計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程體系的改革與探索

葛桂萍 李云 方宇

摘 ? ?要： 本文分析了當(dāng)前計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程教學(xué)中存在的問題，闡述了我院計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程體系的構(gòu)成，圍繞整合教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化課程體系、加強(qiáng)硬件和軟件的融合、強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)、完善教學(xué)方法、豐富網(wǎng)絡(luò)資源等方面對(duì)硬件課程體系的改革作深入分析與探討，并說明硬件課程體系改革的成效。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī)硬件課程 ? ?課程體系 ? ?課程整合 ? ?實(shí)踐教學(xué)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件和軟件是一個(gè)有機(jī)整體，在計(jì)算機(jī)專業(yè)的課程體系中，一般分為軟件課程體系和硬件課程體系兩條主線。目前，不少高校的計(jì)算機(jī)專業(yè)在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式上普遍存在“重軟輕硬”的現(xiàn)象[1]，重視和加強(qiáng)軟件與應(yīng)用，而忽略或輕視硬件的教學(xué)，使得計(jì)算機(jī)硬件課程體系相對(duì)較薄弱，硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備嚴(yán)重落后于當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展，培養(yǎng)出來的學(xué)生硬件能力較差，無法承擔(dān)計(jì)算機(jī)硬件方面的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。如何改革計(jì)算機(jī)專業(yè)的硬件課程體系，提高計(jì)算機(jī)硬件的教學(xué)水平，提高學(xué)生的硬件動(dòng)手能力已成為高校計(jì)算機(jī)專業(yè)所面臨的重要課題。

1.當(dāng)前硬件課程教學(xué)存在的主要問題

1.1輕視硬件教學(xué)，硬件類課程、課時(shí)被迫刪減。

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，硬件是基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)硬件課程則是深入了解計(jì)算機(jī)基本原理及體系結(jié)構(gòu)的重要專業(yè)課程[1]，但是硬件課程由于培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)方案、教學(xué)大綱及硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等原因，因此很多高校普遍在計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)中輕視硬件課程的建設(shè)，增加了很多軟件課程，總學(xué)分一定，硬件類課程只能被迫刪減，課時(shí)被盡量壓縮，保證不了硬件課程的教學(xué)質(zhì)量，從而導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)硬件知識(shí)的積極性不高，實(shí)踐動(dòng)手能力較差。

1.2內(nèi)容陳舊，在課程計(jì)劃上缺乏科學(xué)性。

目前，國內(nèi)本科院校的計(jì)算機(jī)類專業(yè)，大多開設(shè)了如下硬件課程：數(shù)字邏輯電路、計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理及接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等，這些課程開設(shè)所選用的教材盡管版本眾多，但大多內(nèi)容相近，技術(shù)陳舊，與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，與快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)形成了較大差距，如有的硬件課程教學(xué)中還是以16位機(jī)作為教學(xué)模型，對(duì)學(xué)生缺乏吸引力，教學(xué)效果不甚理想;另外，課程之間重復(fù)的知識(shí)點(diǎn)較多，在課程計(jì)劃上缺乏科學(xué)性和合理性。

1.3實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱，缺少創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

硬件實(shí)驗(yàn)比軟件實(shí)驗(yàn)要復(fù)雜得多，主要在于硬件實(shí)驗(yàn)需要相應(yīng)的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支撐，學(xué)生除了進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，在平時(shí)的學(xué)習(xí)中無法完成硬件實(shí)驗(yàn)。另外，目前大多數(shù)高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備比較過時(shí)，只能做一些重復(fù)驗(yàn)證性、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，缺少創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

2.硬件課程體系的構(gòu)成

近年來，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，我院修訂了計(jì)算機(jī)專業(yè)的培養(yǎng)方案，其中軟件課程調(diào)整較大，但硬件課程調(diào)整不多，只是課程內(nèi)容不斷更新，硬件課程體系相對(duì)較穩(wěn)定。結(jié)合我院計(jì)算機(jī)專業(yè)的培養(yǎng)方案，硬件課程體系一般分為三個(gè)層次：一是基礎(chǔ)類課程，包括電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)與數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)等;二是核心類課程，包括匯編語言程序設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理等;三是應(yīng)用類課程，包括微機(jī)原理及應(yīng)用、單片機(jī)原理及應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等[2]-[3]。

在計(jì)算機(jī)硬件課程中，計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)的必修課程，被國內(nèi)外計(jì)算機(jī)教育界公認(rèn)為計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系中一門偏重計(jì)算機(jī)理論內(nèi)涵的核心課程，也是考研時(shí)計(jì)算機(jī)學(xué)科專業(yè)考試四門課程之一[4]，并占到30%的比例，在整個(gè)硬件課程體系中有非常重要的地位，其先導(dǎo)課程是數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，而以此課程為核心，微機(jī)原理及應(yīng)用和匯編語言程序設(shè)計(jì)分別在硬件和軟件方面對(duì)其進(jìn)行了延伸和拓展，另外，單片機(jī)原理及應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等課程進(jìn)一步擴(kuò)充了硬件應(yīng)用。

3.硬件課程體系改革的具體措施

3.1整合教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化硬件課程體系結(jié)構(gòu)。

加強(qiáng)硬件課程體系結(jié)構(gòu)建設(shè)，完善教學(xué)計(jì)劃，對(duì)硬件系列課程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理及應(yīng)用和匯編語言程序設(shè)計(jì)等課程進(jìn)行融合、優(yōu)化，既避免了知識(shí)點(diǎn)的重復(fù)教學(xué)，又加強(qiáng)了課程間的相互聯(lián)系，保證了硬件教學(xué)的連續(xù)性和完整性[5]。在課程的內(nèi)容上，以基本原理為主，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用，同時(shí)體現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。另外，在硬件課程教學(xué)中要注意相互次序和互補(bǔ)，保證教學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)性和完備性。

3.2加強(qiáng)硬件和軟件的結(jié)合，提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟、硬件協(xié)同能力。

硬件和軟件知識(shí)相輔相成，但目前計(jì)算機(jī)軟、硬件教學(xué)之間由于授課教師的不同，教師之間、課程之間缺乏溝通，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)到的知識(shí)點(diǎn)基本分離，學(xué)生學(xué)到的是一個(gè)個(gè)知識(shí)點(diǎn)的“孤島”，不能達(dá)到對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟、硬件基本知識(shí)的融會(huì)貫通[6]。例如，學(xué)生學(xué)了寄存器、存儲(chǔ)器等硬件知識(shí)，但不知如何和高級(jí)語言結(jié)合對(duì)硬件進(jìn)行編程;再例如，學(xué)生在學(xué)習(xí)C語言程序設(shè)計(jì)時(shí)無法將數(shù)據(jù)類型的含義和計(jì)算機(jī)的硬件聯(lián)系起來，因此在計(jì)算機(jī)教學(xué)體系中應(yīng)注意軟、硬件課程間的結(jié)合，使學(xué)生掌握更完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟、硬件協(xié)同能力。

3.3重視實(shí)踐教學(xué)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)是計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)體系中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，要科學(xué)地設(shè)計(jì)硬件實(shí)驗(yàn)體系。首先從整體上把握硬件實(shí)驗(yàn)課程的體系結(jié)構(gòu)，遵從“循序漸進(jìn)，不斷加強(qiáng)”的原則，將硬件實(shí)驗(yàn)體系劃分為基礎(chǔ)、應(yīng)用和提高三個(gè)層次;其次，把簡單驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)逐步改為“驗(yàn)證性—設(shè)計(jì)性—綜合性”的多層次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面，由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備比較落后，對(duì)學(xué)生缺乏吸引力，通過多方調(diào)研，積極更新硬件設(shè)備，改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境，建立創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，選拔能力強(qiáng)的學(xué)生組成創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加科研項(xiàng)目、大學(xué)生科創(chuàng)項(xiàng)目，鍛煉學(xué)生創(chuàng)新能力，促進(jìn)計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)。

3.4探索硬件課程教學(xué)方法，提升教學(xué)水平。

加強(qiáng)硬件課程教師團(tuán)隊(duì)建設(shè)，使相互關(guān)聯(lián)的課程的教師有更多的溝通，定期開展教研活動(dòng)，從整體上把握計(jì)算機(jī)硬件課程的教學(xué)，形成一支由學(xué)術(shù)水平較高的教授領(lǐng)銜的，結(jié)構(gòu)合理、老中青搭配、水平較高的硬件教學(xué)團(tuán)隊(duì)[6]，保證硬件課程建設(shè)的連續(xù)性。

改革傳統(tǒng)的教學(xué)方法，結(jié)合研究性教學(xué)，利用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)方法，將實(shí)際教學(xué)內(nèi)容分成一個(gè)個(gè)具體任務(wù)，并且前后關(guān)聯(lián)，逐步深入，從而引導(dǎo)學(xué)生深入理解、掌握教學(xué)內(nèi)容，這種教學(xué)方法能大大提高學(xué)生的主動(dòng)性、積極性及團(tuán)體合作能力。另外，在教學(xué)中注重和學(xué)生的交流和互動(dòng)，通過網(wǎng)上答疑、在線測試等多種手段，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)，提高課堂教學(xué)效率。

3.5豐富網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)，加強(qiáng)教材建設(shè)。

強(qiáng)化課程建設(shè)的同時(shí)，不斷加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，依托揚(yáng)州大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，對(duì)硬件課程的教學(xué)資源如課件、教學(xué)視頻、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、習(xí)題等全部上網(wǎng)，構(gòu)建豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源[7]-[8]，使學(xué)生能夠不受時(shí)空限制，充分規(guī)劃課余時(shí)間學(xué)習(xí)課件課程。

另外，圍繞課程體系、教學(xué)內(nèi)容的改革，結(jié)合多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，編寫出版高質(zhì)量的、具有“實(shí)用型”和“創(chuàng)新型”特色的主教材和配套實(shí)驗(yàn)教材[8]。

4.成效

4.1加強(qiáng)了硬件課程體系結(jié)構(gòu)的建設(shè)。

對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)中的硬件系列課程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理及應(yīng)用和匯編語言程序設(shè)計(jì)等課程進(jìn)行整合、優(yōu)化，達(dá)到內(nèi)容精煉、重點(diǎn)突出，減少重復(fù)的要求，同時(shí)加強(qiáng)課程間的相互聯(lián)系，保證硬件教學(xué)的連續(xù)性和完整性。

4.2在教學(xué)中建立和貫穿整機(jī)概念，實(shí)行硬件和軟件結(jié)合的教學(xué)方式。

把軟件類課程（匯編語言程序設(shè)計(jì)和C語言程序設(shè)計(jì)）融合于硬件類課程（計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理及應(yīng)用）中，一方面借助軟件認(rèn)識(shí)和操縱硬件，另一方面通過硬件理解和掌握軟件，不僅能更好地實(shí)現(xiàn)硬件類課程的教學(xué)目標(biāo)，而且能使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的認(rèn)識(shí)是系統(tǒng)和全面的，而不是割裂和分離的。同時(shí)，在實(shí)踐環(huán)節(jié)，利用匯編語言和C語言設(shè)計(jì)軟硬件結(jié)合的實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)軟、硬件之間的聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生對(duì)硬件的編程能力。

4.3強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，構(gòu)建多層次的實(shí)踐教學(xué)體系。

加強(qiáng)硬件課程的實(shí)踐教學(xué)，構(gòu)建課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等多層次實(shí)踐教學(xué)體系，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，按分層思想設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，既有簡單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，又有一定難度的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，更有復(fù)雜的綜合性實(shí)驗(yàn)。鼓勵(lì)學(xué)有余力的學(xué)生設(shè)計(jì)、參與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)難度的不斷提高，循序漸進(jìn)、由淺入深、不斷加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力[9]。在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，突出應(yīng)用性，把課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與企業(yè)的實(shí)際項(xiàng)目相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合能力。

4.4與新技術(shù)結(jié)合，緊跟技術(shù)發(fā)展。

現(xiàn)有課程內(nèi)容過于陳舊、跟不上科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在課程教學(xué)中增加新技術(shù)的比重，與時(shí)俱進(jìn)，例如，以32位機(jī)（以80X86CPU為代表）作為應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)模型，增加32位機(jī)的教學(xué)內(nèi)容，加大32位機(jī)的教學(xué)力度。一方面激發(fā)學(xué)生興趣，另一方面使教學(xué)內(nèi)容不脫離生產(chǎn)實(shí)際，具有先進(jìn)性和實(shí)用性，更好地應(yīng)用于實(shí)踐。

5.結(jié)語

近年來，我院通過對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程體系進(jìn)行優(yōu)化和改革，解決了硬件課程之間缺乏關(guān)聯(lián)、知識(shí)點(diǎn)重復(fù)、硬件課程和軟件課程之間缺乏融合等一系列問題[6]，加強(qiáng)了課程間的聯(lián)系，保證了硬件教學(xué)的連續(xù)性和完整性。今后，我院將以開展計(jì)算機(jī)硬件綜合實(shí)踐為契機(jī)，進(jìn)一步完善硬件課程體系，不斷改進(jìn)硬件課程的教學(xué)方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生硬件能力。

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