計算機類專業(yè)硬件基礎(chǔ)課程群建設(shè)與探索

朱貴憲

（安陽工學(xué)院，河南 安陽 455000）

計算機類專業(yè)包括計算機科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程、軟件工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)，其中計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在一些工科院校中開設(shè)歷史較長，是相對比較成熟的專業(yè)，但是在制定專業(yè)人才培養(yǎng)方案過程中，對于硬件類課程如何定位？需要開設(shè)哪些課程？目前仍然存在一些不同的看法，由于各高校對課程教學(xué)質(zhì)量的嚴(yán)格把控，要求越來越規(guī)范，任課教師更加注重講授好自己所帶的課程，至于各硬件類課程之間其內(nèi)在聯(lián)系是什么樣的？各課程之間的知識點是如何遞進(jìn)、相互支撐的？一些任課教師對此類問題并不太關(guān)注，較少進(jìn)行深入的思考，因此，本文參考計算機類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)，選擇計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案為研究對象，認(rèn)真梳理了計算機硬件基礎(chǔ)類課程應(yīng)該開設(shè)的科目以及各課程當(dāng)中重要的知識點，分析了各門硬件類課程之間知識點的銜接與遞進(jìn)關(guān)系，較好的回應(yīng)了上述問題，為今后更好的開展計算機硬件基礎(chǔ)類課程的教學(xué)提供了參考意見。

一、計算機系統(tǒng)軟硬件之間的關(guān)系及硬件類課程在專業(yè)課程體系中的定位

計算機作為一個復(fù)雜的系統(tǒng)，由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個部分組成，硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂。沒有硬件基礎(chǔ)，靈魂無法依托，沒有軟件控制，計算機無法完成自行計算。軟硬件相互依存，缺一不可，深入學(xué)習(xí)計算機專業(yè)，必須學(xué)習(xí)一定量的硬件知識，但是只重視硬件學(xué)習(xí)，忽視軟件學(xué)習(xí)，屬于輕重倒置，反之，只重視軟件學(xué)習(xí)，徹底放棄硬件基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，則不能全面了解和認(rèn)識計算機系統(tǒng)，影響后續(xù)專業(yè)水平的提升。根據(jù)計算機學(xué)科專業(yè)發(fā)展方向的不同，適當(dāng)選取一定量的硬件基礎(chǔ)課程進(jìn)行學(xué)習(xí)研究，是很有必要的。同時也符合計算機專業(yè)人才培養(yǎng)方案中寬口徑、厚基礎(chǔ)的培養(yǎng)模式。

二、計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)核心課程體系中的硬件基礎(chǔ)類課程

2018年1月30日，教育部公布《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》，參考其中的計算機類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)計算機類專業(yè)知識體系和核心課程體系的建議，對計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)核心課程體系中硬件類課程進(jìn)行抽取，抽取結(jié)果如表1所示。

表1 計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)核心課程體系中的硬件類課程

根據(jù)表1抽取結(jié)果可以看出，在計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)核心課程體系中，都安排有2至4門硬件基礎(chǔ)類課程，總學(xué)時約為150至220學(xué)時。硬件類課程具體應(yīng)該開設(shè)哪些課程，還是要根據(jù)不同院校計算機專業(yè)的專業(yè)特色、拓展方向來決定，計算機類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)中既提出了基本要求和參考標(biāo)準(zhǔn)，又提供了多種方案供大家選擇。

多數(shù)高校根據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn)，在計算科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案中安排的硬件類課程主要有：電路與電子技術(shù)，數(shù)字邏輯，計算機組成原理，計算機體系結(jié)構(gòu)等，這些課程合起來稱為計算機硬件基礎(chǔ)課程群，在計算機專業(yè)人才培養(yǎng)方案中，對硬件類課程的排課要求是堅持以夠用為原則，門數(shù)不宜太多，學(xué)時也不宜太長，能夠支撐后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)即可。

三、硬件基礎(chǔ)類課程中的主要章節(jié)及核心內(nèi)容

參考普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材，匯總計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)硬件基礎(chǔ)類課程中的主要章節(jié)及核心內(nèi)容，結(jié)果如表2所示。

表2 計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)硬件類課程主要章節(jié)及核心內(nèi)容

根據(jù)表2提供的內(nèi)容，既可以了解和分析各門課程的主要章節(jié)及重要知識點，也可以對相似課程進(jìn)行比較，找出它們之間相同的知識點與不同的知識點，以便在制定人才培養(yǎng)方案過程中合理選擇與取舍相似的課程，下面選擇幾門相似課程進(jìn)行分析探討。

1、數(shù)字電子技術(shù)與數(shù)字邏輯兩門課程知識點的異同

通過比較可以看出，兩門課程的知識點大部分相同，但有少數(shù)知識點不同，兩門課程的異同點如表3所示。不同之處在于：在數(shù)字電子技術(shù)里面，各教材都講到了脈沖波形的產(chǎn)生和整形，數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換等內(nèi)容，在數(shù)字邏輯課程里面，脈沖波形的產(chǎn)生和整形，數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換往往作為選學(xué)內(nèi)容，此外，數(shù)字邏輯課程里面往往還增加了硬件描述語言，數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計等內(nèi)容，以便為后續(xù)某些專業(yè)課程（如EDA技術(shù)及應(yīng)用）打基礎(chǔ)。從專業(yè)選修的角度來說，數(shù)字電子技術(shù)往往開設(shè)于電子信息類專業(yè)，數(shù)字邏輯課程多數(shù)開設(shè)于計算機類專業(yè)。

2、計算機組成原理與計算機體系結(jié)構(gòu)兩門課程的區(qū)別與聯(lián)系

表3 數(shù)字電子技術(shù)與數(shù)字邏輯課程的區(qū)別

計算機體系結(jié)構(gòu)是計算機組成原理的后續(xù)課程。兩門課程既有區(qū)別，又有聯(lián)系，如果把構(gòu)建一個計算機系統(tǒng)比作建造一座房子的話，計算機體系結(jié)構(gòu)如同建造房子的圖紙，負(fù)責(zé)基本功能框架的設(shè)計，計算機組成原理負(fù)責(zé)工程的具體施工，比如建筑材料的購買與房屋的搭建，兩座房屋外觀相似，功能相似（屬于結(jié)構(gòu)問題），但使用的建造材料（屬于組成問題）不一定相同，工程造價也可能有比較大的差別。使用高級語言編程的程序員類似于一般用戶，關(guān)注的是房子居住舒適度，各項功能是否滿足，系統(tǒng)運行是否正常，至于功能是怎樣實現(xiàn)的（比如熱水器，燃?xì)庠畹裙ぷ髟砼c過程）則是忽略的。計算機系統(tǒng)中，是否具備某項功能（指令系統(tǒng)功能設(shè)計），屬于計算機結(jié)構(gòu)問題，該功能是如何實現(xiàn)的（每一條指令的實現(xiàn)過程），則屬于計算機組成問題。

通過對上述各課程的分析，可為計算機硬件基礎(chǔ)類課程的選課和排課提供參考，有利于更加合理的制定計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案。

四、硬件基礎(chǔ)類課程中各課程之間知識遞進(jìn)與支撐關(guān)系

電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（或數(shù)字邏輯）皆屬于計算機類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，根據(jù)專業(yè)方向和學(xué)時安排的需要，有的高校把上述三門課程合并成一門課程開設(shè)，稱為計算機電路基礎(chǔ)（或稱計算機電子電路技術(shù)），有的高校把上面三門課程安排成兩門課程開設(shè)，稱為計算機電子電路技術(shù)——電路與模擬電子部分和計算機電子電路技術(shù)——數(shù)字電子技術(shù)部分，也有部分學(xué)校開設(shè)電路分析基礎(chǔ)和電子技術(shù)基礎(chǔ)兩門課程（把模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)合并為電子技術(shù)基礎(chǔ)課程）。開課順序是先學(xué)習(xí)電路分析基礎(chǔ)，再學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，最后學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯（或數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)），上述課程學(xué)過之后，可進(jìn)行計算機組成原理和計算機體系結(jié)構(gòu)等后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，一般情況下，這些硬件類課程應(yīng)該安排在大一、大二兩個學(xué)年，進(jìn)入大學(xué)三年級后，開始專注于專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，各門硬件類課程開課順序如圖1所示：

各硬件類課程依靠核心知識點相互關(guān)聯(lián)、前后支撐、逐步遞進(jìn)，電路分析基礎(chǔ)知識點對模擬電子技術(shù)課程起支撐作用，模擬電子技術(shù)知識點對數(shù)字電子技術(shù)課程起支撐作用，電子技術(shù)基礎(chǔ)中的知識點對計算機組成原理、計算機體系結(jié)構(gòu)課程起支撐作用，各門課程之間的支撐關(guān)系如圖2所示。

隨著學(xué)習(xí)的深入，可以發(fā)現(xiàn)，硬件類課程之間的支撐關(guān)系不是一些知識點簡單無效的重復(fù)，而是知識的逐步遞進(jìn)、融合與延伸，有些課程知識點之間存在著直接支撐，如某些硬件類課程之間就存在直接支撐關(guān)系，有些課程知識點之間存在著間接支撐，如某些軟件類課程和硬件類課程之間就有可能存在間接的支撐。這里僅以模擬電子技術(shù)與數(shù)字電子技術(shù)課程（合稱電子技術(shù)基礎(chǔ)）中部分章節(jié)對計算機組成原理課程的直接支撐作用為例，來說明電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中的知識點對計算機組成原理課程的支撐作用，這幾門課程之間依靠知識點構(gòu)筑起的支撐關(guān)系如圖3所示：

圖1 硬件基礎(chǔ)類課程開課順序

圖2 硬件基礎(chǔ)類課程之間的支撐關(guān)系

圖3 電子技術(shù)基礎(chǔ)知識點對計算機組成原理課程的支撐作用

熟悉了各課程之間知識點的支撐關(guān)系，就可以從更高的視角（由平視各門課程變?yōu)楦┮曊麄€課程體系）來組織教學(xué)，既能看到單一課程的獨立性，也能看到各門課程之間的關(guān)聯(lián)性，從而做到有的放矢，重點突出，有利于教學(xué)質(zhì)量的提高。

五、硬件基礎(chǔ)類課程知識點對專業(yè)課程的支撐作用

單片機原理及應(yīng)用是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)課，融合了硬件知識、軟件編程、傳感器、電子測量等諸多知識要素。這里以單片機原理及應(yīng)用這門課程當(dāng)中一個簡單的應(yīng)用系統(tǒng)（如圖4所示）為例，探討硬件基礎(chǔ)類課程對專業(yè)課程的支撐作用。

該單片機應(yīng)用系統(tǒng)的作用是：當(dāng)按鍵開關(guān)S2按下時，蜂鳴器發(fā)出音樂報警，同時LED也隨之閃爍。從系統(tǒng)硬件組成（或元器件組成）來看，里面包含了電阻、電容、開關(guān)、晶振，PNP三極管（放大電路原理），發(fā)光二極管、蜂鳴器，電源，要想熟悉這些部件的作用及工作原理，就需要學(xué)習(xí)并掌握電路分析和模擬電路等課程的知識，從更深入的角度來分析理解單片機原理及應(yīng)用這門課程，還需要掌握數(shù)字邏輯，計算機組成原理等課程當(dāng)中的知識，同時從軟件角度來說，需要掌握匯編語言和C語言等編程語言。

圖4 單片機應(yīng)用系統(tǒng)示例

六、在硬件基礎(chǔ)類課程中探索實施模塊化教學(xué)

利用硬件基礎(chǔ)類課程知識點的關(guān)聯(lián)性及其前后課程的支撐作用，可探索實施模塊教學(xué)，其優(yōu)點在于：首先，模塊化教學(xué)從專業(yè)整體視角來看待每門課程在人才培養(yǎng)方案中所起的作用，易形成專業(yè)知識的系統(tǒng)化，避免知識的碎片化，其次，模塊化教學(xué)可以有效利用教學(xué)學(xué)時，提高學(xué)習(xí)效率，減少重復(fù)學(xué)習(xí)某些相似的知識內(nèi)容，比如數(shù)制與代碼模塊，好幾門課程都有涉及，有的在大學(xué)計算機基礎(chǔ)里面講到，有的在計算機導(dǎo)論里面講到，有的在數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（或數(shù)字邏輯）里面講到，有的在計算機組成原理里面講到，之所以上述課程都設(shè)立這樣一個章節(jié)，是因為各教材作者希望保證每門課程的完整性和獨立性，所以造成了專業(yè)課程體系結(jié)構(gòu)中知識點的冗余，在模塊化教學(xué)中，則可設(shè)立一個獨立的模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)。為此，在硬件類課程學(xué)習(xí)過程中，打破課程界限，以有利于計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)為根本原則，把計算機硬件課程群劃分為幾個模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)，其中每個知識模塊的知識點如表4所示：

表4 知識模塊及相應(yīng)知識點

路分析模塊，數(shù)制與代碼模塊，邏輯電路模塊，計算機組成原理模塊，匯編語言模塊，接口技術(shù)模塊，共七個模塊，可安排2到3個熟悉相關(guān)模塊的教師進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)過程中，要注重實踐教學(xué)，保證教學(xué)質(zhì)量。

結(jié)語

通過上面的分析可以看出，計算機類專業(yè)硬件基礎(chǔ)課程群主要包含電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)，數(shù)字邏輯，計算機組成原理，計算機體系結(jié)構(gòu)等課程，根據(jù)每個學(xué)校的專業(yè)特色，科學(xué)制定人才培養(yǎng)方案，按照課程之間的支撐關(guān)系，合理安排若干門硬件類課程，每門課程的學(xué)時做到數(shù)量適中，并保留足夠的實驗學(xué)時。教學(xué)過程中，任課教師之間要勤于溝通，重視各門課程之間知識點的銜接，做到不重復(fù)、不遺漏重要知識點，加強實踐教學(xué)力度，不斷總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗，逐步探索實施模塊化教學(xué)，經(jīng)過師生的共同努力，扎實做好硬件基礎(chǔ)類課程的教學(xué)，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下一個良好的基礎(chǔ)。