計算機科學與技術專業硬件課程教學改革與實踐

墻威　曹蕙

摘要：分析目前的教學現狀和國內外高校相關教學工作，提出以“微機接口技術與應用”課程作為切入點，在教學內容和方式、實踐環節、課程考核和課外活動等方面進行教學改革，探討適應技術進步和學科均衡發展的教學模式。

關鍵詞：計算機科學與技術；教學改革與實踐；硬件課程教學；微機接口技術與應用

0.引言

計算機科學與技術是發展變化較快的領域之一，這對于該方向的高等教育產生了重大而深遠的影響，學科的內涵和外延都在迅速地擴大。目前已有的課程體系已經跟不上技術的進步，無法滿足相關專業技術人才培養的需要，這一點在計算機硬件相關課程的開設和教學實踐中表現得尤為突出。隨著嵌入式技術和移動互聯網的發展，軟硬件融合和軟硬件協同設計日益成為未來計算機發展的重要方向之一。然而，在目前計算機科學與技術專業的本科生教學實踐過程中，往往強調培養學生的算法設計和程序開發能力，對于計算機硬件系統的設計和應用卻沒有給予足夠的重視。從長期看，這不僅不利于整個學科的均衡發展，也會對計算機科學與技術專業本科畢業生的就業產生影響。

1.目前教學模式中存在的問題

在計算機科學與技術專業的教學中，與計算機硬件相關的課程主要包括數字邏輯、計算機組成原理、匯編語言程序設計、微機接口技術與應用、計算機體系結構和計算機網絡等。這些課程包括了計算機硬件各個層面的基礎知識，而且安排了相應的課程設計，對于本科教學是十分必要的。但是，隨著計算機學科的發展，這樣的教學安排并不能反映技術進步對于人才培養的要求。雖然在上述專業課的教學過程中，可以根據當前技術的發展加入新的教學內容，然而這些內容往往分散在各門獨立的課程中，沒有形成有機的整體。在實踐中，這些專業課彼此獨立進行教學，部分課程內容重疊，部分課程內容被忽略。目前以課程教學為主，加上實驗及課程設計的教學模式也不利于調動學生的主觀能動性。因此，如何對現有的教學模式進行改革，在教學實踐中融入最新的技術進步，充分調動學生的學習積極性，是一個亟待解決的重要問題。

2.教學改革的切入點

計算機科學與技術專業硬件課程教學改革涉及多門學科基礎課、專業主干課和實踐課程，是一個十分復雜的課題。要想一次對所有課程同步改革，無疑十分困難，且充滿不確定因素。在計算機硬件相關的課程中，微機接口技術與應用是一門十分重要的專業主干課，它以數字邏輯和計算機組成原理等課程為先修課程，與匯編語言程序設計相互配合，形成完整的教學和實踐體系，為計算機體系結構和計算機網絡等后續課程的學習以及實際應用開發打下基礎。該課程的教學實踐不僅可以綜合運用前面學過的知識，而且具有很大的可擴展性，可以引入單片機技術、嵌入式系統和可編程邏輯器件等內容。因此，我們選擇微機接口技術與應用課程作為切入點，先從這一門課程人手進行教學改革與實踐，在此基礎上總結經驗教訓，然后逐步向其他課程推廣。在目前的教學狀況下，以一門課程作為切入點進行教學改革，具有實施方便、可操作性強的優點，避免了在實際執行過程中，由于涉及因素過多，難以協調，導致具體的教學改革措施無法落實到位。

3.課程教學現狀

作為計算機科學與技術專業的一門重要的專業主干課，微機接口技術與應用課程的開設已經有20多年的歷史了。這期間隨著計算機技術的飛速發展，課程內容也在不斷發展變化，使得該課程目前處于一個相對尷尬的地位。一方面，隨著嵌入式系統的發展，微機系統在工業界的應用正在減少，針對微機系統設計的各種接口標準逐漸退出歷史舞臺；另一方面，計算機科學與技術專業的發展要求進一步加強對于學生在計算機硬件系統應用和軟硬件協同設計方面的培養，這就為相關課程的教學改革提供了一個良好的契機。

目前微機接口技術與應用課程的主要內容包括：總線與接口標準、I/O端口地址譯碼技術、定時/計數技術、直接存儲器訪問技術、中斷技術、存儲器接口、并行接口、串行接口、人機交互設備接口等。這些內容基本覆蓋了當前微機接口技術的各個方面，為進一步學習其他接口奠定了基礎，但是這樣的課程安排也存在諸多問題。第一，課程內容中無法反映出計算機硬件技術的最新發展和實際應用。考慮到單片機雖然是一個較老的技術，但由于使用簡單、性能穩定和價格非常便宜等優點，仍然廣泛應用在各個工業領域，同時，以ARM等處理器為核心的嵌入式設備正日益成為當前的主流技術，可編程邏輯系統的設計在實踐中被廣泛應用，這些內容在目前的計算機科學與技術專業硬件課程體系中都沒有得到很好的反映。第二，教學內容與先修課程存在重疊的情形。例如，總線接口標準、存儲器訪問方式等內容已經包括在計算機組成原理課程中，雖然教學的側重點有所不同，但重復的內容無疑會占用寶貴的學時，降低學生的興趣。第三，部分教學內容在先修課程中被忽略了，在后續課程中也沒有得到很好的體現。例如，在計算機組成原理課程中強調CPU的一般工作原理，而缺少對于實際應用中廣泛存在的80x86系列CPU芯片的工作模式和外部特性的講解，這一點尚不及在其他非計算機科學與技術專業開設的微機原理與接口技術課程，導致學生在學習微機接口技術與應用課程時，存在先修課程的知識空白，很大程度上影響了教學效果。

4.教學改革的思路

隨著計算機技術的發展，微處理器從8位發展到64位，單片機、嵌入式系統和可編程邏輯器件等技術逐漸成為主流，如何適應技術的進步成為教學改革首要解決的問題。在國內，針對微機接口技術與應用的課程教學和實踐，很多高校都進行了有益的探索。根據從國家精品課程網獲得的資料，大多數重點高校都從自身的實際情況出發，在以下幾個方面不斷地對課程進行調整：第一，采用以32位微處理器為核心的微機系統和接口技術進行教學，在教學過程中，跟蹤微處理器技術的最新發展，包括64位微處理器、多核處理器和并行編程技術。第二，在教學中不再包括單片機的內容，而將其歸人課程設計等實踐環節。第三，將以ARM等處理器為核心的嵌入式系統的內容加入到現有的教學內容中。第四，在課程設計等實踐環節中加入可編程邏輯器件的內容。這些措施對于豐富課程教學的內容，提高學生的學習積極性，培養學生的動手實踐能力都具有十分重要的意義，并取得了一定成效。然而，由于學時和實驗條件的限制，這些做法在很多高校難以全面推廣，只能根據具體情況，選擇部分內容實施。

在國外，由于本科生的培養模式與國內的高等學校不同，課程設置也與國內有較大差異。與國內的教學大綱和課程安排不同，國外高校的課程設置更加靈活，特別是在一些著名大學，沒有特別細致的課程劃分，更注重學生的學習和實踐能力培養，一門課程往往包含十分廣泛的內容，雖然不過分關注于每一個知識點，但是強調對基本設計理念和技術本質的把握。這賦予了教學極大的靈活性，不僅對教師的教學工作提出了很高的要求，也給學生的自學留下了廣闊的空間。麻省理工學院開設的相關課程包括Principles of Compeer Systems和Introductory Digital Systems Laboratory，主要包括計算機系統基本工作原理的介紹，以及數字系統部件的設計。加州理工學院開設課程Principles of Microprocessor Systems，著重講解微處理器系統的基本原理，把技術細節和學生的實踐能力培養放到與之相關的實驗Microprocessor Systems Laboratory和課程設計Microprocessor Proiect Laboratory中。哈佛大學計算機科學專業不僅開設了Computing Hardware和Compeer Architecture課程，其中包括計算機硬件和體系結構的基本知識，而且還開設了大規模集成電路系統設計課程Design of VLSI Circuits and Systems，這為國內的計算機科學與技術專業硬件課程教學改革與實踐提供了參照。

5.教學改革的實施

針對上述提出的計算機科學與技術專業硬件課程教學改革思路，選取微機接口技術與應用作為教學改革的切入點，結合目前課程教學的實際情況，改革具體措施包括教學內容和方式、實踐環節、課程考核和課外活動等方面。

5.1教學內容和方式

我們將課程教學內容和方式分為4種不同的類型：第一，按傳統方式教學的部分，主要針對貫穿整個課程的基本概念和設計思想，以及典型的接口芯片實例，內容包括總線與接口標準、I/O端口地址譯碼技術、ARM系列嵌入式微處理器簡介。第二，采用學生自學和課堂討論的方式進行教學的部分，主要針對重要的接口芯片及其實現技術，內容包括定時/計數技術、中斷技術、并行接口、串行接口等。第三，布置學生自學的重要內容，這些內容對于理解計算機硬件的設計思想和接口技術的實際應用都具有重要的意義，學生在一些先修的課程中已經有所了解，內容包括80x86系統結構、系統資源軟接口、直接存儲器訪問技術、存儲器接口、人機交互設備接口等。第四，在實踐環節學習的內容，這些內容實踐性強，不占用課堂教學時間，留給學生自學并完成相關實驗，內容包括D/A和A/D轉換接口等。對于課堂討論的內容，預先布置討論的題目，在課堂上檢驗學生自學的效果，對于學生自學的內容，以作業和報告的形式督促學生完成。

5.2實踐環節

教學實踐環節包括實驗和課程設計。實驗主要針對一些具體的接口芯片的應用，內容包括I/o端口地址譯碼、掃描式鍵盤、數碼LED顯示、定時/計數器、D/A和A/D轉換等。通過實驗檢查學生的學習效果，具體實驗方案可以由學生自主設計，并以個人或小組為單位進行演示。課程設計考查學生綜合運用所學知識的能力，注重培養學生動手實踐和團隊協作精神。布置給學生若干不同難度系數的題目，學生按照自愿的原則形成設計小組，根據自己的實際情況選擇設計題目，也可以根據所學的知識自行決定設計題目。實踐環節是課程教學改革與實踐的重要組成部分，也為學生靈活運用所學知識和充分發揮創造力提供了機會。實驗條件是實踐環節的物質保障，主要包括三種類型：第一，傳統的可配置綜合實驗箱，主要用于在專用實驗室完成實驗任務。實驗箱有地址譯碼電路模塊，將實驗箱上的接口芯片地址映射到計算機的地址譯碼系統，通過PCI插卡或USB總線與計算機連接，就可以直接對相應的接口進行讀寫操作。第二，虛擬仿真軟件實驗平臺，通過軟件仿真，實現各種硬件設計功能，在實踐上具有很大的靈活性，不受實驗室條件的限制，而且不會有設備損壞、折舊等問題的困擾，能充分調動學生的學習積極性，還可以在課堂討論中使用。目前各類虛擬仿真軟件實驗平臺很多，常用的工具軟件包括用于單片機和嵌入式系統仿真的Proteus軟件，以及用于FPGA設計和仿真的ModelSim和Quartus II軟件等。第三，獨立的單片機/ARM系列嵌入系統/FPGA開發板，隨著技術的不斷發展，這類獨立的開發裝置價格越來越便宜，市場上還出現了Raspberry Pi等各種類型的產品，為計算機教育提供了巨大的便利。可以在課程教學的開始，將課程設計任務布置下去，同時以小組為單位為學生提供這類開發裝置，讓學生隨時有機會動手實踐，還可以在課堂上演示設計作品。

5.3課程考核

課程考核是教學改革的重要組成部分，傳統的閉卷考試方式不利于調動學生的學習積極性、主動性和創造性。可以將課程考核的成績分為課堂表現、平時作業、實驗完成情況、設計作品演示等組成部分，采用加權平均的方式給出最終的成績。這樣將學生的考核成績與平時的學習表現和設計作品的水平聯系起來，充分調動學生平時學習的積極性和主動性，避免了在傳統課程考核模式下，學生考前突擊的學習方式。

5.4課外活動

在課程教學結束后，選出優秀的作品，指導有興趣的學生繼續開展工作。可以在原有作品的基礎上完善和發展，也可以根據所學的知識進行新的設計。對于創新性強的作品，還可以指導學生申請專利以及參加包括全國大學生電子設計競賽、挑戰杯全國大學生課外學術科技作品競賽等各種科技活動。在這些活動中，學生可以為自己兩年后的畢業設計做準備，教師也可以選擇優秀的學生參加到自己的科研工作中來，形成互利共贏的局面。

6.結語

計算機科學與技術專業硬件課程教學改革是計算機學科快速發展變化的必然要求。改革成功與否的關鍵在于能否從學校和學生的實際情況出發，找到合適的切入點，解決目前教學工作中存在的問題。教學改革的措施必須具有可行性，從大處著眼，小處人手，創造互利共贏的局面，不能成為教師和學生的負擔。一個良性循環的教學模式，必然使教育者和受教育者都在教學實踐活動中受益，并且得到發展和提高。

（編輯：郭田珍）