計(jì)算機(jī)硬件類課程教學(xué)改革探索

劉彩霞+劉三榮+王秀貞+候艷艷

摘要：針對(duì)目前國內(nèi)高校計(jì)算機(jī)專業(yè)開展的硬件類課程教學(xué)，分析了理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中存在的主要問題。結(jié)合目前應(yīng)用型本科院校的開展和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，從理論教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系兩個(gè)方面進(jìn)行探索，旨在提高硬件的教學(xué)質(zhì)量和水平，培養(yǎng)具有系統(tǒng)能力的綜合性創(chuàng)新人才。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；硬件類課程教學(xué)；理論教學(xué)；實(shí)踐教學(xué)；改革

中圖分類號(hào)： G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）12-0123-03

Abstract： In view of computer hardware course teaching in domestic colleges at presence， the main problems in the theory and practice teaching were analyzed. Combined with the current development of local application college and teaching experience， two aspects of theoretical and experimental teaching system were explored. The aim is to improve the quality of hardware course and cultivate talents with innovative and integrated capabilities.

Key words： computer； hardware course teaching； theoretical teaching； experimental teaching； reform

1 引言

數(shù)字電路、微機(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)原理與應(yīng)用、計(jì)算機(jī)組成原理和嵌入式系統(tǒng)等硬件課程是計(jì)算機(jī)、電子信息類等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。這些課程都具有理論性強(qiáng)、技術(shù)性強(qiáng)、理論與實(shí)踐結(jié)合緊密等特點(diǎn)。但是這些課程也存在著內(nèi)容抽象，難以理解，以及實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)薄弱[1]，難以跟理論匹配的困難。對(duì)此，各個(gè)學(xué)校進(jìn)行了積極的探索[2-4]。

近年來，隨著應(yīng)用型本科院校的深入開展，本校的信息學(xué)院結(jié)合面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程群建設(shè)，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件類課程進(jìn)行了積極的改革與探索，旨在讓學(xué)生建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念，提高大學(xué)生計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革舉措。本文以計(jì)算機(jī)專業(yè)中硬件課程的開展為例，結(jié)合本校的實(shí)踐及教學(xué)中存在的問題，從理論教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系兩個(gè)方面對(duì)硬件類課程的教學(xué)進(jìn)行探索。

2 問題分析

計(jì)算機(jī)專業(yè)的硬件類課程教學(xué)存在諸多問題，下面從幾個(gè)方面分別說明。

1）思想認(rèn)識(shí)偏頗

作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，給人的第一感覺是軟件編程，硬件似乎并不是本專業(yè)的強(qiáng)項(xiàng)?；谶@種片面觀念，無論是在決策階層還是在廣大學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中， 都或多或少的出現(xiàn)了“重軟輕硬”的傾向[5-6]。在某一程度上，這是與培養(yǎng)全面發(fā)展的應(yīng)用型人才相背離的，由此造成了學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)深造或職業(yè)發(fā)展道路上的硬件瓶頸。當(dāng)然，在這種問題的背后，也隱藏著硬件課程教與學(xué)中存在的一些問題。

2）理論為主，理解困難

一般高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的硬件課程是為加強(qiáng)對(duì)學(xué)生技術(shù)應(yīng)用能力的培養(yǎng)而開設(shè)的體現(xiàn)電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合應(yīng)用的綜合性課程。該類課程的特點(diǎn)是概念多、較抽象和涉及面廣，其整體實(shí)現(xiàn)思想和技術(shù)又往往難于理解。比如微機(jī)原理與接口技術(shù)課程中的微處理器，介紹微處理器的基本組成原理和內(nèi)部工作機(jī)制，這些都是看不見摸不著的東西，學(xué)生學(xué)習(xí)起來就非常的枯燥，難以理解；又或者計(jì)算機(jī)組成原理課程介紹計(jì)算機(jī)的各子系統(tǒng)（包括運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、外部設(shè)備和輸入輸出子系統(tǒng)等）的基本組成原理、設(shè)計(jì)方法、相互關(guān)系等。

3）實(shí)驗(yàn)方式單一

目前許多院校還在沿用傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式、方法和手段，比如我們一般采用的“實(shí)驗(yàn)加課程設(shè)計(jì)”的模式。以微機(jī)原理與接口技術(shù)和單片機(jī)原理與應(yīng)用課程為例，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)受到課程總學(xué)時(shí)的限制，一般教學(xué)計(jì)劃中安排16個(gè)學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)，都偏重于接口的實(shí)現(xiàn)部分，對(duì)于微機(jī)原理或單片機(jī)原理都以理論為主。同時(shí)，各個(gè)實(shí)驗(yàn)之間沒有明顯的聯(lián)系，并且局限于學(xué)時(shí)限制，只能抽取一部分完成。學(xué)生的獨(dú)立思考能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得不到有效的鍛煉，有的學(xué)生對(duì)知識(shí)一知半解。即使這樣，也難以滿足接口內(nèi)容的系統(tǒng)訓(xùn)練[7]。課程設(shè)計(jì)是在學(xué)完相關(guān)課程之后綜合利用所學(xué)知識(shí)完成一個(gè)接口應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)并在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)，是一個(gè)實(shí)踐性較強(qiáng)的綜合案例。但是傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)都是安排在期末，學(xué)生期末時(shí)間緊張，并且前面所學(xué)的知識(shí)有所遺忘，設(shè)計(jì)起來就會(huì)出現(xiàn)問題?！皩?shí)驗(yàn)加課程設(shè)計(jì)”的模式使得教學(xué)內(nèi)容較為單一，綜合訓(xùn)練程度不夠，缺少系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。

4）實(shí)驗(yàn)考核重視不足

實(shí)驗(yàn)一般作為平時(shí)成績計(jì)入總成績。以我們學(xué)院為例，平時(shí)成績占總成績的30%，但平時(shí)成績一般包括平時(shí)表現(xiàn)、平時(shí)作業(yè)、課程設(shè)計(jì)等。所以，即使和課程設(shè)計(jì)放一起算，實(shí)驗(yàn)所占的比重也非常少，這就很難引起學(xué)生的重視。

5）課程之間缺乏聯(lián)系，各自為戰(zhàn)

數(shù)字電路、微機(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)原理與應(yīng)用、計(jì)算機(jī)組成原理、嵌入式系統(tǒng)計(jì)等課程的教與學(xué)都是各自為戰(zhàn)，各門課程間缺乏相應(yīng)聯(lián)系， 學(xué)生很難駕馭整個(gè)知識(shí)體系。作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，給人的第一感覺是軟件編程，硬件似乎并不是本專業(yè)的強(qiáng)項(xiàng)?；谶@種片面觀念，無論是在決策階層還是在廣大學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中， 都或多或少的出現(xiàn)了“重軟輕硬”的傾向。在某一程度上，這是與培養(yǎng)全面發(fā)展的應(yīng)用型人才相背離的，由此造成了學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)深造或職業(yè)發(fā)展道路上的硬件瓶頸。當(dāng)然，在這種問題的背后，也隱藏著硬件課程教與學(xué)中存在的一些問題。

3 改革探索

聯(lián)系我校的課程改革，下面從計(jì)算機(jī)硬件理論教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)教學(xué)教學(xué)體系兩個(gè)方面進(jìn)行探索，并提出相關(guān)建議。

3.1理論教學(xué)體系探索

1）加強(qiáng)課程群建設(shè)，突出硬件課程之間的聯(lián)系

通過面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程群建設(shè)，建議把數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)組成原理、嵌入式系統(tǒng)課程結(jié)合。數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)組成原理、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程在課程知識(shí)、研究方法等方面具有密切的內(nèi)在聯(lián)系。比如數(shù)字電路課程為硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)課程，使學(xué)生深入理解電路處理信息能力，為后繼計(jì)算機(jī)組成原理課程輸出必要且符合規(guī)范的ALU、Register Files等部件與組件；計(jì)算機(jī)組成原理課程使學(xué)生深入理解CPU和挖掘CPU性能能力，為后續(xù)課程嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程輸出必要且符合規(guī)范的CPU、存儲(chǔ)器、中斷和GPIO等子系統(tǒng)和部件[8]。這種課程有機(jī)結(jié)合的形式，有助于學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。

微機(jī)原理與接口技術(shù)課程與單片機(jī)原理與應(yīng)用課程相結(jié)合。這兩者具有很多的共同點(diǎn)，比如都是核心芯片（微處理器和單片機(jī)）與接口的擴(kuò)展和應(yīng)用。所以，可以微機(jī)原理與接口技術(shù)以理論為主，講清原理，而單片機(jī)原理與應(yīng)用課程可以完全交給學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐。

2）結(jié)合多媒體技術(shù)，加強(qiáng)課程理論的理解

現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)應(yīng)用與教學(xué)改革，教室一般配備完善的多媒體設(shè)備，教師大多可以使用多媒體技術(shù)進(jìn)行教學(xué)。通過多媒體設(shè)備和多媒體課件的綜合運(yùn)用，可以使原本晦澀抽象的知識(shí)加以具體化、可視化，從而使學(xué)生易于理解，比如計(jì)算機(jī)組成原理課程中的流水線設(shè)計(jì)等可以通過有效的動(dòng)畫加以演示。同時(shí)以實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)配合教學(xué)，來加深學(xué)生對(duì)硬件課程的理解，進(jìn)而提高學(xué)生的編程能力，化抽象為形象，側(cè)重講原理、講應(yīng)用。

3）網(wǎng)絡(luò)課堂作為課堂教學(xué)的有效擴(kuò)充和擴(kuò)展。

網(wǎng)絡(luò)課程可以解決教學(xué)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的問題：學(xué)生與答疑教師交流不方便、實(shí)時(shí)性差、教師與學(xué)生之間不能充分溝通等。同時(shí)學(xué)生可以進(jìn)行網(wǎng)上自測：每章節(jié)都選取了一定數(shù)量的判斷題和選擇題，包括理論習(xí)題集和理論試題，供學(xué)生自學(xué)時(shí)進(jìn)行測試。學(xué)生可以通過校園網(wǎng)下載授課內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)或復(fù)習(xí)。

網(wǎng)絡(luò)課堂同時(shí)使分層次教學(xué)變得簡單易于實(shí)現(xiàn)。教師可以上傳一些課堂的擴(kuò)展資料，供學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行自學(xué)。如微機(jī)原理與接口技術(shù)課程，課堂上集中于8086的講解，同時(shí)在網(wǎng)站上上傳一些80286到pentium微處理器的知識(shí)，以滿足不同層次學(xué)生的需求。

3.2實(shí)踐教學(xué)體系探索

1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多元化

實(shí)行開放性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)， 提高學(xué)生綜合能力。采用虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際制作相結(jié)合、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)相結(jié)合、傳統(tǒng)面包板和現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)箱相結(jié)合的方式，并大膽實(shí)施分級(jí)教學(xué)，創(chuàng)建項(xiàng)目小組自學(xué)。教師在講完理論知識(shí)后，引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手制作電子作品，讓他們?cè)趯?shí)踐中加深對(duì)理論知識(shí)的理解。如講解完單片機(jī)原理與應(yīng)用課程前幾章后，可以讓學(xué)生利用面包板自己動(dòng)手設(shè)計(jì)一個(gè)最小單片機(jī)系統(tǒng)。

2）課程設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)式

將課程設(shè)計(jì)作為一個(gè)綜合案例貫穿于相應(yīng)硬件教學(xué)中，將原來期末布置的課程設(shè)計(jì)擴(kuò)展到整個(gè)教學(xué)過程中，邊學(xué)邊設(shè)計(jì)，到期末時(shí)各小組完成整個(gè)課程設(shè)計(jì)，同時(shí)開發(fā)出簡單實(shí)用的電子產(chǎn)品以及對(duì)應(yīng)電子產(chǎn)品的開發(fā)指南視頻。這些電子產(chǎn)品可以是一些常見的電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程（如萬年歷、頻率計(jì)、溫、濕度測量儀、交通信號(hào)燈模擬控制系統(tǒng)、計(jì)時(shí)器等），也可以是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中學(xué)生的成果。這些產(chǎn)品與課本理論知識(shí)緊密相連，能夠使學(xué)生將理論應(yīng)用于實(shí)踐，又具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，激發(fā)學(xué)生的興趣。

3）以賽促學(xué)

專業(yè)技術(shù)課，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程?；谠撎攸c(diǎn)，所以教學(xué)當(dāng)中始終堅(jiān)持與實(shí)踐緊密結(jié)合：即與實(shí)驗(yàn)、大學(xué)生課外科技活動(dòng)、各類競賽以及與學(xué)生實(shí)際能力相適應(yīng)的科研相結(jié)合；及時(shí)地將接口最新的技術(shù)、發(fā)展和教師的科研成果融入到教學(xué)內(nèi)容中去。我校學(xué)生已參加多屆全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽及暑期培訓(xùn)工作，成績斐然。

4）加強(qiáng)課程實(shí)驗(yàn)監(jiān)管， 加大課程實(shí)驗(yàn)權(quán)重

考核分三部分：實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目考核，對(duì)每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行考核，考察學(xué)生對(duì)實(shí)踐知識(shí)點(diǎn)的掌握；課程設(shè)計(jì)考核，考察學(xué)生綜合實(shí)踐能力；創(chuàng)新能力考核，考察學(xué)生創(chuàng)新能力。近幾年，學(xué)院出臺(tái)一系列措施，提高學(xué)生對(duì)實(shí)踐能力的重視，包括實(shí)踐抵學(xué)分。比如學(xué)生參加山東省電子設(shè)計(jì)競賽后，相應(yīng)的課程可以免修。這樣，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4 結(jié)論

目前高校中計(jì)算機(jī)專業(yè)開設(shè)的硬件類課程雖然內(nèi)容不同、各有側(cè)重但在教與學(xué)中卻存在一些共同的問題， 影響了硬件類課程的教學(xué)效果， ， 同時(shí)受到諸多方面因素的影響，無法有機(jī)地結(jié)合和貫穿， 導(dǎo)致理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想。本文結(jié)合自己的一點(diǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，給出了相關(guān)的建議。硬件課程的更高效更好地開展，更需要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)手段、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面進(jìn)行整合與更新，從而培養(yǎng)社會(huì)所需的系統(tǒng)性綜合人才。

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