计算机专业硬件课程教学改革

摘 要 ：针对计算机专业硬件课程教学现状和存在的问题,阐述计算机硬件课程之间的层次关系,对计算机硬件课程在教学内容整合、教学资源建设、教学方法综合运用以及重视实践教学环节等方面进行深入分析和探讨,提出硬件课程体系结构调整方案和课程整合办法等.

关 键 词 ：计算机硬件课程；教学改革；教学资源；教学方法

1.背景

计算机硬件课程是计算机专业的重要课程,是深入了解和掌握计算机基本工作原理以及建立整个计算机知识体系结构必不可少的部分.计算机硬件类课程一方面需要对计算机内部CPU结构、各种寄存器、存储器、指令系统以及指令的执行过程等非常清楚,而且需要掌握和记忆的内容较多,知识点也非常分散；另一方面,硬件课程的实验要复杂得多,需要有相应的硬件平台支撑,而硬件平台一般由专门实验室提供,学生很难拥有自己的硬件学习平台,无形中就疏远了硬件课程的学习,再加上没有运用有效的硬件课程教学方法,进一步加剧“重软件轻硬件”的现状.因此,当前高校计算机专业硬件课程的教学存在两难的境地：教师难教,学生难学.如何提高计算机硬件课程的教学效果,实现学生愿意学和教师乐于教,成为当前大多高校亟待解决的问题.

2.计算机专业硬件课程体系结构

随着信息技术的快速发展,计算机专业开设的课程也在不断调整,但涉及计算机硬件的课程相对稳定,只是在内容上有所更新,这给计算机硬件教学带来一定的便利,不需要大范围地调整课程体系.

根据当前普通高校计算机专业硬件课程的开设情况,并结合安徽理工大学计算机专业的培养计划和课程设置,计算机硬件课程体系一般包括4个层次：一是前导课程,如电路原理、电子技术基础、数字逻辑等；二是核心专业基础课程,如计算机组成原理、汇编语言程序设计等；三是主干专业基础课程,如微机原理与接口技术（或微型计算机技术）、计算机体系结构等；四足高级应用层次的课程,如DSP原理与应用、嵌入式系统与应用、计算机控制技术、CPU设计、EDA技术与应用等.

计算机硬件课程4层体系结构如图1所示其中第2、3层是和计算机密切相关的,也是大多计算机专业都开设的核心课程,在课程设置上基本保持稳定.第4层高级应用课程与计算机应用技术发展现状因各高校的具体情况而有所不同,各有其侧重点.第2层次和第3层次课程之间的递进关系如图2所示,其中,汇编语言程序设计和微机原理及接口技术课程有的学校将其合而为一,但为了突出和加强硬件编程,也可以单独开设,让学生更为深入地了解高档微机的指令系统以及编程技术.

3.计算机硬件课程教学改革探索

3.1交叉内容合理整合

近年来,高校为了适应市场需求,提升学生的就业竞争力,各专业新增开设了很多课程,使得其他课程的教学学时大为缩减,很难按照原有的教学计划进行.如安徽理工大学计算机组成原理课程由64学时缩减为48学时,计算机原理与接口技术由48学时缩减为38学时,计算机体系结构由40学时缩减为26学时,在这样大幅缩减教学课时的情况下,如何做到保证教学质量和主要教学内容不能减少甚至还需要增加新内容,对任课教师提出了严峻挑战.为了解决学时少和教学内容多的矛盾,我们对硬件类主要专业基础课的教学内容进行了全面梳理,对不同课程中出现的重复内容进行反复研究和讨论,并对相关内容的讲解深度和学时作了重新安排.

在此过程中,以计算机组成原理为基础,对相关课程的交叉内容进行梳理和整合,主要体现在以下几个方面：

（1）计算机组成原理课程的主要目标是建立计算机整机系统概念,掌握构成计算机系统5大部件的基本组成原理,重点介绍运算器、控制器、存储器以及指令系统的设计.因此,有关数据表示和运算规则是运算器设计部分的重要内容,需要详细深入讲解,在其他课程中就不再介绍.

（2）计算机指令系统部分,由于计算机组成原理针对的是计算机共性问题,侧重指令系统的设计,因此该部分内容在其他课程的侧重不同,仍需要根据课程性质不同分别介绍；但在教学过程中学时数可以适当缩减,如果开设了汇编语言程序设计课程,则在微机原理与接口技术课程中就不需要介绍指令系统内容.

（3）存储系统是计算机5大组成部分之一,计算机组成原理课程对存储器系统的组成、主存储器的连接和控制等都进行系统而深入的介绍,因此,相关内容其他课程中不需要介绍.

（4）输入输出系统也是计算机组成原理中重点内容之一,相关内容在微机原理与接口技术以及计算机体系结构课程中就不需要重点介绍,但涉及数据传输的接口芯片应用和编程等仍需要详细介绍.

通过对硬件基础课中内容的梳理和整合,可以节省大量的学时数,也理清了各课程之间关系,即计算机组成原理侧重于运算器、控制器、存储器、指令系统的设计以及各部分的组成；微机原理与接口技术侧重于CPU工作原理以及常用接口芯片、设备与主机的接口连接方法等；计算机体系结构侧重于计算机系统的性能评价、流水技术和并行处理技术等.为了进一步打破教学过程中各课程之间的独立性,对硬件基础课程进行捆绑式教学和研究,构建硬件课程模块,成立专门硬件课程的教学团队,定期开展硬件课程之间的研讨和交流,让每一位任课教师清楚地知道每门课程教学内容的侧重点,从整体上把握课程教学的思路和各门课程之间的衔接关系、

3.2教学资源多维建设

教学资源建设是专业建设的重要环节,也是课程教学质量的重要保证.教学资源建设主要包括师资、实验设备、网络教学平台、教材、实习基地等建设.结合安徽理工大学计算机专业硬件课程教学资源建设实践,具体有以下几个方面.

（1）高水平教学团队建设：在计算机硬件课程教学团队建设过程中,有计划有针对性地对任课教师进行多方面的实践培训,如组织部分教师利用检测期到相关的高校和企业参加硬件设计应用培训班；通过与一些高新技术企业建立良好合作关系,任课教师可以参与企业项目开发等,进一步提升教师的硬件设计和应用水平. （2）硬件课程教学设备建设：计算机硬件课程教学需要专门的实验平台,也是学生进行实践的物质基础.在硬件试验设备方面,需要结合自身的办学条件,有计划有步骤地引进和更新硬件教学设备,并充分利用现有的设备资源,不断提高教师的实验指导水平.目前安徽理工大学计算机硬件专业实验室配备有启东东疆DJ-CPTH超强型计算机组成原理和系统结构实验系统、西安唐都TD-MD16位和TD-PITE32位微机原理及接口技术试验系统、北京达盛EL-DSP+ARM多功能综合实验开发系统硬件平台等.实验室专门人员和任课教师全程参与硬件平台建设,邀请实验设备厂家技术人员进行专门的技术指导和培训,在现有硬件平台基础上,自己动手开发出一系列设计性实验,作为学生的选做实验内容.

（3）网络教学资源和平台建设：充分利用网络的方便性,组织任课教师将课程的多媒体课件、难点问题的动画演示、教学重点难点、课后习题的解题思路、疑难问题解答等放置到专门的网站,考虑到部分考研学生的需求,开辟了考研专题栏目,通过网络平台可以及时和学生进行交流,学生也可以通过邮件的方式和任课教师交流.

（4）特色精品教材建设：硬件课程教材的选取非常重要,好的教材便于学生在课下自学和复习,教师也可以将精力集中在主要和重点内容的讲解上；在吸收好教材精华的基础上,着手组织基本功过硬的教师编写精品教材.

（5）实践基地建设：参与实践是锻炼学生真正学以致用的重要环节,通过和中国电子第八研究所、安徽徽斯特电子科技有限公司以及淮南煤矿集团公司等建立良好合作关系,为学生创造更好的硬件实习环境和实习场所.

3.3教学方法综合运用

随着计算机和网络技术的发展,多媒体教学已经是最为普遍的一种教学方法,要根据课程教学内容充分利用好多媒体教学的优势.除了多媒体教学方法之外,还需要探讨多种有效的教学方法.首先,类比教学方法是计算机课程教学过程中的有效方法之一,通过将课本中难于理解的概念或理论与生活中的例子进行形象化类比,能使学生不但易于理解而且记忆深刻,是一种行之有效的教学方法.其次,运用启发式教学方法可以引导学生逐步深入思考,实现课程内容环环相扣,进而充分调动学生的积极性和参与度.如通过对课程内容采用设问的方式,每引入一个新内容,先采用设问的方式,让学生进行几分钟的思考,然后由教师通过内容的讲解来共同解答设问的问题,这样学生会带着问题思考和听讲,有效提高教学效果.再者,采用任务驱动法,能够让学生在学习和听课过程中有的放矢,听课的目的是解决问题,如计算机组成原理课程在讲解运算器构成部分,可以采用任务驱动的方法,让学生自行设计多位加法器或乘法器等,在任务的驱动下学生的学习热情和积极性明显提高.

实践中,教学方法需要根据课程的性质和内容不断地探索和创新,任何一门课程的教学方法都不是一成不变和唯一的,根据教学内容的不同,综合运用好多种教学方法能够有效提高教学效果,培养学生学习兴趣,提高学生的学习热情和积极性,对计算机硬件课程的教学大有裨益,也是计算机硬件教学效果不理想的有效途径.

3.4重视实践教学环节

实践教学是计算机硬件课程教学中的重要环节,每门课程一般都配有适当的实验,有些课程还设有课程设计环节,有效利用实验课时间和提高效率尤为重要.目前普遍存在的现状是：对于验证性实验,学生上课基本上是在实验箱上连线,运行出现实验指导书上的实验结果就万事大吉,学生的实验报告基本雷同,没有更深入地探讨实验的原理以及可能出现的问题等；对于综合性实验学生大多感到难度大,与实际应用脱节,没有教师的指导很难顺利完成.改变这种现状主要有以下几个方面.

（1）任课教师引导学生对实验课要有充分认识：由教师在课堂上将理论课教学和实验内容结合起来,让学生明白为什么上实验课,实验课的目的是什么,让学生在上实验课前思考实验过程中可能会出现什么问题以及解决办法等,不至于学生到实验室时还没搞清楚做什么.

（2）充分利用优秀学生资源：让一些成绩好且学有余力的学生帮助和指导动手能力相对差一点的学生,学生之间的沟通和交流往往效果会更好.

（3）实验内容和实际应用相结合：设置一些具有创新和综合性强的实验,并尽可能和实际应用结合起来,让学生通过做实验感到实用价值和具有成就感.如在计算机接口实验中,可让学生利用实验箱的硬件资源设计一款交通信号灯的控制系统,或设计一款集环境参数采集、报警和显示系统等,让学生看到课本学到的知识在现实生活中确实能够发挥作用.

（4）增加实验课在课程中的考核比重：由于实验课内容考核比重偏小甚至不计分,导致部分学生不重视实验课,而只关心理论课的考试成绩.有效解决办法是增加实验课在课程考核中的比例,比重可提高到20%～30%,实验考核可由教师组织分组,通过提问和答辩,其他组学生参与打分的办法.

（5）提高学生对硬件课程学习的热情和积极性：兴趣是最好的老师,培养学生学习兴趣非常重要的一点是让学生参与到科研活动当中,让其感受到硬件设计成果带来的成就感.教师可以根据自身的科研课题情况,积极吸收对课题感兴趣的学生参与到课题研究中,并充分利用校级、省级和国家级科技竞赛平台,鼓励学生积极参与各种电子竞赛,提高学生对硬件知识的认识和应用水平,进而激发学生学习热情.

4.结语

笔者根据硬件课程的教学特点和教学内容以及实际教学过程中的体会,对计算机硬件专业基础课程的教学内容、教学资源、教学方法以及实践教学进行了初步的研究和探索,提出一些切实可行的提高教学效果的方法和措施,为高校计算机硬件课程的教学改革提供有益的参考和帮助.