高校计算机硬件基础课程教学

点赞:10868 浏览:45708 近期更新时间:2024-01-25 作者:网友分享原创网站原创

摘 要:在计算机硬件技术基础课程中开展了“口袋实验室”的探索.为学生提供软硬件资源,在课后进行自主学习与创新,提高了教学效果.

关 键 词:软件基础,教学探索,高校计算机

中图分类号:G642.0文献标志码:A文章编号:1674-9324(2014)42-0165-03

一、引言

随着信息技术的发展,计算机硬件基础课程已经成为了理工科专业学生的必修课程,它的综合性和实践性强,是后续专业课程学习的基础.该课程是硬件和软件相结合的一门课程,在硬件设计方面,达到能设计接口电路的水平,在软件开发方面,培养学生使用汇编语言或者C语言进行程序设计的能力,达到能编写接口程序和设备驱动程序的水平.通过该课程的学习,使学生掌握计算机的基本组成结构和工作原理,更重要的是使学生掌握硬件电路设计与应用开发能力,培养学生运用理论知识解决实际问题,因此课程的实践性非常强.

二、计算机硬件基础课程教学中存在的问题


由于该课程教学内容比较抽象,知识点多,学生普遍反应不好学,学习起来缺乏兴趣,这样就更加大了该课程在教学上的难度.主要体现在以下几个方面:

(一)在教学方法方面

传统的教学方法基本以教师讲授为主,学生大多只是被动地接受.由于课程涉及的概念多、专有名词多、接口芯片多,理论基础复杂,往往使初学的学生感觉入门较难.计算机的接口设备之间通常使用汇编语言编程,而该语言属于低级语言,编程复杂,比C语言等高级语言更难掌握,单纯理论讲授使学生难以理解,会使学生觉得枯燥无味,失去学习的兴趣.由于该课程的逻辑性和完整性强,计算机的内部结构是指令系统的基础,不同的CPU采用的指令各不相同,而指令系统又是汇编语言程序设计的基础,指令掌握不好,就会给编程带来困难,各部分知识衔接紧密,一环扣一环,因此,学生必须全面地掌握各个知识点,否则将会严重地影响学习效果.该课程还有一个特点就是硬件电路图多,接口芯片应用举例多,包括各种芯片的内部结构图、时序图、硬件电路图等,接口芯片的应用不仅仅要设计硬件电路,而且要编写应用程序,画出程序流程图等.

由于硬件学习的难度较大,因此在学生中普遍存在重视软件忽视硬件的现象.产生这种倾向的原因是多方面的:一方面是硬件课程掌握起来花费的时间多,个别学生存在急功近利的错误认识等,另一个重要的方面是硬件系列课程的教学改革力度不够,使得目前的教学方法无法与飞速发展的计算机技术接轨,无法满足学生获取新知识的需求.

(二)在教学内容方面

计算机硬件基础课程基本上都是以微机或者单片机为蓝本来学习计算机原理,教材内容覆盖面大.课程往往是以8086/8088、80386或是80486微机的结构为主线,首先讲不同类型微机的硬件结构以及对应的指令系统,然后是基于该系统的汇编语言程序设计,最后是各种接口芯片的结构及应用.但是由于理论学时有限,在教学过程中只能够选择一种微型机芯片或者是某种型号的单片机进行教学,为了适应微型计算机系统的飞速发展,必须改革教学内容,既要强化基础知识,又要加强对学生应用能力的培养,既要把典型的微型计算机原理和架构传授给学生,又要把计算机技术发展的最新水平和状况介绍清楚,使学生能够举一反三、触类旁通,通过学习一种典型的芯片达到对同类芯片的普遍认知,从而具备独立自主的学习能力.其次,随着信息技术的高速发展,微型计算机更新换代频繁、新产品和新技术不断涌现,硬件基础教学中的基础性和先进性、前沿性的矛盾比较突出.当今的微型计算机已经从原来的32位全面进入64位.而现在的教学中还是以16位微机为基础的.因此,该课程内容显得繁杂难学,跟不上时代.

教学内容的改革主要思想是要增加对现代微型计算机系统的介绍.在常规教学内容的基础上,增加现代微机系统中的新技术、新应用和新方法,如USB总线技术、高速缓存Cache技术、多核技术、高性能计算机、计算机体系结构等知识的介绍,以32位微机的典型代表80486和Pentium作为基础教学内容,选用教材也应该反应这种变革,同时兼顾64位微机的介绍.这样既开阔了学生的视野,让学生能更深入地理解软、硬件结合设计系统的方法,又能增强学生将来就业的竞争性.

(三)在实践教学方面

由于计算机硬件基础课程是一门实践性非常强的课程,只有通过实践才能真正地理解其中的知识点,使学生不仅知其然,而且知其所以然.当今社会提倡创新能力的培养,学生如果不通过动手实践,只是死记硬背书上的理论,无法达到教学的目的.但是,由于实践教学中存在的实验设备不足、方法单一,实验内容不能达到学生能力培养的目的,再加上知识点多,学生的学习时间有限,忽视对实验结果的深入分析和理解,导致部分对实践教学内容失去兴趣,往往难以把实验的内容应用在后续的学习和工作中.因此,当前的实践教学无法培养学生必要的设计、创新能力,无法使学生感受到所学知识的应用价值,有必要在这一基础上进行能力培养的扩展.以为国家培养合格人才为目标,重视实践教学的作用,改进教学内容,把实践教学放到和理论教学同等重要的地位.

现在的硬件基础实验多为验证性实验,缺乏综合性实验和设计性实验.学生往往是照抄书上的程序,然后在实验设备上运行来观察运行结果,没有充分发挥学生的创新思维能力,更无法提高学生自主学习获取知识的能力,因此教学效果不理想.目前大,多数高校计算机硬件基础课程都是采用某种类型芯片的实验箱进行,而这些实验箱提供的实验内容为固定模块化的组织形式,学生只需要连接较少的导线,输入现成的程序就可以完成实验,由于实验内容和方法的局限性,学生处于被动接受的地位,从而使学生无法发挥主动性和创造性.

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三、基于“口袋实验室”的实践教学新模式

以往学生做硬件类实验都必须在硬件基础实验室里进行,用到的实验器材包括面包板、电源、万用表、示波器等,但是由于实验仪器陈旧、老化,实验内容落后于技术的不断发展.而且由于学生人数远远多于实验设备数,往往是几个学生一组做一个实验.甚至有时候由老师将实验过程和结果向学生展示,而学生得不到充分的应用实验设备的机会.随着新技术的发展,目前的小型硬件开发板已经可以通过USB接口连接到电脑上,再配合图形界面的闪存编程器和调试工具等就能完成硬件基础实验,让学生的实验不再局限于在传统的实验室进行.国内一些高校已经开始推行“口袋实验室”的教学创新,口袋实验室是将名片大小的实验板卡发到每个学生的手上,装在口袋里可以随身携带,随时操作,在完成各种基本实验的基础上,激发学生的兴趣,发挥学生的独创精神.清华大学、华中科大、浙江大学等国内名牌高校已经开始大力推行口袋实验室的实践和创新,其他高校也紧随其后.比如,华中科技大学电信系的150名学生每人拿到了德州仪器(TI公司)捐赠的一块能揣进口袋,仅有名片大小的LaunchPad开发板,学生可以在寝室、图书馆等地轻松做实验.清华大学学生则获得了Xilinx公司捐赠的Spartan3开发板.浙江大学的学生以分组的模式开展,每个小组使用一块开发板.为使学生真正掌握所学内容,不设实验室实验,学生分组后发给实验板和软件,课下自行安排,不设统一的作业,由分组学生自行讨论后制定设计课题,以发挥学生的创造性和积极性.不设笔试性考核,进行全部学生参加的各组自选课题大作业演示和答辩,期末的答辩和演示成为教和学的最好检查.国内其他一些高校也开始了口袋实验室的创新尝试,使用的开发板大多以Xilinx,Altera公司的FPGA板卡为主.

借鉴其他高校的成功经验,我们在计算机硬件基础课程的教学过程中开展了“口袋实验室”的创新研究,按照方案制定、授课实践、形成结果、总结推广的步骤实施.其中,方案的制定需要决定硬件开发板的选型和配套开发软件,由于FPGA芯片具有静态可重复编程以及动态系统重构的特性,可以像软件一样通过编程来修改硬件的功能.学生可以通过硬件描述语言完成各种数字电路到高性能CPU的设计.使用FPGA还可以缩短设计时间,特别是当电路有少量改动时,FPGA的优势更加突出,因此,采用FPGA芯片进行口袋实验室的选型优势较为明显.与开发板配套的软件资源丰富,并且要提供丰富的实例以供学习分析.除了给学生提供硬件开发板和配套的软件以外,编写基于FPGA的硬件实验参考教材供学生学习参考.开发板的管理采取学生分组借用的方式,建立损坏赔偿机制,促使学生养成认真细致的工作作风.学生可以选择在宿舍、机房、实验室等场合进行实验.

在实验内容的设计上分为三个类型,验证性实验、设计性实验和综合性实验.紧贴硬件基础课程的理论教学过程,要求学生完成存储器设计实验,I/0中断实验、输入输出接口实验、A/D和D/A实验等基本理论实验.并且及时更新实验内容,循序渐进地培养学生的实际动手能力,为学生开展自主创新活动提供条件.为此,可以将多个独立的验证性实验内容组合成一个综合实验的方式来实现,如将5255并行芯片、8254定时器及8259的中断实验,综合成一个由中断及定时器控制的彩灯循环显示电路的综合设计性实验,培养学生的系统设计能力和独立工作能力.还可以利用当前应用广泛的PCI、USB线以及Windows驱动程序编写等内容,要求学生分组进行设计课题的制作,设计课题由学生自选题目,该题目可以与每年进行的全国大学生电子设计大赛项结合,以发挥学生的创造性和积极性.对于综合性和创新性实验,学生需要撰写实验报告,总结个人实验的结果和体会,通过实验报告的撰写可以培养学生对科技活动的总结能力,科技论文的写作能力.并且采取课堂汇报的方式,由学生讲解、演示,教师提问的方式进行考核.学生通过课题设计熟悉用语言实现数字系统的多种方法,学会工程调试的基本思想,理解数字系统设计的整体概念,体会团队合作的重要性.使学生具有了一定的软硬件开发能力,还可以让学生了解当前计算机应用领域的先进技术,接受新的设计思想和方法,培养学生自主创新能力,可以更好地适应今后的工作和学习,达到良好的实验效果.

四、结束语

计算机硬件基础课程是一门理论性和实践性都很强的课程.随着计算机技术的不断发展,课程的内容也产生了很多新的元素,这就要求改进传统的实践教学模式以适应素质教育和鼓励创新能力培养的要求.基于口袋实验室的计算机硬件课程教学模式可以在学时数有限的约束条件下,为达到较好的教学效果提供支持,体现学生自主学习的新思路.解决计算机硬件基础课程重理论、轻实践的弊端,改善硬件类课程实验设备不足、教学力量薄弱的瓶颈,增强学生的动手能力.