高校計算機硬件基礎課程教學探索

宋大虎，王 忠，黃百鋼

（第二炮兵工程大學 理學院計算機教研室，陜西 西安 710025）

高校計算機硬件基礎課程教學探索

宋大虎，王 忠，黃百鋼

（第二炮兵工程大學 理學院計算機教研室，陜西 西安 710025）

在計算機硬件技術(shù)基礎課程中開展了“口袋實驗室”的探索。為學生提供軟硬件資源，在課后進行自主學習與創(chuàng)新，提高了教學效果。

軟件基礎；教學探索；高校計算機

一、引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計算機硬件基礎課程已經(jīng)成為了理工科專業(yè)學生的必修課程，它的綜合性和實踐性強，是后續(xù)專業(yè)課程學習的基礎。該課程是硬件和軟件相結(jié)合的一門課程，在硬件設計方面，達到能設計接口電路的水平；在軟件開發(fā)方面，培養(yǎng)學生使用匯編語言或者C語言進行程序設計的能力，達到能編寫接口程序和設備驅(qū)動程序的水平。通過該課程的學習，使學生掌握計算機的基本組成結(jié)構(gòu)和工作原理，更重要的是使學生掌握硬件電路設計與應用開發(fā)能力，培養(yǎng)學生運用理論知識解決實際問題，因此課程的實踐性非常強。

二、計算機硬件基礎課程教學中存在的問題

由于該課程教學內(nèi)容比較抽象，知識點多，學生普遍反應不好學，學習起來缺乏興趣，這樣就更加大了該課程在教學上的難度。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（一）在教學方法方面

傳統(tǒng)的教學方法基本以教師講授為主，學生大多只是被動地接受。由于課程涉及的概念多、專有名詞多、接口芯片多，理論基礎復雜，往往使初學的學生感覺入門較難。計算機的接口設備之間通常使用匯編語言編程，而該語言屬于低級語言，編程復雜，比C語言等高級語言更難掌握，單純理論講授使學生難以理解，會使學生覺得枯燥無味，失去學習的興趣。由于該課程的邏輯性和完整性強，計算機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是指令系統(tǒng)的基礎，不同的CPU采用的指令各不相同，而指令系統(tǒng)又是匯編語言程序設計的基礎，指令掌握不好，就會給編程帶來困難，各部分知識銜接緊密，一環(huán)扣一環(huán)，因此，學生必須全面地掌握各個知識點，否則將會嚴重地影響學習效果。該課程還有一個特點就是硬件電路圖多，接口芯片應用舉例多，包括各種芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖、時序圖、硬件電路圖等，接口芯片的應用不僅僅要設計硬件電路，而且要編寫應用程序，畫出程序流程圖等。

由于硬件學習的難度較大，因此在學生中普遍存在重視軟件忽視硬件的現(xiàn)象。產(chǎn)生這種傾向的原因是多方面的：一方面是硬件課程掌握起來花費的時間多，個別學生存在急功近利的錯誤認識等；另一個重要的方面是硬件系列課程的教學改革力度不夠，使得目前的教學方法無法與飛速發(fā)展的計算機技術(shù)接軌，無法滿足學生獲取新知識的需求。

（二）在教學內(nèi)容方面

計算機硬件基礎課程基本上都是以微機或者單片機為藍本來學習計算機原理，教材內(nèi)容覆蓋面大。課程往往是以8086/8088、80386或是80486微機的結(jié)構(gòu)為主線，首先講不同類型微機的硬件結(jié)構(gòu)以及對應的指令系統(tǒng)，然后是基于該系統(tǒng)的匯編語言程序設計，最后是各種接口芯片的結(jié)構(gòu)及應用。但是由于理論學時有限，在教學過程中只能夠選擇一種微型機芯片或者是某種型號的單片機進行教學，為了適應微型計算機系統(tǒng)的飛速發(fā)展，必須改革教學內(nèi)容，既要強化基礎知識，又要加強對學生應用能力的培養(yǎng)；既要把典型的微型計算機原理和架構(gòu)傳授給學生，又要把計算機技術(shù)發(fā)展的最新水平和狀況介紹清楚，使學生能夠舉一反三、觸類旁通，通過學習一種典型的芯片達到對同類芯片的普遍認知，從而具備獨立自主的學習能力。其次，隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，微型計算機更新?lián)Q代頻繁、新產(chǎn)品和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，硬件基礎教學中的基礎性和先進性、前沿性的矛盾比較突出。當今的微型計算機已經(jīng)從原來的32位全面進入64位。而現(xiàn)在的教學中還是以16位微機為基礎的。因此，該課程內(nèi)容顯得繁雜難學，跟不上時代。

教學內(nèi)容的改革主要思想是要增加對現(xiàn)代微型計算機系統(tǒng)的介紹。在常規(guī)教學內(nèi)容的基礎上，增加現(xiàn)代微機系統(tǒng)中的新技術(shù)、新應用和新方法，如USB總線技術(shù)、高速緩存Cache技術(shù)、多核技術(shù)、高性能計算機、計算機體系結(jié)構(gòu)等知識的介紹，以32位微機的典型代表80486和Pentium作為基礎教學內(nèi)容，選用教材也應該反應這種變革，同時兼顧64位微機的介紹。這樣既開闊了學生的視野，讓學生能更深入地理解軟、硬件結(jié)合設計系統(tǒng)的方法，又能增強學生將來就業(yè)的競爭性。

（三）在實踐教學方面

由于計算機硬件基礎課程是一門實踐性非常強的課程，只有通過實踐才能真正地理解其中的知識點，使學生不僅知其然，而且知其所以然。當今社會提倡創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，學生如果不通過動手實踐，只是死記硬背書上的理論，無法達到教學的目的。但是，由于實踐教學中存在的實驗設備不足、方法單一，實驗內(nèi)容不能達到學生能力培養(yǎng)的目的，再加上知識點多，學生的學習時間有限，忽視對實驗結(jié)果的深入分析和理解，導致部分對實踐教學內(nèi)容失去興趣，往往難以把實驗的內(nèi)容應用在后續(xù)的學習和工作中。因此，當前的實踐教學無法培養(yǎng)學生必要的設計、創(chuàng)新能力，無法使學生感受到所學知識的應用價值，有必要在這一基礎上進行能力培養(yǎng)的擴展。以為國家培養(yǎng)合格人才為目標，重視實踐教學的作用，改進教學內(nèi)容，把實踐教學放到和理論教學同等重要的地位。

現(xiàn)在的硬件基礎實驗多為驗證性實驗，缺乏綜合性實驗和設計性實驗。學生往往是照抄書上的程序，然后在實驗設備上運行來觀察運行結(jié)果，沒有充分發(fā)揮學生的創(chuàng)新思維能力，更無法提高學生自主學習獲取知識的能力，因此教學效果不理想。目前大，多數(shù)高校計算機硬件基礎課程都是采用某種類型芯片的實驗箱進行，而這些實驗箱提供的實驗內(nèi)容為固定模塊化的組織形式，學生只需要連接較少的導線，輸入現(xiàn)成的程序就可以完成實驗，由于實驗內(nèi)容和方法的局限性，學生處于被動接受的地位，從而使學生無法發(fā)揮主動性和創(chuàng)造性。

三、基于“口袋實驗室”的實踐教學新模式

以往學生做硬件類實驗都必須在硬件基礎實驗室里進行，用到的實驗器材包括面包板、電源、萬用表、示波器等，但是由于實驗儀器陳舊、老化，實驗內(nèi)容落后于技術(shù)的不斷發(fā)展。而且由于學生人數(shù)遠遠多于實驗設備數(shù)，往往是幾個學生一組做一個實驗。甚至有時候由老師將實驗過程和結(jié)果向?qū)W生展示，而學生得不到充分的應用實驗設備的機會。隨著新技術(shù)的發(fā)展，目前的小型硬件開發(fā)板已經(jīng)可以通過USB接口連接到電腦上，再配合圖形界面的閃存編程器和調(diào)試工具等就能完成硬件基礎實驗，讓學生的實驗不再局限于在傳統(tǒng)的實驗室進行。

國內(nèi)一些高校已經(jīng)開始推行“口袋實驗室”的教學創(chuàng)新，口袋實驗室是將名片大小的實驗板卡發(fā)到每個學生的手上，裝在口袋里可以隨身攜帶，隨時操作，在完成各種基本實驗的基礎上，激發(fā)學生的興趣，發(fā)揮學生的獨創(chuàng)精神。清華大學、華中科大、浙江大學等國內(nèi)名牌高校已經(jīng)開始大力推行口袋實驗室的實踐和創(chuàng)新，其他高校也緊隨其后。比如，華中科技大學電信系的150名學生每人拿到了德州儀器（TI公司）捐贈的一塊能揣進口袋，僅有名片大小的LaunchPad開發(fā)板，學生可以在寢室、圖書館等地輕松做實驗。清華大學學生則獲得了Xilinx公司捐贈的Spartan 3開發(fā)板。浙江大學的學生以分組的模式開展，每個小組使用一塊開發(fā)板。為使學生真正掌握所學內(nèi)容，不設實驗室實驗，學生分組后發(fā)給實驗板和軟件，課下自行安排，不設統(tǒng)一的作業(yè)，由分組學生自行討論后制定設計課題，以發(fā)揮學生的創(chuàng)造性和積極性。不設筆試性考核，進行全部學生參加的各組自選課題大作業(yè)演示和答辯，期末的答辯和演示成為教和學的最好檢查。國內(nèi)其他一些高校也開始了口袋實驗室的創(chuàng)新嘗試，使用的開發(fā)板大多以Xilinx，Altera公司的FPGA板卡為主。

借鑒其他高校的成功經(jīng)驗，我們在計算機硬件基礎課程的教學過程中開展了“口袋實驗室”的創(chuàng)新研究，按照方案制定、授課實踐、形成結(jié)果、總結(jié)推廣的步驟實施。其中，方案的制定需要決定硬件開發(fā)板的選型和配套開發(fā)軟件，由于FPGA芯片具有靜態(tài)可重復編程以及動態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)的特性，可以像軟件一樣通過編程來修改硬件的功能。學生可以通過硬件描述語言完成各種數(shù)字電路到高性能CPU的設計。使用FPGA還可以縮短設計時間，特別是當電路有少量改動時，F(xiàn)PGA的優(yōu)勢更加突出，因此，采用FPGA芯片進行口袋實驗室的選型優(yōu)勢較為明顯。與開發(fā)板配套的軟件資源豐富，并且要提供豐富的實例以供學習分析。除了給學生提供硬件開發(fā)板和配套的軟件以外，編寫基于FPGA的硬件實驗參考教材供學生學習參考。開發(fā)板的管理采取學生分組借用的方式，建立損壞賠償機制，促使學生養(yǎng)成認真細致的工作作風。學生可以選擇在宿舍、機房、實驗室等場合進行實驗。

在實驗內(nèi)容的設計上分為三個類型，驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗。緊貼硬件基礎課程的理論教學過程，要求學生完成存儲器設計實驗，I/0中斷實驗、輸入輸出接口實驗、A/D和D/A實驗等基本理論實驗。并且及時更新實驗內(nèi)容，循序漸進地培養(yǎng)學生的實際動手能力，為學生開展自主創(chuàng)新活動提供條件。為此，可以將多個獨立的驗證性實驗內(nèi)容組合成一個綜合實驗的方式來實現(xiàn)，如將5255并行芯片、8254定時器及8259的中斷實驗，綜合成一個由中斷及定時器控制的彩燈循環(huán)顯示電路的綜合設計性實驗，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)設計能力和獨立工作能力。還可以利用當前應用廣泛的PCI、USB線以及Windows驅(qū)動程序編寫等內(nèi)容，要求學生分組進行設計課題的制作，設計課題由學生自選題目，該題目可以與每年進行的全國大學生電子設計大賽項結(jié)合，以發(fā)揮學生的創(chuàng)造性和積極性。對于綜合性和創(chuàng)新性實驗，學生需要撰寫實驗報告，總結(jié)個人實驗的結(jié)果和體會，通過實驗報告的撰寫可以培養(yǎng)學生對科技活動的總結(jié)能力，科技論文的寫作能力。并且采取課堂匯報的方式，由學生講解、演示，教師提問的方式進行考核。學生通過課題設計熟悉用語言實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的多種方法，學會工程調(diào)試的基本思想，理解數(shù)字系統(tǒng)設計的整體概念，體會團隊合作的重要性。使學生具有了一定的軟硬件開發(fā)能力，還可以讓學生了解當前計算機應用領(lǐng)域的先進技術(shù)，接受新的設計思想和方法，培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新能力，可以更好地適應今后的工作和學習，達到良好的實驗效果。

四、結(jié)束語

計算機硬件基礎課程是一門理論性和實踐性都很強的課程。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，課程的內(nèi)容也產(chǎn)生了很多新的元素，這就要求改進傳統(tǒng)的實踐教學模式以適應素質(zhì)教育和鼓勵創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求。基于口袋實驗室的計算機硬件課程教學模式可以在學時數(shù)有限的約束條件下，為達到較好的教學效果提供支持，體現(xiàn)學生自主學習的新思路。解決計算機硬件基礎課程重理論、輕實踐的弊端，改善硬件類課程實驗設備不足、教學力量薄弱的瓶頸，增強學生的動手能力。

[1]劉多文.關(guān)于計算機硬件實驗教學改革的思考[J].電腦知識與技術(shù)，2010，（19）.

[2]熬志光.非計算機專業(yè)“計算機硬件技術(shù)基礎”課程教學研究[J].計算機教育，2009，（10）.

[3]黃雷，南建國.“計算機硬件技術(shù)基礎”實踐教學改革探討[J].軍隊院校計算機基礎教學探索研究，2010.

G642.0

A

1674-9324（2014）42-0165-03

宋大虎（1977-），男，陜西乾縣人，博士，講師，研究方向：圖形圖像處理。