加強(qiáng)計(jì)算機(jī)硬件課程體系建設(shè)與教學(xué)質(zhì)量提升的研究

雷向東,雷振陽,袁曉莉,黃東軍

摘要：本文分析了現(xiàn)行計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)存在的問題，對計(jì)算機(jī)硬件課程體系建設(shè)，教學(xué)方法，教學(xué)質(zhì)量提升，學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，虛擬化實(shí)驗(yàn)和教師隊(duì)伍建設(shè)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：課程體系建設(shè)；計(jì)算機(jī)硬件；教學(xué)質(zhì)量

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）09-00××-××

在當(dāng)前高校計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生中普遍存在這樣的問題：對計(jì)算機(jī)硬件課程的學(xué)習(xí)不感興趣；認(rèn)為有些計(jì)算機(jī)硬件課程很抽象，不知道怎樣才能學(xué)好；與已經(jīng)從事計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)的畢業(yè)的同學(xué)交流后，認(rèn)為學(xué)校對計(jì)算機(jī)硬件課程的設(shè)置不合理，對將來從事計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)幫助不大，而對將來從事計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)幫助很大的計(jì)算機(jī)專業(yè)課程學(xué)校反而不重視，教學(xué)時間太短，沒有深入地教學(xué)；④教學(xué)方式缺乏對本科學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力的培養(yǎng)。學(xué)生對計(jì)算機(jī)硬件課程的學(xué)習(xí)積極性不高，學(xué)習(xí)效果差。高校的計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生中重視軟件課程的學(xué)習(xí)，而輕視硬件課程的學(xué)習(xí)，其結(jié)果是許多學(xué)生的硬件能力比較差，不能勝任計(jì)算機(jī)硬件方面的技術(shù)設(shè)計(jì)。因此，對于如何設(shè)置計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程，已成為我們要重點(diǎn)關(guān)注的一個問題。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科除了具有較強(qiáng)的科學(xué)性外，還具有較強(qiáng)的工程性，因此，它是一門科學(xué)性與工程性并重的學(xué)科。如何合理地調(diào)整計(jì)算機(jī)硬件課程設(shè)置，為計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生將來從事計(jì)算機(jī)硬件方面的相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)奠定具有發(fā)展?jié)摿Φ幕A(chǔ)，是擺在計(jì)算機(jī)專業(yè)老師面前的一個重要問題。計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)開發(fā)時，普遍感到所掌握的計(jì)算機(jī)理論知識與實(shí)際工作能力存在不足。主要體現(xiàn)在沒有實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)；缺乏項(xiàng)目的開發(fā)能力；缺乏團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神；缺乏與同事溝通方法。如何在計(jì)算機(jī)本科生教育階段培養(yǎng)和提高學(xué)生的素質(zhì)與能力，是老師重點(diǎn)關(guān)注的問題。

在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，教師就是向?qū)W生傳播知識。而在現(xiàn)代教學(xué)模式中，教師不僅向?qū)W生傳播知識，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。為培養(yǎng)21世紀(jì)計(jì)算機(jī)硬件高技術(shù)人才就必須加強(qiáng)學(xué)生計(jì)算機(jī)硬件創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不斷完善計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)改革專業(yè)課程體系建設(shè)。

為此，本文針對當(dāng)前計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程設(shè)置存在的問題，根據(jù)計(jì)算機(jī)專業(yè)各研究方向?qū)τ?jì)算機(jī)硬件課程建設(shè)，構(gòu)成完整的計(jì)算機(jī)硬件課程體系建設(shè)，對本科生教學(xué)方式教學(xué)改革，培養(yǎng)本科生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)創(chuàng)新素質(zhì)進(jìn)行研究。

一、計(jì)算機(jī)硬件課程體系建設(shè)

（一）充分認(rèn)識計(jì)計(jì)算機(jī)硬件課程建設(shè)的重要性

計(jì)算機(jī)硬件及應(yīng)用技術(shù)已是IT領(lǐng)域不可缺少的支柱技術(shù)，已經(jīng)廣泛滲透到移動通訊、消費(fèi)電子、無線網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制和軍事國防等各行各業(yè)，無時無處不在影響每個現(xiàn)代人的生活。能夠綜合應(yīng)用軟件和硬件，系統(tǒng)研發(fā)的工程師成為計(jì)算機(jī)行業(yè)最為緊俏的人才，其培養(yǎng)也越來越受到高校、企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)與培訓(xùn)中心的重視。

（二）計(jì)算機(jī)硬件課程體系建立

ACM和IEEE-CS共同推出了Computing Curricula 2001，系統(tǒng)地列出在計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生應(yīng)該掌握的課程，我們以此為藍(lán)本，并根據(jù)我院在計(jì)算機(jī)硬件研究領(lǐng)域和研究方向，建立計(jì)算機(jī)硬件課程體系中的主干課程：《計(jì)算機(jī)原理與匯編語言程序設(shè)計(jì)》，講授計(jì)算機(jī)組織和工作原理，以及匯編語言程序設(shè)計(jì)；《微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)》，講授微型計(jì)算機(jī)的基本知識、基本組成、體系結(jié)構(gòu)和工作模式；《計(jì)算機(jī)控制》，講授計(jì)算機(jī)控制的理論知識和設(shè)計(jì)技術(shù)；《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)》，講授單片機(jī)工作原理和編程方法、嵌入式系統(tǒng)基本概念和設(shè)計(jì)技術(shù)移植；《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》，講授計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本思想、基本概念、設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)方法與評價分析方法。由這5門課程構(gòu)成計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程體系。

當(dāng)今計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課程體系教學(xué)在成熟和穩(wěn)定的同時，要不斷加入新的內(nèi)容和新的技術(shù)。為此，必須對主干課程設(shè)計(jì)其課程的主線，并沿主線更新教學(xué)內(nèi)容、突出新技術(shù)。

二、改進(jìn)教學(xué)方法，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力

人類具有學(xué)習(xí)的自然傾向或?qū)W習(xí)的內(nèi)在潛能，學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者內(nèi)在潛能的發(fā)揮。所以教學(xué)的任務(wù)是為學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)的一種有利于學(xué)生學(xué)習(xí)潛能發(fā)揮的情境。教師不應(yīng)該采用權(quán)威式的教學(xué)方式，不應(yīng)采用強(qiáng)制式的指導(dǎo)教學(xué)。教學(xué)活動是教師和學(xué)生共同活動的過程，教師在教學(xué)過程中發(fā)揮著設(shè)計(jì)，主持，調(diào)整教學(xué)過程的主導(dǎo)作用，調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性。學(xué)生是教學(xué)過程中認(rèn)識活動的主體。在教學(xué)過程中應(yīng)體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，發(fā)揮著教師的主導(dǎo)作用。

教學(xué)內(nèi)容是課程教學(xué)的核心。由于計(jì)算機(jī)學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，必須把最新、最前沿計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)充實(shí)到教學(xué)內(nèi)容中，把計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)研究的方向與培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力結(jié)合起來，并安排到教學(xué)計(jì)劃中，使計(jì)算機(jī)硬件課程的教學(xué)內(nèi)容不斷適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，使培養(yǎng)出的大學(xué)生適應(yīng)社會發(fā)展的需要。

計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)軟件不是相互獨(dú)立的，而是相輔相成的。因此要加強(qiáng)計(jì)算機(jī)軟硬件教學(xué)之間的相互聯(lián)系。例如在《微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)》和《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)》的課程中，加入利用高級語言對硬件進(jìn)行編程的實(shí)例。在《計(jì)算機(jī)原理與匯編語言程序設(shè)計(jì)》和《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》的課程中，與《操作系統(tǒng)》課程中I/O管理、內(nèi)存管理、CPU調(diào)度等知識建立關(guān)聯(lián)，使學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（軟件、硬件）基本知識融會貫通。在《微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)》課程中，加入利用高級語言對硬件進(jìn)行編程的實(shí)例，既可激發(fā)學(xué)生的興趣，又可提高學(xué)生對硬件的編程能力。隨著計(jì)算機(jī)硬件軟件技術(shù)的高速發(fā)展和總線技標(biāo)準(zhǔn)的推陳出新，計(jì)算機(jī)接口技術(shù)也有了很大發(fā)展。在《微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)》的課程教學(xué)中應(yīng)該與時俱進(jìn)，跟上接口技術(shù)的發(fā)展，使其兼具先進(jìn)性和實(shí)用性。因此，在《微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)》的課程中應(yīng)該增加最新的高級接口技術(shù)，如USB接口，紅外線接口，藍(lán)牙接口。這些“高級接口”軟件設(shè)計(jì)基于Windows操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)和方法，包括控件方式、API方式、直接I/O方式、Socket方式等。接口硬件多是采用專業(yè)公司提供的現(xiàn)成的通用或?qū)Ｓ么笠?guī)模集成電路接口芯片，并不需要用戶從低層開始設(shè)計(jì)。在講課時，對于這些“高級接口”改變了對傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)接口技術(shù)把重點(diǎn)放在接口硬件設(shè)計(jì)的慣例，而著重于接口軟件的設(shè)計(jì)、接口協(xié)議的編程實(shí)現(xiàn)。

計(jì)算機(jī)硬件課程在有些知識點(diǎn)和內(nèi)容上相互重疊、相互補(bǔ)充。因此，教學(xué)過程中要特別關(guān)注知識點(diǎn)和內(nèi)容上教學(xué)順序和和互補(bǔ)性，以保證教學(xué)知識和內(nèi)容的系統(tǒng)性和完備性。

三、虛擬化計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)

采用虛擬化方式來完成計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)踐，一方面能夠克服以往計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)踐平臺的缺陷與不足，另一方面教師可以根據(jù)學(xué)生的能力和水平，設(shè)計(jì)具有不同層次，不同難度的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，以及綜合課程設(shè)計(jì)，為老師和學(xué)生提供一個跨越空間和時間的實(shí)驗(yàn)平臺，從而實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的改革，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。相對于傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)平臺，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺具有以下優(yōu)勢：①為學(xué)生提供一個創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)平臺。比如在《計(jì)算機(jī)組成原理》虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生就可以進(jìn)行CPU的組裝實(shí)驗(yàn)，而這個實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)平臺中，由于元器件的限制以及輔組支持的不足而無法開展。②為學(xué)生提供一個相關(guān)課程中算法的實(shí)踐平臺。在基于構(gòu)件化的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中，學(xué)生只需實(shí)現(xiàn)核心算法的構(gòu)件即可進(jìn)行試驗(yàn)，其他的諸如輸入輸出等輔組構(gòu)件將由系統(tǒng)提供。③為學(xué)生提供課外自選實(shí)驗(yàn)平臺。學(xué)生可以隨時隨地通過Internet訪問虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)來進(jìn)行試驗(yàn)，而不必受到場地或者時間的約束。④為教師教學(xué)提供一個輔助平臺，教師在授課過程中，可以通過Internet訪問虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，從而可以極大的豐富課堂教學(xué)，提高授課效果。⑤為學(xué)校節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的投入。虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)將硬件實(shí)驗(yàn)軟件化，學(xué)生可以方便、大膽的進(jìn)行各種嘗試，而不必?fù)?dān)心硬件的損耗帶來的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)增長，同時虛擬實(shí)驗(yàn)室也可以大大降低實(shí)驗(yàn)場地的投入，緩解目前學(xué)校教學(xué)資源不足的矛盾。

計(jì)算機(jī)硬件課程虛擬化實(shí)踐能夠極大地提高計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)踐的教學(xué)水平，特別是激發(fā)了學(xué)生對計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐的熱情。我們在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)踐中往往有創(chuàng)新的設(shè)計(jì)。所以，計(jì)算機(jī)硬件課程虛擬化實(shí)踐提高了學(xué)生硬件設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。計(jì)算機(jī)硬件課程虛擬化實(shí)踐在計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)踐的教學(xué)工作中可起到重要的作用。我院開發(fā)了《計(jì)算機(jī)原理》課程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在近幾年的實(shí)踐中學(xué)生普遍反映良好，達(dá)到預(yù)期目的，并在進(jìn)一步完善中，將來打算推廣到其他計(jì)算機(jī)硬件課程。

四、教師隊(duì)伍的建設(shè)與教學(xué)質(zhì)量提升

知識淵博，學(xué)術(shù)水平高、教學(xué)態(tài)度端正、責(zé)任心強(qiáng)的教師能極大地提高教學(xué)質(zhì)量。因此，我們必須建立學(xué)術(shù)水平高、知識淵博，責(zé)任心強(qiáng)的從事計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)的骨干教師隊(duì)伍。在授課過程中適時采用科研中的案例，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)講解原理，使學(xué)生在上課的過程中增加了知識，又掌握了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，調(diào)動學(xué)生積極性，學(xué)生在實(shí)踐中掌握好理論。授課的老師必須與其研究方向相關(guān)。例如安排講授《現(xiàn)代計(jì)算機(jī)接口技術(shù)》的教師應(yīng)在計(jì)算機(jī)接口技術(shù)研究方面有顯著成就，安排講授《嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用》的教師應(yīng)在高性能嵌入式系統(tǒng)有豐富的研究和工程經(jīng)驗(yàn)。這些教師都應(yīng)主持了重大的相關(guān)領(lǐng)域的科研項(xiàng)目，有科研產(chǎn)品和發(fā)明專利。大學(xué)生在學(xué)校就有了從事科研項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，為找到好的公司，好的職業(yè)位打下良好的基礎(chǔ)，也深受公司歡迎。以高水平的科研促教學(xué)，教學(xué)與科研互為依托，協(xié)調(diào)發(fā)展，確保了教學(xué)團(tuán)隊(duì)的學(xué)術(shù)水平不斷提升。

保證計(jì)算機(jī)硬件任課教師相對穩(wěn)定，并培養(yǎng)計(jì)算機(jī)硬件任課后備師資隊(duì)伍。

五、結(jié)語

為了培養(yǎng)出計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)高素質(zhì)人才，中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院近年來加強(qiáng)了計(jì)算機(jī)硬件課程建設(shè)，取得一定的成效。主要完成覆蓋計(jì)算機(jī)硬件課程建設(shè)，構(gòu)成完整的計(jì)算機(jī)硬件課程體系建設(shè)，對計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)方式教學(xué)改革，培養(yǎng)大學(xué)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)創(chuàng)新素質(zhì)。

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