能力導(dǎo)向型“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”課程的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

摘 要 本文介紹了清華大學(xué)非電專業(yè)“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”課程在能力導(dǎo)向理念下的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、成績評定和教學(xué)效果，著重描述了“以學(xué)生為本、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力”的教學(xué)思想在各教學(xué)環(huán)節(jié)中的具體實(shí)施。

關(guān)鍵詞 啟發(fā)式授課 實(shí)驗(yàn)討論 考評過程化

1 以學(xué)生為本、培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力

“加強(qiáng)實(shí)踐教育，培養(yǎng)創(chuàng)新人才”是清華大學(xué)近年提出的總體教改思想，“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”作為非電專業(yè)的計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)類核心課程之一， 其教學(xué)改革應(yīng)符合這一教學(xué)理念。“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”課程包含了眾多的基礎(chǔ)知識、基本思想和基本方法，而且具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性和實(shí)踐性。我們認(rèn)為該課程對于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力、工程實(shí)踐能力、開發(fā)創(chuàng)新能力具有特別重要的意義。任課教師不能只“教”計(jì)算機(jī)的硬件知識，還應(yīng)特別重視“以學(xué)生為本、培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力”。根據(jù)這一思路，我們設(shè)計(jì)了能力導(dǎo)向型“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和成績評定體系。經(jīng)過三年來的教學(xué)實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)成果。

2 “四基”并重，少精寬新

“四基”是指計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ)知識、基本思想、基本方法和基本技能。“四基”并重體現(xiàn)了課程的系統(tǒng)性，其中包含能力培養(yǎng)的各個環(huán)節(jié)。但是“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”課程的“四基”所包含的內(nèi)容繁多，必須刪繁就簡。我們提出在課程內(nèi)容的選取上采取“少精寬新”的原則。在保持課程內(nèi)容系統(tǒng)性的前提下，主要選用和總結(jié)具有一般性、普遍性意義的內(nèi)容，做到“少而精”。“寬新”部分主要采取應(yīng)用舉例＋思考題＋自學(xué)＋綜合實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。在具體實(shí)施上，我們以Pentium機(jī)實(shí)模式為主、保護(hù)模式為輔、單片機(jī)為補(bǔ)充， 將整個課程內(nèi)容歸納為3大模塊12章，課程內(nèi)容參見圖1，教學(xué)安排參見表1，其中用于授課的學(xué)時為46學(xué)時，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)為28學(xué)時。

在計(jì)算機(jī)工作原理模塊中，重點(diǎn)講解計(jì)算機(jī)的組成和工作原理、CPU的編程結(jié)構(gòu)、常用尋址方式和指令，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容講解匯編語言程序設(shè)計(jì)。在計(jì)算機(jī)接口技術(shù)模塊中，重點(diǎn)突出指令、硬件電路與時序這三者之間的相互聯(lián)系，加深學(xué)生對“程序控制”的理解，并總結(jié)出硬件設(shè)計(jì)的四大原則（互斥原則、同步原則、定址原則和驅(qū)動原則），使學(xué)生在進(jìn)行硬件電路的分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試時有據(jù)可依、有章可循。在計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)模塊中，應(yīng)用前面兩大模塊中的基本概念、基本思想和基本原則，解剖一款單片機(jī)的組成和工作原理，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合專業(yè)知識和一般性的工程概念舉例設(shè)計(jì)1～2個應(yīng)用系統(tǒng)，以拓寬學(xué)生的知識面，培養(yǎng)學(xué)生利用硬件與軟件相結(jié)合的方法分析解決實(shí)際問題的思維方式和初步設(shè)計(jì)能力。

3 抓住學(xué)生的心

根據(jù)我們的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，硬件課程的特點(diǎn)是細(xì)節(jié)多，硬件的工作原理與人的思維和行為方式“格格不入”，學(xué)生對抽象的指令和復(fù)雜的硬件電路很不適應(yīng)。若不合理設(shè)計(jì)教學(xué)方法，學(xué)生往往因?yàn)楦杏X太難而產(chǎn)生抵觸心理，從而導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。因此在授課環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)上，我們緊緊圍繞“以學(xué)生為本、培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力”這一教學(xué)目標(biāo)，以“能否抓住學(xué)生的心”作為設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。實(shí)踐表明，采用“深入淺出”、“突出重點(diǎn)”、“講透難點(diǎn)”、“引導(dǎo)自學(xué)”的啟發(fā)式方法授課，有助于教學(xué)效果的提高。

“深入淺出”，是指用淺顯易懂、循序漸進(jìn)、逐步深入的方式介紹課程內(nèi)容，幫助學(xué)生對課程產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，避免一開始就介紹過多的專業(yè)術(shù)語和細(xì)節(jié)。

“突出重點(diǎn)”，是指在每一堂課的設(shè)計(jì)上都有一個重點(diǎn)主題，課堂內(nèi)容圍繞這個重點(diǎn)展開，而不是一味按照講義的章節(jié)順序進(jìn)行。比如在講授CPU的指令系統(tǒng)時，重點(diǎn)是介紹指令的學(xué)習(xí)方法和掌握一些常用指令，把堆棧指令和控制轉(zhuǎn)移指令放在一起介紹，把輸入/輸出指令放在微機(jī)接口技術(shù)中介紹，這樣講授要比按照一般教材逐一介紹各指令的效果好得多。

“講透難點(diǎn)”，是指要抓住學(xué)生學(xué)習(xí)課程的難點(diǎn)，對這些難點(diǎn)要做到講清、講透。比如學(xué)生不容易理解軟件和硬件的關(guān)系，我們就深入剖析輸入/輸出指令及其時序關(guān)系，讓學(xué)生理解指令執(zhí)行過程中輸出了哪些有效信號以及這些信號對相關(guān)電路產(chǎn)生的作用，教會學(xué)生分析硬件電路的思路和方法，從而改變以往學(xué)生學(xué)完硬件課程只學(xué)會匯編語言程序設(shè)計(jì)、課程偏“軟”化的現(xiàn)象。

“引導(dǎo)自學(xué)”，是指在授課過程中注重對課程內(nèi)容學(xué)習(xí)方法的介紹，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生掌握分析問題的方法，從而做到融會貫通、舉一反三。比如，對于可編程接口芯片，課堂上重點(diǎn)介紹了8255及其使用方法，在介紹串行通信時，就不再對串行接口芯片做詳細(xì)介紹，而只講串行通信的原理和編程。對于課堂未做介紹的8253、8250、8237、9052等可編程接口芯片，在綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中由學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目需要進(jìn)行自學(xué)。

4 精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課

“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”是一門面向應(yīng)用、具有很強(qiáng)實(shí)踐性的課程。我們經(jīng)常聽到學(xué)生反映，課堂上的一些概念、原理、方法等是通過實(shí)驗(yàn)才真正理解的。我們在整個課程的設(shè)計(jì)上，非常注重講課和實(shí)驗(yàn)在內(nèi)容及進(jìn)度的銜接與配合(參見表1)，并在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上注重實(shí)驗(yàn)的趣味性、實(shí)用性、探究性，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

對實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，我們按照“淺入深出”、 “主攻重點(diǎn)難點(diǎn)”、“軟硬并重”、“鼓勵探究”的方式進(jìn)行實(shí)施。比如課程前期，學(xué)生連CPU的編程結(jié)構(gòu)、存儲器物理地址及其內(nèi)容等都難以理解，因此特別安排一個驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生使用DEBUG去了解CPU內(nèi)部的寄存器，通過直接寫屏法使學(xué)生了解內(nèi)存的物理地址及其構(gòu)成等。對學(xué)生學(xué)習(xí)硬件的一些難點(diǎn)也及時通過實(shí)驗(yàn)加以化解，比如時序的概念、異步串行通信數(shù)據(jù)格式等。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，注重對學(xué)生軟件、硬件調(diào)試方法的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力，改變學(xué)生“重軟輕硬”現(xiàn)象。綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，學(xué)生要自學(xué)課堂上沒有介紹的某種芯片，并利用這個芯片完成一個具有實(shí)際應(yīng)用背景的項(xiàng)目，比如通過學(xué)習(xí)9052接口芯片，學(xué)習(xí)PCI總線接口的設(shè)計(jì)。我們鼓勵學(xué)生帶著問題來做實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)過程中引出問題進(jìn)行討論，使實(shí)驗(yàn)課堂成為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)交流的場所。

5 考評過程化

合理健全的考評方法，能對教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起到積極的作用。我們采用過程化的考評方式，將考評工作嵌入多個環(huán)節(jié)，考評范圍涉及到課程理論知識的掌握、編程和上機(jī)調(diào)試能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、分析和解決問題的能力。課程總成績按平時實(shí)驗(yàn)25%、期中考試25%、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)10%、期末筆試40%分配。平時實(shí)驗(yàn)由實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)完成情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等構(gòu)成。期中考試包括筆試和上機(jī)考試兩部分。綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生給出設(shè)計(jì)方案、調(diào)試過程、及演示實(shí)驗(yàn)完成情況。對于學(xué)習(xí)興趣濃厚、動手能力強(qiáng)的同學(xué)，允許他們采用完成與硬件課程相關(guān)的免試項(xiàng)目代替期末筆試。項(xiàng)目可在教師給出的具有一定難度的參考題目中選擇，也可由學(xué)生自己設(shè)計(jì)、教師把關(guān)。

6 一項(xiàng)成功的課程改革

“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”課程改革從2003年秋季開始進(jìn)行，至今實(shí)施了四個學(xué)期。從各學(xué)期學(xué)生的教學(xué)評估情況看，學(xué)生多有“這門課收獲很大”、“講解方式淺顯生動易懂”、 “考核及評價方式能激勵學(xué)生主動學(xué)習(xí)與鉆研”、“本學(xué)期最有收獲的課”、“很喜歡本課程”等正面評價。該課程的主講教師朱小梅在這四個學(xué)期的教學(xué)評估中有3個學(xué)期（2003年秋季、2004年春季、2005年秋季）的總得分處于本科生課同等規(guī)模課堂所有參評教師的Top 5%，2004年秋季的總體得分也遠(yuǎn)高于校平均分，從學(xué)生的認(rèn)可度看課程改革是非常成功的。該課程的改革項(xiàng)目獲得2005-2006年度“清華大學(xué)教學(xué)成果獎”二等獎。

參考文獻(xiàn)

[1]王克義.非計(jì)算機(jī)專業(yè)“微機(jī)原理”課程的改革實(shí)踐與研究.計(jì)算機(jī)教育，2005，11.

[2]鄒逢興.關(guān)于創(chuàng)新計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)的實(shí)踐和思考.計(jì)算機(jī)教育，2004，2.

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