計(jì)算機(jī)硬件課程改革方法分析
——以計(jì)算機(jī)組成原理課程為例＊

伊犁師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)安全與信息技術(shù)學(xué)院 林玲 許東耀

本文針對(duì)計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)中存在的難教、難學(xué)問(wèn)題，以計(jì)算機(jī)組成原理課程為例，提出對(duì)照新工科教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)修改課程教學(xué)大綱，采用混合式的教學(xué)理念滿(mǎn)足多層次需求，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)模式激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的教學(xué)改革措施。

計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)軟件和硬件課程，軟件課程主要有C語(yǔ)言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、Python、Java、3D Max、數(shù)據(jù)庫(kù)等程序設(shè)計(jì)類(lèi)和應(yīng)用軟件類(lèi)課程，其教學(xué)內(nèi)容實(shí)用性強(qiáng)，有立竿見(jiàn)影之效果，因此，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性也較高；硬件課程主要有數(shù)字電路、匯編語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)等，硬件課程教學(xué)內(nèi)容抽象，學(xué)習(xí)難度較高，學(xué)生存在“欺軟怕硬”的心里，學(xué)習(xí)積極性不高[1，2]。例如，計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)硬件核心課程之一，屬于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)碩士研究生入學(xué)考試科目。計(jì)算機(jī)組成原理課程內(nèi)容涉及計(jì)算機(jī)內(nèi)部工作機(jī)制，重點(diǎn)講解運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出系統(tǒng)及各部件之間的聯(lián)系。由于計(jì)算機(jī)硬件的內(nèi)部工作機(jī)制學(xué)生看不到摸不著，內(nèi)容抽象，學(xué)習(xí)起來(lái)比較乏味枯燥。

在日益復(fù)雜的國(guó)際形勢(shì)下，沒(méi)有自主可控的硬件核心技術(shù)就沒(méi)有信息安全。國(guó)家的發(fā)展需要軟硬兼顧的系統(tǒng)級(jí)工程師，熟悉計(jì)算機(jī)底層的工作原理才能應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)空間安全、國(guó)防安全等信息技術(shù)領(lǐng)域的復(fù)雜問(wèn)題。因此，研究如何提高計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)教學(xué)效果，特別是硬件類(lèi)課程的教學(xué)質(zhì)量是計(jì)算機(jī)教育界關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題[3，4]。通過(guò)多年的計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理與接口技術(shù)、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)等硬件類(lèi)課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與教學(xué)過(guò)程的思考，結(jié)合與學(xué)生的交流探討、文獻(xiàn)借鑒，從以下幾個(gè)方面探討計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)中存在的問(wèn)題和改進(jìn)措施。

1 計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)硬件課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.1 學(xué)生對(duì)硬件課程重要性的認(rèn)識(shí)不足

計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的硬件課程主要有：《數(shù)字邏輯電路分析》《計(jì)算機(jī)組成原理》《微機(jī)原理與接口技術(shù)》《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》《嵌入式系統(tǒng)》等，這些課程中原理層面的內(nèi)容較多、技術(shù)含量高，要求具有一定的實(shí)踐性。而在實(shí)際教學(xué)中，由于資金、更新?lián)Q代等原因?qū)嵺`教學(xué)環(huán)節(jié)比較薄弱，導(dǎo)致理論不能聯(lián)系實(shí)際，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中經(jīng)常感到抽象、繁瑣、枯燥、無(wú)從下手，認(rèn)為硬件課程只是了解計(jì)算機(jī)內(nèi)部的工作原理，實(shí)際應(yīng)用中作用不大，只要對(duì)硬件課程內(nèi)容有所了解，考試能過(guò)即可。實(shí)際上，社會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件人才的需求供不應(yīng)求。例如，光刻機(jī)是制造處理器芯片的核心裝備，雖然我國(guó)已掌握光刻機(jī)技術(shù)，能制造90nm制程的光刻機(jī)，但是與國(guó)外5nm工藝相比差距還很大，需要大力培養(yǎng)計(jì)算機(jī)硬件核心技術(shù)人才。

1.2 理論內(nèi)容抽象，學(xué)生難以掌握

大部分的硬件課程理論內(nèi)容抽象，利用傳統(tǒng)單一的多媒體PPT教學(xué)模式很難讓學(xué)生理解其硬件內(nèi)部工作機(jī)制。如計(jì)算機(jī)的控制器由程序計(jì)器(PC)、指令寄存器（IR）、指令譯碼器、脈沖源及啟停線(xiàn)路、時(shí)序信號(hào)形成部件組成。控制器的控制信號(hào)有脈沖信號(hào)和電平信號(hào)兩種形式，而這兩種控制信號(hào)是通過(guò)微程序控制、硬布線(xiàn)控制兩種方式生成。兩種控制信號(hào)生成方式的工作原理不同，芯片層面的概念、原理，看不到摸不著難以想象，僅憑單一模式的PPT講解學(xué)生很難掌握。

1.3 硬件課程師資隊(duì)伍緊缺

近些年隨著招生規(guī)模的擴(kuò)大，很多高校師生比超標(biāo)，特別是西部邊疆地區(qū)高校的師生比超出了國(guó)家規(guī)定的最低限。西部邊疆地區(qū)的高校師資緊缺，缺乏系統(tǒng)性掌握計(jì)算機(jī)硬件課程的好老師。很多高校，多年講授一兩門(mén)硬件課程的教師較多，而全面、系統(tǒng)地講授過(guò)多門(mén)硬件課程的教師較少。多輪次講授一門(mén)硬件課程，能夠使教師對(duì)該門(mén)課程的重難點(diǎn)把握更透徹，講好這門(mén)課。但是，如果沒(méi)有多門(mén)硬件課程的講授經(jīng)歷，教師對(duì)前后導(dǎo)課程之間的銜接性、課程之間重疊內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的整體性、系統(tǒng)性把握不夠。教師對(duì)硬件課程之間的銜接關(guān)系、系統(tǒng)性把握不到位，就談不上讓學(xué)生系統(tǒng)地掌握計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)。

1.4 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絾我唬到y(tǒng)性不足

目前，大部分的高校開(kāi)設(shè)的硬件課程實(shí)驗(yàn)主要以驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)為主，例如在《計(jì)算機(jī)組成原理》這門(mén)課程主要包括運(yùn)算器的組成、存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)通道實(shí)驗(yàn)、微程序控制實(shí)驗(yàn)、CPU組成與指令周期等實(shí)驗(yàn)。在微機(jī)原理接口技術(shù)這門(mén)課中，學(xué)生主要完成并行接口8255A應(yīng)用設(shè)計(jì)、串行接口8251應(yīng)用設(shè)計(jì)、RAM擴(kuò)充設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器8253應(yīng)用設(shè)計(jì)、ADC0832綜合實(shí)驗(yàn)、ADC0809綜合實(shí)驗(yàn)。大部門(mén)的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程主要以實(shí)驗(yàn)箱為主，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生僅按實(shí)驗(yàn)教材給定的實(shí)驗(yàn)步驟，連接電路圖，執(zhí)行實(shí)驗(yàn)箱廠(chǎng)商提供的C或匯編語(yǔ)言現(xiàn)成程序，觀(guān)察、記錄、驗(yàn)證預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告即可。這種單一的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑹o(wú)法鍛煉和提高學(xué)生的實(shí)踐能力，不能很好地將所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，收獲不大，感覺(jué)無(wú)多大意義。硬件實(shí)驗(yàn)課程雖然有對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，但實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較簡(jiǎn)單，難度偏低。缺少設(shè)計(jì)性、擴(kuò)展性、綜合性實(shí)驗(yàn)，各章節(jié)之間的連貫性、系統(tǒng)性不足。

2 計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)硬件課程教學(xué)改革探索

2.1 對(duì)照國(guó)家工程教育認(rèn)證指標(biāo)修改課程教學(xué)大綱

計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案應(yīng)符合教育部工科教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。工程教育認(rèn)證是一種基于產(chǎn)出導(dǎo)向（Outcomesbased Education，OBE）的教育模式，其核心思想是培養(yǎng)出的畢業(yè)生應(yīng)具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力和素養(yǎng)[5-7]。為了提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，適應(yīng)建設(shè)現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)步伐，圍繞解決復(fù)雜工程問(wèn)題，針對(duì)學(xué)生應(yīng)用工程知識(shí)、解決分析問(wèn)題的能力、應(yīng)用現(xiàn)代化技術(shù)管理項(xiàng)目工程的技能、終身學(xué)習(xí)的態(tài)度等4個(gè)方面對(duì)人才培養(yǎng)方案、課程體系設(shè)置、師資隊(duì)伍結(jié)構(gòu)、教學(xué)方法等進(jìn)行教育教學(xué)改革。同時(shí)，充分分析地域經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和行業(yè)結(jié)構(gòu)，依據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展和前進(jìn)步伐，因地制宜地開(kāi)設(shè)軟、硬件課程教育，培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的專(zhuān)業(yè)人才，著重增加實(shí)踐、操作、研發(fā)等領(lǐng)域的教育。例如：開(kāi)設(shè)計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)、局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)、DSP技術(shù)、單片機(jī)等硬件課程，通過(guò)計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠獨(dú)立組裝給定配置要求的PC機(jī)，能進(jìn)行計(jì)算機(jī)軟、硬件的安裝、拆除、調(diào)試、升級(jí)，及常見(jiàn)的故障診斷和排除；在局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程中要求學(xué)生掌握，建立局域網(wǎng)的物理連接、建立局域網(wǎng)的工作環(huán)境、組建和管理基于工作組的局域網(wǎng)、組建和管理基于域的組網(wǎng)和管理方法、將局域網(wǎng)接入Internet、建立和管理代理服務(wù)器等。這些硬件課程的學(xué)習(xí)不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了實(shí)踐操作能力，更是滿(mǎn)足了當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才的剛性需求。

2.2 引入課程思政提高學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣

計(jì)算機(jī)技術(shù)是我國(guó)邁向現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)的主要技術(shù)之一。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)雖然在5G、高鐵、特高壓、超高橋梁、光伏領(lǐng)域達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，但也存在很多卡脖子技術(shù)受限于國(guó)外，如：光刻機(jī)、機(jī)器人、精密儀器、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)等。在“枯燥”的硬件課程中，引入思政元素，結(jié)合國(guó)產(chǎn)CPU的發(fā)展歷程和面臨的技術(shù)、材料、工藝、EDA軟件等多方面的境遇，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和團(tuán)隊(duì)精神，激發(fā)學(xué)生投身于國(guó)產(chǎn)IT生態(tài)自主可控事業(yè)的使命感。介紹我國(guó)計(jì)算機(jī)發(fā)展的艱辛歷程、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境和取得的成績(jī)，激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷和責(zé)任擔(dān)當(dāng)，明確歷史使命和責(zé)任擔(dān)當(dāng)。引導(dǎo)學(xué)生攀登科技高峰，努力學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)的道路上奮發(fā)圖強(qiáng)，為國(guó)爭(zhēng)光。

2.3 充分利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，做好課前預(yù)習(xí)課后輔導(dǎo)總結(jié)

在國(guó)家的大力支持下“互聯(lián)網(wǎng)+教育”時(shí)代涌現(xiàn)了大量國(guó)家級(jí)精品課程和形式多樣的IT教育教學(xué)平臺(tái)。充分利用國(guó)家提供的優(yōu)質(zhì)免費(fèi)資源，注重課前預(yù)習(xí)、課后輔導(dǎo)總結(jié)是提高教學(xué)效果的有效途徑。課前讓學(xué)生看慕課、微課，自主學(xué)習(xí)相關(guān)仿真軟件，課后督促學(xué)生在指定的平臺(tái)上提交作業(yè)、完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。鼓勵(lì)學(xué)生充分利用中國(guó)慕課大學(xué)、頭哥實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)、超星爾雅平臺(tái)課程、233網(wǎng)校資源對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)一步深化和拓展學(xué)習(xí)。教師應(yīng)結(jié)合生源結(jié)構(gòu)、學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)選擇合適的平臺(tái)和優(yōu)質(zhì)課程，引導(dǎo)學(xué)生利用課外碎片時(shí)間拓展學(xué)習(xí)。同時(shí)，教師應(yīng)學(xué)會(huì)利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)對(duì)課進(jìn)行科學(xué)管理，及時(shí)批改作業(yè)，通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)了解、掌握學(xué)生學(xué)習(xí)狀況，做好課后輔導(dǎo)與答疑。

2.4 采用混合式的教學(xué)理念滿(mǎn)足多層次需求

不同省份的高考及招生模式導(dǎo)致同一個(gè)班級(jí)的學(xué)生存在基礎(chǔ)差異較大，起點(diǎn)不同，對(duì)硬件課程的掌握、消化程度不同。采用統(tǒng)一的教學(xué)模式會(huì)帶來(lái)“學(xué)習(xí)好的學(xué)生吃不飽，學(xué)習(xí)差的學(xué)生跟不上”的現(xiàn)象。為了滿(mǎn)足不同層次的學(xué)生需求，在教學(xué)大綱中應(yīng)給出不同難度階段的教學(xué)計(jì)劃與目標(biāo)，采取大班/小班混合、線(xiàn)上/線(xiàn)下混合、師教/生學(xué)混合、現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)程融合等多形式課堂混合，以生講生評(píng)、以練代講、案例點(diǎn)評(píng)、研討辯論、項(xiàng)目探究、邊講邊練、師導(dǎo)生演、平行互動(dòng)、邊做邊評(píng)、生問(wèn)生答等多種混合教學(xué)模式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣滿(mǎn)足不同層次學(xué)生的需求。

2.5 以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)模式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

面向工程教育認(rèn)證的OBE理念是以學(xué)生為中心，將學(xué)生放在中心主體地位，調(diào)動(dòng)和激發(fā)學(xué)生的積極性、使學(xué)生自主參與到教育教學(xué)當(dāng)中，將學(xué)到的知識(shí)轉(zhuǎn)化為工程實(shí)踐能力為最終培養(yǎng)目標(biāo)。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，以完成一個(gè)具體項(xiàng)目為主線(xiàn)開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，提出項(xiàng)目問(wèn)題，讓學(xué)生分組討論，項(xiàng)目小組既分工又協(xié)同合作共同完成項(xiàng)目。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教從某種程度上能改變傳統(tǒng)的“重講授、輕參與”“重理論、輕實(shí)踐”的教學(xué)模式，項(xiàng)目完成時(shí)學(xué)生學(xué)會(huì)了查閱資料，自我解決問(wèn)題和工程實(shí)踐能力。例如：在計(jì)算機(jī)組成原理課程中以CPU的設(shè)計(jì)為主線(xiàn)，將實(shí)驗(yàn)分解為運(yùn)算器設(shè)計(jì)、寄存器文件設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)、總線(xiàn)和控制器設(shè)計(jì)，最終完成簡(jiǎn)單CPU的設(shè)計(jì)。

2.6 加強(qiáng)硬件課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)

教學(xué)團(tuán)隊(duì)是以學(xué)生為服務(wù)對(duì)象，以技能互補(bǔ)、相互協(xié)作、相互溝通的教師為主體，以改革教學(xué)內(nèi)容和方法為主要途徑，以系列課程和專(zhuān)業(yè)建設(shè)為平臺(tái)，以提高教師教學(xué)水平、教育質(zhì)量為目標(biāo)而組成的一種創(chuàng)新型的教學(xué)基本組織形式。以數(shù)字電路、微機(jī)原理及接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等硬件課程為主構(gòu)建硬件課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)，通過(guò)教學(xué)團(tuán)隊(duì)來(lái)促進(jìn)教學(xué)研討和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)交流，推進(jìn)教學(xué)工作的老中青相結(jié)合，發(fā)揚(yáng)傳幫帶作用，加強(qiáng)青年教師的培養(yǎng)，提高硬件課程的教學(xué)質(zhì)量。教學(xué)團(tuán)隊(duì)利用校園網(wǎng)搭建地方特色的硬件課程教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化的在線(xiàn)師生對(duì)話(huà)、學(xué)生之間的學(xué)術(shù)探討、在線(xiàn)作業(yè)和在線(xiàn)自測(cè)等，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)硬件課程的興趣。

3 結(jié)語(yǔ)

在21世紀(jì)人類(lèi)已邁入“知識(shí)經(jīng)濟(jì)”時(shí)代，科學(xué)技術(shù)正發(fā)生著深刻的變革，社會(huì)對(duì)德才兼?zhèn)涞母咚刭|(zhì)信息技術(shù)人才的需求更加迫切。如何培養(yǎng)出符合時(shí)代要求的優(yōu)秀人才，是全社會(huì)尤其是高等院校面臨的一項(xiàng)緊迫而現(xiàn)實(shí)的任務(wù)。分析了目前計(jì)算機(jī)硬件類(lèi)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，并從通過(guò)課程思政提高學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性、充分利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)做好課前預(yù)習(xí)課后輔導(dǎo)總結(jié)、采用混合式的教學(xué)理念滿(mǎn)足多層次需求、以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)模式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性等幾個(gè)方面對(duì)硬件類(lèi)課程教學(xué)提出改革措施，從而能夠有效地提高教育教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)合格的中國(guó)特色社會(huì)主義新時(shí)代信息技術(shù)人才。

引用

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