基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的硬件課程群的研究

劉利琴

摘 要

系統(tǒng)能力培養(yǎng)是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的大勢所趨，結(jié)合硬件課程的特點(diǎn)對相關(guān)課程進(jìn)行研究分析，建立模塊化的教學(xué)體系可以被認(rèn)為是切實(shí)實(shí)行硬件課程群改革的有效手段。

關(guān)鍵詞

系統(tǒng)能力;硬件課程群;模塊化教學(xué)

中圖分類號： TP3-4;G642.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.16.011

1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力

系統(tǒng)能力是計(jì)算機(jī)類專業(yè)人員創(chuàng)新的基礎(chǔ)保證，系統(tǒng)能力培養(yǎng)將積極促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力，以滿足新工科建設(shè)及提高本科學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的目標(biāo)。

我國教育部通過對計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生從能力培養(yǎng)和實(shí)踐教學(xué)體系等方面進(jìn)行研究，從而明確了計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生應(yīng)該要具有的四大專業(yè)基本能力，其中系統(tǒng)能力則占這四大能力中的75%。而我們對系統(tǒng)能力又進(jìn)行了劃分，包括系統(tǒng)認(rèn)知、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)開發(fā)和系統(tǒng)應(yīng)用能力。

系統(tǒng)能力培養(yǎng)是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的大勢所趨，新華學(xué)院信息工程學(xué)院教師近幾年來一直積極參加計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)研討會(huì)、培訓(xùn)會(huì)及學(xué)生競賽。

作為一個(gè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的高等院校，計(jì)算機(jī)硬件課程體系應(yīng)該涵蓋諸如計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成的開發(fā)和應(yīng)用技術(shù)等相關(guān)知識，同時(shí)需要熟悉計(jì)算機(jī)內(nèi)部的工作原理、接口技術(shù)及應(yīng)用。計(jì)算機(jī)硬件系列課程主要包括：電路分析、數(shù)字邏輯電路、微機(jī)原理、計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)原理、操作系統(tǒng)以及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等課程。該系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力體系，它描述了從芯片結(jié)構(gòu)到系統(tǒng)集成、從原理到應(yīng)用程序、從單個(gè)系統(tǒng)到多網(wǎng)格系統(tǒng)再到完整的計(jì)算機(jī)物理體系結(jié)構(gòu)，以及配備計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，可以使學(xué)生熟悉完成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概念，進(jìn)而具有很高的應(yīng)用能力。

2 計(jì)算機(jī)硬件課程現(xiàn)狀

目前，高等學(xué)校的計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)主要集中在課程上，在這些課程中，教材只注重課程的邏輯，而沒有考慮到整個(gè)計(jì)算機(jī)設(shè)備的系統(tǒng)性，而且缺乏作為參考主線的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。除此之外，計(jì)算機(jī)硬件課程的內(nèi)容是一致且連續(xù)，因?yàn)樗c先前的后續(xù)課程密切相關(guān)，而如果先前的課程尚未得到很好的銜接，會(huì)加速導(dǎo)致本課程的教學(xué)更加困難。因此存在各大高校都有“欺軟怕硬”現(xiàn)象。

硬件課程相對軟件課程來說，枯燥乏味，有時(shí)候看不到直接的效果，吸引不了學(xué)生。硬件課程分別有相關(guān)老師負(fù)責(zé)授課，但是各個(gè)老師只負(fù)責(zé)帶課，并沒能就這些課程的相關(guān)知識進(jìn)行融合，從而涉及的教學(xué)內(nèi)容過多重復(fù)。

現(xiàn)在出現(xiàn)“欺軟怕硬”之現(xiàn)象，基于安徽新華學(xué)院當(dāng)前現(xiàn)狀進(jìn)行如下分析：

（1）重軟輕硬

與硬件課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)主要集中在測試實(shí)驗(yàn)上，也可以說是驗(yàn)證性，這些實(shí)驗(yàn)通常缺乏計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的通用設(shè)計(jì)，缺乏綜合的實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)，更不用說無法集成有關(guān)對多門硬件課程的融合。

（2）教師之間交叉帶課少

每個(gè)老師守好自己的“一畝三分地”，經(jīng)常固定帶一到兩門課程，雖然會(huì)對所授課程有著很深的見解，但是無法得到更深的相關(guān)感受和體會(huì)，從而阻礙了課程的發(fā)展，建議作為資深老教師要加入其他相關(guān)課程中去，從而把這些課程進(jìn)行融會(huì)貫通，得到更好的學(xué)習(xí)。

（3）實(shí)驗(yàn)室建設(shè)未能達(dá)到融合

所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)室能夠滿足《電路分析》、《數(shù)字邏輯電路》和《計(jì)算機(jī)組成原理》的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，而這些實(shí)驗(yàn)也只是基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)，但是這些實(shí)驗(yàn)還都是獨(dú)立完成，相關(guān)課程還不能達(dá)到相關(guān)融合。

3 模塊化教學(xué)的研究

近年來，我們老師在各種課程中積極參與各種學(xué)術(shù)研究和教育改革，嘗試各種教學(xué)方法。在MOOC/SPOC翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式、CDIO工程教育模式、BOPPPS教育模式及精品資源課程建設(shè)方面均取得了一定的成績，《微機(jī)原理與接口技術(shù)》這門課獲批省級精品課程，且順利結(jié)題，同時(shí)這門課申請MOOC教學(xué)改革，不少教師參與了MOOC的錄制，《數(shù)字邏輯電路》這門課也作為校級精品課程從考試方式方法改革、教學(xué)方法改革方面進(jìn)行各種嘗試，而《計(jì)算機(jī)組成原理》也已經(jīng)成功獲批省級MOOC，大家正在進(jìn)行錄制準(zhǔn)備中。涉及領(lǐng)域如圖1所示。

引入模塊化教學(xué)體系是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的可行方法，推行模塊的教學(xué)體系，是加快應(yīng)用型人才培養(yǎng)的關(guān)鍵因素。相關(guān)內(nèi)容如圖2所示。

從圖2中所示，不同的需求能力需要相應(yīng)的課程來支撐，而這些課程就可以劃分成相應(yīng)的模塊，從而構(gòu)成相應(yīng)的模塊單元，最后在將這些模塊教學(xué)單元加以綜合和完善，就形成了計(jì)算機(jī)專業(yè)的完整的教學(xué)體系。如圖3可以看出，嵌入式開發(fā)能力的實(shí)現(xiàn)需要計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)模塊作為其堅(jiān)實(shí)的根基，在此基礎(chǔ)上才能進(jìn)一步學(xué)習(xí)電路、微機(jī)原理等。

這個(gè)體系中，課程是最基本的，將涉及的課程之間的關(guān)系需要理順，誰是先導(dǎo)課程，誰又是后續(xù)課程等等，從而進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容遞進(jìn)式的講授。

首先研究學(xué)習(xí)的是硬件課程中的《數(shù)字邏輯電路》和《計(jì)算機(jī)組成原理》，這兩門課程有何關(guān)聯(lián)，如何實(shí)現(xiàn)有效的融合，是重點(diǎn)關(guān)注的

相關(guān)實(shí)施方法如下：

在研究過程中，我們以數(shù)字邏輯電路和計(jì)算機(jī)組成原理課程為研究主體，形成4到5人的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，主要研究如下：數(shù)字邏輯電路開展課程設(shè)計(jì)，且利用基于FGPA的口袋芯片讓學(xué)生很好地感受最基礎(chǔ)的知識，為更好地進(jìn)行組成原理課程建設(shè)，從而達(dá)到一定的融合效果。

以數(shù)字邏輯電路和計(jì)算機(jī)組成原理的融合案例，從而嘗試新的課程群建設(shè)。掌握數(shù)字邏輯電路相關(guān)知識，要能夠?qū)崿F(xiàn)CPU的基本功能部件（如寄存器、計(jì)數(shù)器、節(jié)拍發(fā)生器等）。學(xué)完計(jì)算機(jī)組成原理，結(jié)合數(shù)字邏輯電路知識，可以實(shí)現(xiàn)若干條指令的CPU流水。同時(shí)將競賽為突破口更好地服務(wù)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力融合，以賽促學(xué)，將相關(guān)硬件課程融合，推進(jìn)模塊化教學(xué)改革，加強(qiáng)應(yīng)用型課程改革，提高教師自身能力，帶動(dòng)學(xué)生應(yīng)用能力的提升，為學(xué)科競賽儲備力量。

當(dāng)然要想完成上面課程的融合，專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境也要跟上，即要完成實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，是其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，畢竟實(shí)踐才能出真知，這是掌握理論知識的最有效的方式。

采用硬件課程群實(shí)驗(yàn)交叉設(shè)計(jì)，前導(dǎo)課程的“提高”要求與后繼課程的“基本”要求進(jìn)行銜接，這點(diǎn)非常關(guān)鍵。

所以要想達(dá)到預(yù)期效果，必須進(jìn)行相關(guān)改革，比如課程的改革，包括授課形式、考核方式、三綱兩書等改變;競賽所涉及的課程植入競賽所需知識點(diǎn)，以賽促學(xué);健全專業(yè)實(shí)驗(yàn)室資源等等。

總之，硬件課程群的相關(guān)教學(xué)，需要進(jìn)行改革，讓同學(xué)們對此產(chǎn)生興趣，才是保障和前提。

參考文獻(xiàn)

[1]陸楓.面向大數(shù)據(jù)時(shí)代的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)改革與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2017，（03）：33-36.

[2]莊錫釗.計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)模塊化教學(xué)研究[J].課程教育研究，2019（50）：171.

[3]呂弘.計(jì)算機(jī)專業(yè)課程項(xiàng)目化、模塊化教學(xué)改革研究[J].數(shù)字通信世界，2020（02）：252.