課程的教材編寫方法上基本還是原來教學(xué)結(jié)構(gòu),很少出現(xiàn)新的編寫方法。同時(shí)要設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)硬件類產(chǎn)品,需要涉及幾乎所有的硬件課程內(nèi)容,目前還沒有一本這樣的從總體上把握的教材出現(xiàn),教材缺乏整體性。

計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)中實(shí)驗(yàn)課也難以發(fā)揮應(yīng)有的作用,由于課時(shí)和客觀條件的限制,大多數(shù)硬件類的實(shí)驗(yàn)課程都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)很少。對(duì)于學(xué)生來說,驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虼偈箤W(xué)生對(duì)某個(gè)基本教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握。但驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的確難以讓學(xué)生全面掌握計(jì)算機(jī)硬件知識(shí),更談不上用這些知識(shí)進(jìn)行一個(gè)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。以“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程為例,我們一般的實(shí)驗(yàn)也就是對(duì)某個(gè)芯片做功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),但是如何把這塊芯片根據(jù)需要用于某個(gè)計(jì)算機(jī)硬件產(chǎn)品中卻無法做到,而這點(diǎn)對(duì)學(xué)生來講卻是十分重要的。

2提高硬件教學(xué)質(zhì)量的探索

2.1激發(fā)學(xué)生興趣

學(xué)生學(xué)習(xí)的最好刺激就是對(duì)所學(xué)知識(shí)的興趣。但是怎樣才能使學(xué)生產(chǎn)生主動(dòng)和有意義的學(xué)習(xí),使得學(xué)生“愛學(xué)”、“樂學(xué)”呢?

筆者每次在講“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程第一堂課時(shí),總是帶三樣?xùn)|西:一張計(jì)算機(jī)硬件應(yīng)用產(chǎn)品的電路圖;一塊根據(jù)這張電路圖設(shè)計(jì)的印刷電路板,以及用這塊電路板做好的電子產(chǎn)品實(shí)物。在課堂上告訴學(xué)生,我們通過“數(shù)字電子技術(shù)”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”等硬件課程的學(xué)習(xí),就可以設(shè)計(jì)出一個(gè)電子產(chǎn)品的電路圖,然后按照電路圖我們可以設(shè)計(jì)出印刷電路板,接著把電子元件安裝和焊接好,通過軟件調(diào)試,一個(gè)按照自己設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)硬件產(chǎn)品就完成了。這樣學(xué)生的注意力一下就會(huì)被吸引住,同時(shí)激發(fā)出好奇心。

選這樣的產(chǎn)品原則是要簡單、有趣、可在課堂上演示。比如:“LED燈顯示控制器”:通過不同的按鍵,LED燈的顯示方式不斷變化;“電機(jī)工作方式控制器”:通過不同的工作方式的改變,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向不斷改變?？吹竭@一個(gè)個(gè)實(shí)際的電子產(chǎn)品,學(xué)生的興趣很快就激發(fā)起來。他們覺得復(fù)雜的計(jì)算機(jī)硬件產(chǎn)品其實(shí)離他們并不遠(yuǎn)。一旦他們產(chǎn)生興趣,就會(huì)自覺地參與到課堂教學(xué)中來。這點(diǎn)筆者感受特別深。

2.2整體把握與知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)

在一門課程的學(xué)習(xí)過程中,我們的教學(xué)活動(dòng)都是按照每個(gè)章節(jié)來進(jìn)行的,這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中主要注意力都在每個(gè)章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)上,缺乏對(duì)整個(gè)課程的總體把握。比如“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程,在講授“微處理器”一章時(shí)就介紹微處理器的引腳、內(nèi)部寄存器等,講授“存儲(chǔ)器”一章時(shí)就介紹存儲(chǔ)器的類型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、譯碼方式等……,做實(shí)驗(yàn)時(shí)也是就本章的知識(shí)點(diǎn)來做一個(gè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。這樣學(xué)生就不知道如何把CPU、存儲(chǔ)器、接口芯片,這些一個(gè)個(gè)的部件組成一個(gè)實(shí)際的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng),或者如何根據(jù)實(shí)際開發(fā)需要選用哪種型號(hào)的CPU?選用多大容量的存儲(chǔ)器?采用什么樣的接口接入鍵盤、顯示器的輸入輸出設(shè)備等。

針對(duì)這種情況,筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)基本的“微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)”,由8086CPU、6116RAM、2764EPROM、8255接口芯片接入4*4的鍵盤、8位發(fā)光二極管組成。把它做成一個(gè)通電后能演示的計(jì)算機(jī)硬件產(chǎn)品。這個(gè)小的硬件系統(tǒng)其實(shí)就包括“微機(jī)原理與接口技術(shù)”主要內(nèi)容:CPU、存儲(chǔ)器、接口、輸入、輸出設(shè)備。

講完每個(gè)章節(jié),就結(jié)合這個(gè)“微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)”講這個(gè)部件在這個(gè)系統(tǒng)中的應(yīng)用,這樣把一個(gè)實(shí)際的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)貫穿于整個(gè)課程教學(xué)中。等到整個(gè)課程講完,留出一、二次課把整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和工作過程進(jìn)行講解,并且設(shè)問:如果不用8086CPU采用其他型號(hào)的CPU如何設(shè)計(jì);如果不用6116RAM采用2114RAM應(yīng)該如何設(shè)計(jì);鍵盤改變、發(fā)光二極管采用16位如何設(shè)計(jì)……這些問題都在學(xué)生的能力范圍,稍微經(jīng)過努力就能做到。這樣學(xué)生不僅是學(xué)習(xí)每章的知識(shí),而且能夠把每章的知識(shí)點(diǎn)結(jié)合成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。使得對(duì)整門課程有一個(gè)整體把握。

如果老師通過更換程序芯片使得整個(gè)系統(tǒng)的工作過程改變,發(fā)光二極管顯示不同的變化。我們還可以讓學(xué)生形象的知道“軟件與硬件的關(guān)系”,“低級(jí)語言與高級(jí)語言的區(qū)別”等學(xué)生掌握起來較為困難的概念。通過一個(gè)“微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)”,使得學(xué)生對(duì)不同課程之間的聯(lián)系和相互關(guān)系得以充分理解,逐步培養(yǎng)學(xué)生駕馭整個(gè)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)知識(shí)的能力。

為了消除學(xué)生對(duì)硬件學(xué)習(xí)的畏懼心理,我以一塊最新的PC機(jī)主板為例,告訴學(xué)生,PC機(jī)的主板也是一個(gè)“微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)”,也是由CPU、存儲(chǔ)器、輸入、輸出接口組成,只不過和我們?cè)O(shè)計(jì)的基本的“微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)”相比,CPU性能更好、存儲(chǔ)器容量更大、外設(shè)也更復(fù)雜。但是不管如何復(fù)雜都是由基本的微機(jī)技術(shù)組合而成,也不是高不可攀。這樣學(xué)生通過先部件、后整體,部件和整體在整個(gè)課程教學(xué)中始終相結(jié)合的教學(xué)模式,比較完整全面了解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、功能,消除了對(duì)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)的神秘感和畏懼感。

通過這種宏觀和微觀相結(jié)合教學(xué)模式,我感到學(xué)生對(duì)硬件學(xué)習(xí)的積極性和熱情都極大提高,教學(xué)效果、實(shí)驗(yàn)的效果也明顯提高。好的硬件產(chǎn)品實(shí)例能通過師生、生生之間雙向和多向互動(dòng),促使學(xué)生的積極思考,拓寬學(xué)生的思路,提高教學(xué)效率。

2.3努力提高教師素質(zhì)

教學(xué)質(zhì)量的提高,教師是關(guān)鍵。梅貽琦先生所謂 “大學(xué)者,非大樓也,乃大師也”之言,告訴我們大學(xué)中教師的重要性。我們要培養(yǎng)一流的學(xué)生就必須有一流的教師。對(duì)計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)而言,教師自己要教好學(xué)生,自己必須有計(jì)算機(jī)硬件產(chǎn)品的開發(fā)經(jīng)驗(yàn),要對(duì)整個(gè)硬件產(chǎn)品開發(fā)的全過程有一個(gè)基本了解,最好能有計(jì)算機(jī)硬件工廠、公司合作的工作經(jīng)驗(yàn),這樣才能把一些空洞和抽象的理論變成一個(gè)個(gè)實(shí)實(shí)在在的計(jì)算機(jī)硬件產(chǎn)品。自己有了這些實(shí)踐,才有教好學(xué)生的基礎(chǔ)。

高等教育教學(xué)和基礎(chǔ)教育教學(xué)的區(qū)別就是:高等教育教學(xué)必須和科研、產(chǎn)品開發(fā)相結(jié)合。一方面科研開發(fā)是高校教學(xué)的創(chuàng)新的基礎(chǔ);另一方面,高校教學(xué)及教學(xué)創(chuàng)新本身也是一種科研,而且必須成為科研。因此,一流的教師必然是一個(gè)有創(chuàng)新研究成果的科研人員。

3結(jié)束語

計(jì)算機(jī)硬件類課程教學(xué)是一個(gè)需要不斷探索和實(shí)踐的領(lǐng)域。如何完善計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)體系、調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性,使他們具有強(qiáng)烈的參與意識(shí)和求知欲望,提高學(xué)生的綜合能力是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,需要長期、大量的實(shí)踐才能逐步達(dá)到目標(biāo),有些體制性的問題也需要全社會(huì)的共同努力。本文僅僅是根據(jù)自己平時(shí)在教學(xué)一線的心得體會(huì)進(jìn)行的一定程度的探討,致力于分析一些和硬件課程教學(xué)相關(guān)問題和提出解決這些問題的途徑。同時(shí)把自己的一些教學(xué)經(jīng)驗(yàn),拋磚引玉,供大家參考。

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