計算機專業硬件課程教學改革探索

陳輝　李敬兆　詹林

摘要：針對計算機專業硬件課程教學現狀和存在的問題，闡述計算機硬件課程之間的層次關系，對計算機硬件課程在教學內容整合、教學資源建設、教學方法綜合運用以及重視實踐教學環節等方面進行深入分析和探討，提出硬件課程體系結構調整方案和課程整合辦法等。

關鍵詞：計算機硬件課程；教學改革；教學資源；教學方法

1.背景

計算機硬件課程是計算機專業的重要課程，是深入了解和掌握計算機基本工作原理以及建立整個計算機知識體系結構必不可少的部分。計算機硬件類課程一方面需要對計算機內部CPU結構、各種寄存器、存儲器、指令系統以及指令的執行過程等非常清楚，而且需要掌握和記憶的內容較多，知識點也非常分散；另一方面，硬件課程的實驗要復雜得多，需要有相應的硬件平臺支撐，而硬件平臺一般由專門實驗室提供，學生很難擁有自己的硬件學習平臺，無形中就疏遠了硬件課程的學習，再加上沒有運用有效的硬件課程教學方法，進一步加劇“重軟件輕硬件”的現狀。因此，當前高校計算機專業硬件課程的教學存在兩難的境地：教師難教，學生難學。如何提高計算機硬件課程的教學效果，實現學生愿意學和教師樂于教，成為當前大多高校亟待解決的問題。

2.計算機專業硬件課程體系結構

隨著信息技術的快速發展，計算機專業開設的課程也在不斷調整，但涉及計算機硬件的課程相對穩定，只是在內容上有所更新，這給計算機硬件教學帶來一定的便利，不需要大范圍地調整課程體系。

根據當前普通高校計算機專業硬件課程的開設情況，并結合安徽理工大學計算機專業的培養計劃和課程設置，計算機硬件課程體系一般包括4個層次：一是前導課程，如電路原理、電子技術基礎、數字邏輯等；二是核心專業基礎課程，如計算機組成原理、匯編語言程序設計等；三是主干專業基礎課程，如微機原理與接口技術（或微型計算機技術）、計算機體系結構等；四足高級應用層次的課程，如DSP原理與應用、嵌入式系統與應用、計算機控制技術、CPU設計、EDA技術與應用等。

計算機硬件課程4層體系結構如圖1所示其中第2、3層是和計算機密切相關的，也是大多計算機專業都開設的核心課程，在課程設置上基本保持穩定。第4層高級應用課程與計算機應用技術發展現狀因各高校的具體情況而有所不同，各有其側重點。第2層次和第3層次課程之間的遞進關系如圖2所示，其中，匯編語言程序設計和微機原理及接口技術課程有的學校將其合而為一，但為了突出和加強硬件編程，也可以單獨開設，讓學生更為深入地了解高檔微機的指令系統以及編程技術。

3.計算機硬件課程教學改革探索

3.1交叉內容合理整合

近年來，高校為了適應市場需求，提升學生的就業競爭力，各專業新增開設了很多課程，使得其他課程的教學學時大為縮減，很難按照原有的教學計劃進行。如安徽理工大學計算機組成原理課程由64學時縮減為48學時，計算機原理與接口技術由48學時縮減為38學時，計算機體系結構由40學時縮減為26學時，在這樣大幅縮減教學課時的情況下，如何做到保證教學質量和主要教學內容不能減少甚至還需要增加新內容，對任課教師提出了嚴峻挑戰。為了解決學時少和教學內容多的矛盾，我們對硬件類主要專業基礎課的教學內容進行了全面梳理，對不同課程中出現的重復內容進行反復研究和討論，并對相關內容的講解深度和學時作了重新安排。

在此過程中，以計算機組成原理為基礎，對相關課程的交叉內容進行梳理和整合，主要體現在以下幾個方面：

（1）計算機組成原理課程的主要目標是建立計算機整機系統概念，掌握構成計算機系統5大部件的基本組成原理，重點介紹運算器、控制器、存儲器以及指令系統的設計。因此，有關數據表示和運算規則是運算器設計部分的重要內容，需要詳細深入講解，在其他課程中就不再介紹。

（2）計算機指令系統部分，由于計算機組成原理針對的是計算機共性問題，側重指令系統的設計，因此該部分內容在其他課程的側重不同，仍需要根據課程性質不同分別介紹；但在教學過程中學時數可以適當縮減，如果開設了匯編語言程序設計課程，則在微機原理與接口技術課程中就不需要介紹指令系統內容。

（3）存儲系統是計算機5大組成部分之一，計算機組成原理課程對存儲器系統的組成、主存儲器的連接和控制等都進行系統而深入的介紹，因此，相關內容其他課程中不需要介紹。

（4）輸入輸出系統也是計算機組成原理中重點內容之一，相關內容在微機原理與接口技術以及計算機體系結構課程中就不需要重點介紹，但涉及數據傳輸的接口芯片應用和編程等仍需要詳細介紹。

通過對硬件基礎課中內容的梳理和整合，可以節省大量的學時數，也理清了各課程之間關系，即計算機組成原理側重于運算器、控制器、存儲器、指令系統的設計以及各部分的組成；微機原理與接口技術側重于CPU工作原理以及常用接口芯片、外圍設備與主機的接口連接方法等；計算機體系結構側重于計算機系統的性能評價、流水技術和并行處理技術等。為了進一步打破教學過程中各課程之間的獨立性，對硬件基礎課程進行捆綁式教學和研究，構建硬件課程模塊，成立專門硬件課程的教學團隊，定期開展硬件課程之間的研討和交流，讓每一位任課教師清楚地知道每門課程教學內容的側重點，從整體上把握課程教學的思路和各門課程之間的銜接關系、

3.2教學資源多維建設

教學資源建設是專業建設的重要環節，也是課程教學質量的重要保證。教學資源建設主要包括師資、實驗設備、網絡教學平臺、教材、實習基地等建設。結合安徽理工大學計算機專業硬件課程教學資源建設實踐，具體有以下幾個方面。

（1）高水平教學團隊建設：在計算機硬件課程教學團隊建設過程中，有計劃有針對性地對任課教師進行多方面的實踐培訓，如組織部分教師利用假期到相關的高校和企業參加硬件設計應用培訓班；通過與一些高新技術企業建立良好合作關系，任課教師可以參與企業項目開發等，進一步提升教師的硬件設計和應用水平。endprint

（2）硬件課程教學設備建設：計算機硬件課程教學需要專門的實驗平臺，也是學生進行實踐的物質基礎。在硬件試驗設備方面，需要結合自身的辦學條件，有計劃有步驟地引進和更新硬件教學設備，并充分利用現有的設備資源，不斷提高教師的實驗指導水平。目前安徽理工大學計算機硬件專業實驗室配備有啟東東疆DJ-CPTH超強型計算機組成原理和系統結構實驗系統、西安唐都TD-MD16位和TD-PITE32位微機原理及接口技術試驗系統、北京達盛EL-DSP+ARM多功能綜合實驗開發系統硬件平臺等。實驗室專門人員和任課教師全程參與硬件平臺建設，邀請實驗設備廠家技術人員進行專門的技術指導和培訓，在現有硬件平臺基礎上，自己動手開發出一系列設計性實驗，作為學生的選做實驗內容。

（3）網絡教學資源和平臺建設：充分利用網絡的方便性，組織任課教師將課程的多媒體課件、難點問題的動畫演示、教學重點難點、課后習題的解題思路、疑難問題解答等放置到專門的網站，考慮到部分考研學生的需求，開辟了考研專題欄目，通過網絡平臺可以及時和學生進行交流，學生也可以通過郵件的方式和任課教師交流。

（4）特色精品教材建設：硬件課程教材的選取非常重要，好的教材便于學生在課下自學和復習，教師也可以將精力集中在主要和重點內容的講解上；在吸收好教材精華的基礎上，著手組織基本功過硬的教師編寫精品教材。

（5）實踐基地建設：參與實踐是鍛煉學生真正學以致用的重要環節，通過和中國電子第八研究所、安徽徽斯特電子科技有限公司以及淮南煤礦集團公司等建立良好合作關系，為學生創造更好的硬件實習環境和實習場所。

3.3教學方法綜合運用

隨著計算機和網絡技術的發展，多媒體教學已經是最為普遍的一種教學方法，要根據課程教學內容充分利用好多媒體教學的優勢。除了多媒體教學方法之外，還需要探討多種有效的教學方法。首先，類比教學方法是計算機課程教學過程中的有效方法之一，通過將課本中難于理解的概念或理論與生活中的例子進行形象化類比，能使學生不但易于理解而且記憶深刻，是一種行之有效的教學方法。其次，運用啟發式教學方法可以引導學生逐步深入思考，實現課程內容環環相扣，進而充分調動學生的積極性和參與度。如通過對課程內容采用設問的方式，每引入一個新內容，先采用設問的方式，讓學生進行幾分鐘的思考，然后由教師通過內容的講解來共同解答設問的問題，這樣學生會帶著問題思考和聽講，有效提高教學效果。再者，采用任務驅動法，能夠讓學生在學習和聽課過程中有的放矢，聽課的目的是解決問題，如計算機組成原理課程在講解運算器構成部分，可以采用任務驅動的方法，讓學生自行設計多位加法器或乘法器等，在任務的驅動下學生的學習熱情和積極性明顯提高。

實踐中，教學方法需要根據課程的性質和內容不斷地探索和創新，任何一門課程的教學方法都不是一成不變和唯一的，根據教學內容的不同，綜合運用好多種教學方法能夠有效提高教學效果，培養學生學習興趣，提高學生的學習熱情和積極性，對計算機硬件課程的教學大有裨益，也是破解計算機硬件教學效果不理想的有效途徑。

3.4重視實踐教學環節

實踐教學是計算機硬件課程教學中的重要環節，每門課程一般都配有適當的實驗，有些課程還設有課程設計環節，有效利用實驗課時間和提高效率尤為重要。目前普遍存在的現狀是：對于驗證性實驗，學生上課基本上是在實驗箱上連線，運行出現實驗指導書上的實驗結果就萬事大吉，學生的實驗報告基本雷同，沒有更深入地探討實驗的原理以及可能出現的問題等；對于綜合性實驗學生大多感到難度大，與實際應用脫節，沒有教師的指導很難順利完成。改變這種現狀主要有以下幾個方面。

（1）任課教師引導學生對實驗課要有充分認識：由教師在課堂上將理論課教學和實驗內容結合起來，讓學生明白為什么上實驗課，實驗課的目的是什么，讓學生在上實驗課前思考實驗過程中可能會出現什么問題以及解決辦法等，不至于學生到實驗室時還沒搞清楚做什么。

（2）充分利用優秀學生資源：讓一些成績好且學有余力的學生幫助和指導動手能力相對差一點的學生，學生之間的溝通和交流往往效果會更好。

（3）實驗內容和實際應用相結合：設置一些具有創新和綜合性強的實驗，并盡可能和實際應用結合起來，讓學生通過做實驗感到實用價值和具有成就感。如在計算機接口實驗中，可讓學生利用實驗箱的硬件資源設計一款交通信號燈的控制系統，或設計一款集環境參數采集、報警和顯示系統等，讓學生看到課本學到的知識在現實生活中確實能夠發揮作用。

（4）增加實驗課在課程中的考核比重：由于實驗課內容考核比重偏小甚至不計分，導致部分學生不重視實驗課，而只關心理論課的考試成績。有效解決辦法是增加實驗課在課程考核中的比例，比重可提高到20%～30%，實驗考核可由教師組織分組，通過提問和答辯，其他組學生參與打分的辦法。

（5）提高學生對硬件課程學習的熱情和積極性：興趣是最好的老師，培養學生學習興趣非常重要的一點是讓學生參與到科研活動當中，讓其感受到硬件設計成果帶來的成就感。教師可以根據自身的科研課題情況，積極吸收對課題感興趣的學生參與到課題研究中，并充分利用校級、省級和國家級科技競賽平臺，鼓勵學生積極參與各種電子競賽，提高學生對硬件知識的認識和應用水平，進而激發學生學習熱情。

4.結語

筆者根據硬件課程的教學特點和教學內容以及實際教學過程中的體會，對計算機硬件專業基礎課程的教學內容、教學資源、教學方法以及實踐教學進行了初步的研究和探索，提出一些切實可行的提高教學效果的方法和措施，為高校計算機硬件課程的教學改革提供有益的參考和幫助。endprint