高校計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程教學(xué)探索

宋大虎，王 忠，黃百鋼

（第二炮兵工程大學(xué) 理學(xué)院計(jì)算機(jī)教研室，陜西 西安 710025）

高校計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程教學(xué)探索

宋大虎，王 忠，黃百鋼

（第二炮兵工程大學(xué) 理學(xué)院計(jì)算機(jī)教研室，陜西 西安 710025）

在計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)課程中開展了“口袋實(shí)驗(yàn)室”的探索。為學(xué)生提供軟硬件資源，在課后進(jìn)行自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，提高了教學(xué)效果。

軟件基礎(chǔ)；教學(xué)探索；高校計(jì)算機(jī)

一、引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程已經(jīng)成為了理工科專業(yè)學(xué)生的必修課程，它的綜合性和實(shí)踐性強(qiáng)，是后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。該課程是硬件和軟件相結(jié)合的一門課程，在硬件設(shè)計(jì)方面，達(dá)到能設(shè)計(jì)接口電路的水平；在軟件開發(fā)方面，培養(yǎng)學(xué)生使用匯編語言或者C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的能力，達(dá)到能編寫接口程序和設(shè)備驅(qū)動程序的水平。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)的基本組成結(jié)構(gòu)和工作原理，更重要的是使學(xué)生掌握硬件電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用開發(fā)能力，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題，因此課程的實(shí)踐性非常強(qiáng)。

二、計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程教學(xué)中存在的問題

由于該課程教學(xué)內(nèi)容比較抽象，知識點(diǎn)多，學(xué)生普遍反應(yīng)不好學(xué)，學(xué)習(xí)起來缺乏興趣，這樣就更加大了該課程在教學(xué)上的難度。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（一）在教學(xué)方法方面

傳統(tǒng)的教學(xué)方法基本以教師講授為主，學(xué)生大多只是被動地接受。由于課程涉及的概念多、專有名詞多、接口芯片多，理論基礎(chǔ)復(fù)雜，往往使初學(xué)的學(xué)生感覺入門較難。計(jì)算機(jī)的接口設(shè)備之間通常使用匯編語言編程，而該語言屬于低級語言，編程復(fù)雜，比C語言等高級語言更難掌握，單純理論講授使學(xué)生難以理解，會使學(xué)生覺得枯燥無味，失去學(xué)習(xí)的興趣。由于該課程的邏輯性和完整性強(qiáng)，計(jì)算機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)，不同的CPU采用的指令各不相同，而指令系統(tǒng)又是匯編語言程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，指令掌握不好，就會給編程帶來困難，各部分知識銜接緊密，一環(huán)扣一環(huán)，因此，學(xué)生必須全面地掌握各個(gè)知識點(diǎn)，否則將會嚴(yán)重地影響學(xué)習(xí)效果。該課程還有一個(gè)特點(diǎn)就是硬件電路圖多，接口芯片應(yīng)用舉例多，包括各種芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖、時(shí)序圖、硬件電路圖等，接口芯片的應(yīng)用不僅僅要設(shè)計(jì)硬件電路，而且要編寫應(yīng)用程序，畫出程序流程圖等。

由于硬件學(xué)習(xí)的難度較大，因此在學(xué)生中普遍存在重視軟件忽視硬件的現(xiàn)象。產(chǎn)生這種傾向的原因是多方面的：一方面是硬件課程掌握起來花費(fèi)的時(shí)間多，個(gè)別學(xué)生存在急功近利的錯(cuò)誤認(rèn)識等；另一個(gè)重要的方面是硬件系列課程的教學(xué)改革力度不夠，使得目前的教學(xué)方法無法與飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)接軌，無法滿足學(xué)生獲取新知識的需求。

（二）在教學(xué)內(nèi)容方面

計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程基本上都是以微機(jī)或者單片機(jī)為藍(lán)本來學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)原理，教材內(nèi)容覆蓋面大。課程往往是以8086/8088、80386或是80486微機(jī)的結(jié)構(gòu)為主線，首先講不同類型微機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)的指令系統(tǒng)，然后是基于該系統(tǒng)的匯編語言程序設(shè)計(jì)，最后是各種接口芯片的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。但是由于理論學(xué)時(shí)有限，在教學(xué)過程中只能夠選擇一種微型機(jī)芯片或者是某種型號的單片機(jī)進(jìn)行教學(xué)，為了適應(yīng)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的飛速發(fā)展，必須改革教學(xué)內(nèi)容，既要強(qiáng)化基礎(chǔ)知識，又要加強(qiáng)對學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)；既要把典型的微型計(jì)算機(jī)原理和架構(gòu)傳授給學(xué)生，又要把計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的最新水平和狀況介紹清楚，使學(xué)生能夠舉一反三、觸類旁通，通過學(xué)習(xí)一種典型的芯片達(dá)到對同類芯片的普遍認(rèn)知，從而具備獨(dú)立自主的學(xué)習(xí)能力。其次，隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代頻繁、新產(chǎn)品和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，硬件基礎(chǔ)教學(xué)中的基礎(chǔ)性和先進(jìn)性、前沿性的矛盾比較突出。當(dāng)今的微型計(jì)算機(jī)已經(jīng)從原來的32位全面進(jìn)入64位。而現(xiàn)在的教學(xué)中還是以16位微機(jī)為基礎(chǔ)的。因此，該課程內(nèi)容顯得繁雜難學(xué)，跟不上時(shí)代。

教學(xué)內(nèi)容的改革主要思想是要增加對現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的介紹。在常規(guī)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，增加現(xiàn)代微機(jī)系統(tǒng)中的新技術(shù)、新應(yīng)用和新方法，如USB總線技術(shù)、高速緩存Cache技術(shù)、多核技術(shù)、高性能計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等知識的介紹，以32位微機(jī)的典型代表80486和Pentium作為基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容，選用教材也應(yīng)該反應(yīng)這種變革，同時(shí)兼顧64位微機(jī)的介紹。這樣既開闊了學(xué)生的視野，讓學(xué)生能更深入地理解軟、硬件結(jié)合設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法，又能增強(qiáng)學(xué)生將來就業(yè)的競爭性。

（三）在實(shí)踐教學(xué)方面

由于計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，只有通過實(shí)踐才能真正地理解其中的知識點(diǎn)，使學(xué)生不僅知其然，而且知其所以然。當(dāng)今社會提倡創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，學(xué)生如果不通過動手實(shí)踐，只是死記硬背書上的理論，無法達(dá)到教學(xué)的目的。但是，由于實(shí)踐教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、方法單一，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不能達(dá)到學(xué)生能力培養(yǎng)的目的，再加上知識點(diǎn)多，學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間有限，忽視對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的深入分析和理解，導(dǎo)致部分對實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容失去興趣，往往難以把實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容應(yīng)用在后續(xù)的學(xué)習(xí)和工作中。因此，當(dāng)前的實(shí)踐教學(xué)無法培養(yǎng)學(xué)生必要的設(shè)計(jì)、創(chuàng)新能力，無法使學(xué)生感受到所學(xué)知識的應(yīng)用價(jià)值，有必要在這一基礎(chǔ)上進(jìn)行能力培養(yǎng)的擴(kuò)展。以為國家培養(yǎng)合格人才為目標(biāo)，重視實(shí)踐教學(xué)的作用，改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，把實(shí)踐教學(xué)放到和理論教學(xué)同等重要的地位。

現(xiàn)在的硬件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生往往是照抄書上的程序，然后在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上運(yùn)行來觀察運(yùn)行結(jié)果，沒有充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，更無法提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)獲取知識的能力，因此教學(xué)效果不理想。目前大，多數(shù)高校計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程都是采用某種類型芯片的實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行，而這些實(shí)驗(yàn)箱提供的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為固定模塊化的組織形式，學(xué)生只需要連接較少的導(dǎo)線，輸入現(xiàn)成的程序就可以完成實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法的局限性，學(xué)生處于被動接受的地位，從而使學(xué)生無法發(fā)揮主動性和創(chuàng)造性。

三、基于“口袋實(shí)驗(yàn)室”的實(shí)踐教學(xué)新模式

以往學(xué)生做硬件類實(shí)驗(yàn)都必須在硬件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行，用到的實(shí)驗(yàn)器材包括面包板、電源、萬用表、示波器等，但是由于實(shí)驗(yàn)儀器陳舊、老化，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容落后于技術(shù)的不斷發(fā)展。而且由于學(xué)生人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)，往往是幾個(gè)學(xué)生一組做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。甚至有時(shí)候由老師將實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果向?qū)W生展示，而學(xué)生得不到充分的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)備的機(jī)會。隨著新技術(shù)的發(fā)展，目前的小型硬件開發(fā)板已經(jīng)可以通過USB接口連接到電腦上，再配合圖形界面的閃存編程器和調(diào)試工具等就能完成硬件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生的實(shí)驗(yàn)不再局限于在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

國內(nèi)一些高校已經(jīng)開始推行“口袋實(shí)驗(yàn)室”的教學(xué)創(chuàng)新，口袋實(shí)驗(yàn)室是將名片大小的實(shí)驗(yàn)板卡發(fā)到每個(gè)學(xué)生的手上，裝在口袋里可以隨身攜帶，隨時(shí)操作，在完成各種基本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，激發(fā)學(xué)生的興趣，發(fā)揮學(xué)生的獨(dú)創(chuàng)精神。清華大學(xué)、華中科大、浙江大學(xué)等國內(nèi)名牌高校已經(jīng)開始大力推行口袋實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐和創(chuàng)新，其他高校也緊隨其后。比如，華中科技大學(xué)電信系的150名學(xué)生每人拿到了德州儀器（TI公司）捐贈的一塊能揣進(jìn)口袋，僅有名片大小的LaunchPad開發(fā)板，學(xué)生可以在寢室、圖書館等地輕松做實(shí)驗(yàn)。清華大學(xué)學(xué)生則獲得了Xilinx公司捐贈的Spartan 3開發(fā)板。浙江大學(xué)的學(xué)生以分組的模式開展，每個(gè)小組使用一塊開發(fā)板。為使學(xué)生真正掌握所學(xué)內(nèi)容，不設(shè)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，學(xué)生分組后發(fā)給實(shí)驗(yàn)板和軟件，課下自行安排，不設(shè)統(tǒng)一的作業(yè)，由分組學(xué)生自行討論后制定設(shè)計(jì)課題，以發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性和積極性。不設(shè)筆試性考核，進(jìn)行全部學(xué)生參加的各組自選課題大作業(yè)演示和答辯，期末的答辯和演示成為教和學(xué)的最好檢查。國內(nèi)其他一些高校也開始了口袋實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新嘗試，使用的開發(fā)板大多以Xilinx，Altera公司的FPGA板卡為主。

借鑒其他高校的成功經(jīng)驗(yàn)，我們在計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程的教學(xué)過程中開展了“口袋實(shí)驗(yàn)室”的創(chuàng)新研究，按照方案制定、授課實(shí)踐、形成結(jié)果、總結(jié)推廣的步驟實(shí)施。其中，方案的制定需要決定硬件開發(fā)板的選型和配套開發(fā)軟件，由于FPGA芯片具有靜態(tài)可重復(fù)編程以及動態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)的特性，可以像軟件一樣通過編程來修改硬件的功能。學(xué)生可以通過硬件描述語言完成各種數(shù)字電路到高性能CPU的設(shè)計(jì)。使用FPGA還可以縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，特別是當(dāng)電路有少量改動時(shí)，F(xiàn)PGA的優(yōu)勢更加突出，因此，采用FPGA芯片進(jìn)行口袋實(shí)驗(yàn)室的選型優(yōu)勢較為明顯。與開發(fā)板配套的軟件資源豐富，并且要提供豐富的實(shí)例以供學(xué)習(xí)分析。除了給學(xué)生提供硬件開發(fā)板和配套的軟件以外，編寫基于FPGA的硬件實(shí)驗(yàn)參考教材供學(xué)生學(xué)習(xí)參考。開發(fā)板的管理采取學(xué)生分組借用的方式，建立損壞賠償機(jī)制，促使學(xué)生養(yǎng)成認(rèn)真細(xì)致的工作作風(fēng)。學(xué)生可以選擇在宿舍、機(jī)房、實(shí)驗(yàn)室等場合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上分為三個(gè)類型，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)。緊貼硬件基礎(chǔ)課程的理論教學(xué)過程，要求學(xué)生完成存儲器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，I/0中斷實(shí)驗(yàn)、輸入輸出接口實(shí)驗(yàn)、A/D和D/A實(shí)驗(yàn)等基本理論實(shí)驗(yàn)。并且及時(shí)更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力，為學(xué)生開展自主創(chuàng)新活動提供條件。為此，可以將多個(gè)獨(dú)立的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組合成一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)的方式來實(shí)現(xiàn)，如將5255并行芯片、8254定時(shí)器及8259的中斷實(shí)驗(yàn)，綜合成一個(gè)由中斷及定時(shí)器控制的彩燈循環(huán)顯示電路的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和獨(dú)立工作能力。還可以利用當(dāng)前應(yīng)用廣泛的PCI、USB線以及Windows驅(qū)動程序編寫等內(nèi)容，要求學(xué)生分組進(jìn)行設(shè)計(jì)課題的制作，設(shè)計(jì)課題由學(xué)生自選題目，該題目可以與每年進(jìn)行的全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽項(xiàng)結(jié)合，以發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性和積極性。對于綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需要撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，總結(jié)個(gè)人實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和體會，通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫可以培養(yǎng)學(xué)生對科技活動的總結(jié)能力，科技論文的寫作能力。并且采取課堂匯報(bào)的方式，由學(xué)生講解、演示，教師提問的方式進(jìn)行考核。學(xué)生通過課題設(shè)計(jì)熟悉用語言實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的多種方法，學(xué)會工程調(diào)試的基本思想，理解數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體概念，體會團(tuán)隊(duì)合作的重要性。使學(xué)生具有了一定的軟硬件開發(fā)能力，還可以讓學(xué)生了解當(dāng)前計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，接受新的設(shè)計(jì)思想和方法，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力，可以更好地適應(yīng)今后的工作和學(xué)習(xí)，達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)效果。

四、結(jié)束語

計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，課程的內(nèi)容也產(chǎn)生了很多新的元素，這就要求改進(jìn)傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式以適應(yīng)素質(zhì)教育和鼓勵(lì)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求?；诳诖鼘?shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)模式可以在學(xué)時(shí)數(shù)有限的約束條件下，為達(dá)到較好的教學(xué)效果提供支持，體現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的新思路。解決計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程重理論、輕實(shí)踐的弊端，改善硬件類課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、教學(xué)力量薄弱的瓶頸，增強(qiáng)學(xué)生的動手能力。

[1]劉多文.關(guān)于計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的思考[J].電腦知識與技術(shù)，2010，（19）.

[2]熬志光.非計(jì)算機(jī)專業(yè)“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)研究[J].計(jì)算機(jī)教育，2009，（10）.

[3]黃雷，南建國.“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”實(shí)踐教學(xué)改革探討[J].軍隊(duì)院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)探索研究，2010.

G642.0

A

1674-9324（2014）42-0165-03

宋大虎（1977-），男，陜西乾縣人，博士，講師，研究方向：圖形圖像處理。