計算機硬件課程教學方法改革的思考

沈澍　李鵬　劉大勇

摘 要：文章針對“互聯網+”時代計算機硬件課程的現狀，分析了該類課程在新時代所面臨的挑戰(zhàn)，從而提出了必須注重硬件課程相互之間的融通以及硬件課程與其他類別課程的聯系；同時要注重加強以參與科研項目和學科競賽為主要形式的課外實踐訓練，關注學生硬件與軟件能力協(xié)同發(fā)展的觀點。

關鍵詞：互聯網+；計算機硬件課程；教學方法

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2017）07-0045-02

隨著中國社會進入“互聯網+”時代，在“萬眾創(chuàng)業(yè)，大眾創(chuàng)新”的大環(huán)境下，IT領域中各項新興技術層出不窮，例如應用于各領域的智能電子設備、可穿戴設備、人工智能等。這些新興技術又都與計算機硬件緊密聯系，于是社會對當前的計算機硬件類專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了新要求。以人工智能為例，國家發(fā)改委、科技部等幾部門聯合發(fā)布的《“互聯網+”人工智能三年行動實施方案》中明確提出，“培養(yǎng)發(fā)展人工智能新興產業(yè)”、“推進重點領域智能產品創(chuàng)新”和“提升終端產品智能化水平”等三點目標，同時強調方案實施的關鍵是大量的“互聯網+人工智能”專業(yè)人才。由此可見，時代的發(fā)展方向正要求對計算機硬件課程進行調整，勢必會引領計算機的軟硬件課程的協(xié)同發(fā)展，開展新一輪的計算機教學內容的整合和教學方法的改革。

一、計算機硬件類課程現狀

（一）計算機硬件課程設置現狀

從計算機專業(yè)本科生的培養(yǎng)計劃可見，軟件類課程仍占據主導地位，而硬件類課程則相對較少。筆者以南京郵電大學信息類各專業(yè)的培養(yǎng)計劃為例，將與計算機硬件相關的課程整理在表1當中。根據各專業(yè)的培養(yǎng)計劃的具體要求不同，課程會放在不同學期進行授課。

表1 計算機硬件類課程的設置

（二）計算機專業(yè)現有培養(yǎng)模式的特點

通過長期對計算機專業(yè)本科生在教學以及畢業(yè)設計過程中的表現的調查和研究[1-3]，筆者發(fā)現“欺軟怕硬”的現象很普遍。所謂“欺軟怕硬”，是指學生對軟件類課程的學習熱情和掌握情況要遠遠好于硬件類課程。由此形成了學生在畢業(yè)設計選題時對軟件類題目趨之若鶩，而硬件類題目則無人問津的局面。通過與學生的交流和教學過程中的思考，同時借鑒了相關文獻的研究經驗[4-5]，筆者認為目前的局面是由現有的培養(yǎng)模式決定的，其特點可以總結如下。

1.想法可以快速實現并驗證，因此大多數學生更喜歡軟件。2.相較于軟件類課程，硬件類課程內容顯得較枯燥。3.不同的硬件課程采用不同的實驗設備，不便于學生貫通式地掌握系統(tǒng)化知識。4.硬件類課程的實驗教學與實際開發(fā)有較大區(qū)別，實驗技能往往無法直接用于實際項目開發(fā)。5.教學實驗設備無法為教師的科研項目提供支撐，教師將科研與教學實驗相結合的熱情不高。6.實驗室人員需要花費大量時間維護各種硬件實驗設備。

二、“互聯網+”時代計算機硬件課程面臨的挑戰(zhàn)

“互聯網+”是將互聯網作為當前信息化發(fā)展的核心特征，提取出來，并與工業(yè)、商業(yè)、金融業(yè)等服務業(yè)全面融合。其核心是創(chuàng)新，只有創(chuàng)新才能讓這個“+”真正有價值、有意義。在分析了目前市場上的各種“互聯網+智能硬件”后，筆者認為對計算機硬件課程發(fā)展的挑戰(zhàn)主要體現在以下幾點。

（一）個體化向網絡化的轉變

目前的計算機硬件課程基本都是面向個體化設備的，無論是“計算機體系結構”課程中側重對計算機系統(tǒng)的性能評價，還是“計算機組成原理”課程中著重于運算器、控制器、存儲器、指令系統(tǒng)各部分的設計和組成，抑或是“微型計算機原理與接口技術”課程中關注的CPU工作原理和常用外設與主機的連接方法等，無一例外是在單一設備上進行。而“互聯網+”所倚重的物聯網、云技術和大數據等技術則需要網絡化設備進行分布式的協(xié)同工作。這是傳統(tǒng)的計算機硬件課程在教學和實驗環(huán)節(jié)中比較欠缺的。

（二）功能化向智能化的轉變

學習了計算機硬件課程后，學生大多能熟悉和了解對于實現特定功能的硬件系統(tǒng)的開發(fā)流程。但是目前的“互聯網+智能硬件”已經不僅僅局限于實現某個或某幾個簡單的功能，而是更多地強調可以進行“隨機應變”的智能化屬性，這就要求學生不僅要學好硬件類課程，還需要對人工智能、機器學習、云計算等相關領域的知識有廣泛的涉獵。

（三）低成本至高性價比的轉變

在以往的硬件開發(fā)中，特別是在對價格較敏感的某些應用領域，開發(fā)者往往更重視對硬件成本的控制。隨著微電子技術的快速發(fā)展，各芯片及相關的外設和傳感器的價格不斷降低，如今人們對成本的要求已經不像以往那么嚴苛了，人們往往更注重性能或者說是性價比的提升。目前的硬件課程中介紹的芯片大都是很久以前的產品，如何使課程與時俱進是課程改革中需要關注的問題。

三、計算機硬件課程教學方法改革的策略

（一）注重課程間的聯系與融通

課程之間的聯系其一是指計算機硬件課程之間的，其二是指硬件類課程與其他類課程的。首先來看計算機硬件課程之間的聯系，這里仍以表1中所列的幾門課程為例。前文已經提及這幾門課程的側重點不同，但是各課程的主要內容又互為依托，是學習其他課程的有效載體。如果學生能夠先學好其中的一門課，那么對后續(xù)相關課程的學習會有很大幫助，達到事半功倍的效果。另外，假設教師能夠對這幾門課程中的核心內容進行一定的梳理并加以整合，不僅可以節(jié)約出一定的課時，還可幫助學生理清楚各門課程之間的關系，有針對性地進行學習。其次來看硬件課程與其他類課程之間的聯系。在“互聯網+”時代，硬件類課程與軟件類課程、網絡類的課程的聯系必然越發(fā)緊密。比如，在“匯編語言程序設計”課程中，因為學生已經有了“高級語言程序設計”和“算法”課程的編程基礎，所以在該課程中教師才能夠把主要精力放在對指令集的講解上，通過與高級語言編程的對比也有助于學生理解匯編語言編程的特點。另一個例子是關于計算機網絡課程與硬件課程的聯系，在計算機網絡體系結構里位于下三層通信子網的路由器等硬件設備，本質上可以看成是一種具有多輸入輸出端口的專用計算機，其結構可以在“計算機組成原理”這門課程里得到深入理解。

（二）注重與科研競賽的結合

因為“實踐是檢驗真理的唯一標準”，“興趣是最好的老師”，所以合理有效地安排好學生的課外實踐活動，并制定出適合的成長目標是至關重要的。筆者通過在教學過程中的實踐經驗發(fā)現，大學生參與課外實踐的形式主要是參與科研項目和學科競賽。

1.硬件課程與科研項目的結合。筆者將大學生可以參與的科研項目分為兩類：一類是以學生為主導的項目，另一類則是以教師為主導的科研項目。前者最典型的是大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（STITP）。以南京郵電大學為例，學校和各學院對硬件類的STITP項目格外重視，特別鼓勵教師和學生申報硬件類課題，并且明確規(guī)定了硬件類項目申報數必須達到的最低比例。通過申報和參加此類項目，學生可以在教師的指導下自主地進行選題、查資料、撰寫申請書、制定研究方案的步驟。由于申請項目是學生主動意愿的體現，所以可以在一定的程度上避免課堂教學中學生的被動性。后者一般是教師所承擔的各種科研項目。這些科研項目以教師為主導，而且很多是對國際或國內前沿科研與技術領域的積極嘗試，對本科高年級的某些優(yōu)秀學生的自我提升會有非常大的幫助。通過參加這些科研項目，學生可以拓展視野，鍛煉團隊協(xié)作能力。更重要的是通過完成項目計劃中的既定目標，提高了自信心和求知欲，對今后的科研或工作是大有裨益的。

2.硬件課程與學科競賽的結合。大學生參與實踐的另外一個重要形式是參加學科競賽。相較于以“全國大學生數模競賽”為代表的軟件類競賽，硬件類競賽也是很豐富的。其中最重要的一項競賽便是“全國大學生電子設計競賽”，此外近年來還出現了一些與硬件課程相關的旨在培養(yǎng)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的比賽，比如“全國大學生物聯網設計競賽”、“3S杯全國大學生物聯網技術與應用‘三創(chuàng)大賽”等。根據學生在課程學習時實驗或課程設計、參與科研項目時的完成情況，選拔和鼓勵一部分能力突出的學生參加競賽。在這個過程中，學生勢必要能夠熟練掌握競賽涉及的計算機硬件類課程的相關知識，這樣可以加深對所學課程的理解，鍛煉解決實際問題的綜合能力，從而增加項目實踐經驗。若他們能在競賽中取得好成績，還會對自身培養(yǎng)科研興趣和增強科研信心有好處。

參考文獻：

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[5]陳輝，李敬兆，詹林.計算機專業(yè)硬件課程教學改革探索

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[責任編輯 包玉紅]