计算机专业硬件课程体系建设的优化与改进

摘 要：本文针对当前计算机科学与技术专业面临的实际问题,介绍了黑龙江大学计算机科学与技术专业硬件系列课程体系的建设经验,从确定课程群、定位具体课程入手,通过对知识单元划分和重组,整合了硬件课程的教学内容,改革了硬件课程的实验方式,对计算机专业课程体系进行了优化,取得了良好的效果.

关 键 词：计算机；硬件；课程体系；实践教学

中图分类号：G642.3文献标识码：A文章编号：1002-4107（2013）04-0045-02

硬件课程是计算机科学与技术专业课程的重要组成部分,是培养学生实践探索兴趣、科学研究素养、工程创新能力、团队协作精神的重要手段.在教育部实施的高等学校教学质量与教学改革工程中,提出要大力推进高校教学的改革与创新.通过深入分析国家人才培养需求、国家科技计划需求、学科建设需求、地方区域建设需求以及计算机科学与技术发展需求,在计算机专业建设过程中,不断完善硬件课程体系结构,课题组从确定课程群、定位具体课程入手,通过对知识单元划分和重组,整合了硬件课程的教学内容,改革了硬件课程的实验方式,对计算机专业课程体系进行了优化,取得了良好的效果.

一、计算机专业硬件课程体系的建立

计算机硬件技术是计算机领域不可缺少的支柱技术,计算机硬件课程主要为学生讲述计算机硬件的基本原理和使用方法,为学生在硬件方面奠定扎实的理论基础.这些年的就业形势显示,计算机行业最紧俏的人才是能够综合应用软件和硬件进行系统研发的工程师.因此,黑龙江大学计算机科学技术学院很早就发现了课程建设,尤其是计算机专业硬件课程体系建设的重要性,并一直致力于此.

黑龙江大学计算机科学技术学院自2008年以来,从核心课程教学改革的研究入手,结合本科专业人才培养方案修订,根据学院的实际情况,参照《高等学校计算机科学与技术专业核心课程教学实施方案》,针对人才培养目标的不同,按照科学型、工程型的不同教学要求,重新修订了学院现有的人才培养方案,对教学及实验教学内容进行了重新定位,以知识点为最小知识粒度,安排相应的教学实施方案.之后,课题组意识到硬件课程群建设的必要性和紧迫性[1],一致认为应该将数字逻辑、电子技术、计算机组成与结构、计算机体系结构和微机原理与接口的一系列课程整合成为一个课程群,并将其与C、C++、数据结构、计算机算法、操作系统等一些软件课程的先后给以排序,理清了计算机专业硬件课程体系的基本课程顺序.2010年,黑龙江大学计算机科学技术学院在原有基础上采用EDA技术为计算机专业硬件类实验课程提供平台基础,围绕计算机专业硬件课程体系,课题组通过重组实验教学环境,按照实验的难度和课程内容设计配套的实验内容,构建反映当今计算机科学技术水平和加强学生工程实践能力培养的系列实验课程教学新体系.

二、计算机专业硬件课程体系的构成

2005年,ACM（美国计算机机械协会）和IEEE/CS（国际电气电子工程师协会计算机学会）联合提交了CC2005,该报告从学术的视角,将计算学科分为计算机科学（CS）、计算机工程（CE）、软件工程（SE）、信息技术（IT）、信息系统（IS）等5个专业学科,并针对本科生的教育,提出相应的知识领域、知识单元和知识点,给出相应的参考教育计划和课程设置[2].课题组以此为蓝本,结合学院的实际情况,确定了计算机硬件课程体系中的主干课程：（1）电子技术；（2）数字逻辑；（3）汇编语言；（4）计算机组成原理；（5）微机原理与接口.计算机系统结构课程群：（1）单片机原理与嵌入式技术；（2）计算机系统结构；（3）多核程序设计；（4）嵌入式程序设计.具体构成如图所示.

三、整合课程内容,优化课程体系

课题组在计算机专业硬件课程体系建设的过程中发现,硬件系列课程之间存在着很强的逻辑关系.从知识结构上看,计算机硬件系列课程是构成计算机系统知识中物理结构及体系结构的完整知识模块.从教学角度上看,需要从全局考虑,将其作为一个整体统一安排,而在体系内部,可以按照知识单元和知识点进行更深程度的细化和分类,并逐一整合.这样既可以更好地明确各门课程之间在教学上的协调,又保证了硬件课程体系的整体性和系统性.

以“计算机组成原理”这门课程为例.在运算器基本原理部分涉及“数字逻辑”课程中所讲授的组合逻辑电路、时序逻辑电路；在存储系统部分涉及“操作系统”的虚拟存储器的知识；在指令系统部分涉及“汇编语言”的知识；在控制器部分涉及“计算机系统结构”中关于流水线的知识；在I/O系统部分涉及“微机原理与接口”的中断技术的知识.如果不将课程设置方案具体落实到知识点的整合和重组,任课教师就无法把握好教学的重点,学生也不能真正从整体的层次上把握系统的构建和各个部分的设计方法、原则.

课题组根据目前的社会需求和学院的实际情况,以课题梯队为核心,重组了计算机硬件系列课程体系,由主讲教师负责组织课程梯队教师的集体研讨,修订教学大纲,对教学及课程实践内容进行定位,对相互重叠、重复、交叉的教学内容进行整合优化之后,基本做到了课程之间的无缝衔接,即前导知识无断层,同时也避免了课程内容重复讲授的现象,形成了一套衔接合理、重点突出、层次分明的课程体系.

四、加强实践教学,拓展学生能力

围绕计算机专业硬件课程体系,课题组系统地整理了计算机专业硬件课程的内在联系,从实验结构角度出发,整体考虑计算机系统设计和控制应用的要求,设计出阶段性、模块化、系统化、递进层次的实验教学内容.

课题组采用EDA技术,就计算机专业硬件实践课程的特点以及EDA技术的优势,改革现有实验方式,结合QuartusⅡ软件,利用VHDL语言和VerilogHDL语言,除完成计算机专业硬件基础课程之外,还支持FPGA设计（Field-ProgrammableGateArray,现场可编辑门阵列）,使计算机专业硬件课程实践教学方式发生质的变化,极大程度地减小了软件系统对硬件系统扩展性的制约,减少了软件系统对硬件系统的依赖,为计算机专业硬件课程体系的建设提供了平台支持,打下了坚实基础.

由于EDA技术中采用从上向下的设计理念,使得电路的设计具有很强的逻辑性,也提高了学生的动手能力和创新能力,成就感也提高了学生对计算机专业硬件课程学习的积极性和主动性.新增的硬件综合实验环节,学生可以综合运用所学到的知识和EDA技术,通过理论设计、逻辑分析、仿真分析、模拟分析,最终设计出实际的电路.在整个硬件综合实验过程中,所涉及的知识面广,实验内容的动态性、实时性和综合性较强,使学生的创新意识和工程实践能力得到了极大的提高.课题组根据学生的实际情况,创造性地选择和设计实验题目,对硬件系列课程实验进行精心编排和设计,极大地改善了硬件实验课程的教学效果,以学生系统、全面地掌握硬件知识为目的,强化了学生对知识的运用能力、解决实际问题的能力,以及动手能力和创新能力.

通过几年的探索与实践,黑龙江大学计算机科学技术学院计算机科学与技术专业的硬件课程体系建设取得了一定的成效,主要解决了计算机专业硬件课程之间的定位问题,从整合优化相关知识点的角度出发重组了课程的教学内容；采用EDA技术,结合QuartusⅡ软件,利用VHDL语言和VerilogHDL语言实现计算机专业硬件综合实验,建设了具有系统性、科学性及先进性的计算机专业硬件系列课程体系.在今后的工作中,学院将从增设计算机硬件综合课程、加强硬件师资队伍建设、改进教学方法和教学手段等方面入手,进一步完善计算机专业硬件系列课程体系,提高学生的学习兴趣,满足未来用人单位的具体要求,为社会培养出合格的计算机专业人才.