軟件開發方向的應用型本科計算機專業硬件基礎課程改革

摘要：本文結合國內外關于本科計算機專業辦學的研究成果與當前的教學實際，提出了一種軟件開發方向的應用型本科計算機專業硬件基礎課程改革方案。

關鍵詞：計算機專業；硬件課程；教學改革

中圖分類號：G64 文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913（2007）04-0026-04

我國目前從清華、北大等重點大學，到一些剛從專科晉升到本科的院校都開設有本科層次的計算機專業。各學校的師資力量、辦學水平和辦學能力差別很大，計算學科涵蓋的范圍也越來越廣，十年前就形成的統一的“計算機科學與技術”課程體系已不能適應所有學校的教學定位。這種認識體現在IEEE-CS/ACM組織的CC2005(Computing Curriculum 2005)中。CC2005將計算學科分成至少包含5個相對獨立的部分：計算機科學（Computer Science-CS）、計算機工程（Computer Engineering-CE）、軟件工程（Software Engineering-SE）、信息系統（Information System-IS）和信息技術（Information Technology-IT）。教育部計算機科學與技術專業教學指導分委員會在《中國計算機本科專業發展戰略研究報告》一文中也提出以“培養規格分類”為核心思想的計算機專業發展的建議，鼓勵不同的學校根據社會的需求和自身的實際情況為學生提供不同類型（研究型或者說科學型、工程型包括計算機工程和軟件工程、應用型或者稱信息技術型）的教學計劃和培養方案（但要達到本科水平），認為一個學校在其中一種類型上通過評估合格，就被認為“計算機科學與技術”專業辦得合格。

計算機應用型人才或者稱信息技術型人才按照IEEE-CS/ACM的解釋就是：適應政府、事業單位、企業、學校和各種組織的信息化需求的人才。他們的具體工作例如有：信息系統的開發維護、網絡與通信設備的安裝維護、網站設計與維護、多媒體資源的開發、電子商務等等。應用型本科院校即是培養此類高等人才的學校，各學校又在綜合分析辦學能力與社會需求的基礎上確定有更具體的培養方向，如網絡、電子商務、動漫、控制等方向，總的來說可歸結為偏軟件或偏硬件的某方面應用。從社會需求、辦學設施投入、專業設置（很多學校已經有電子類、控制類的專業）等因素綜合考慮大多學校都培養有偏軟件開發方向的應用人才。

我們在綜合分析了國際國內的研究成果與此類學校的教學實際的基礎上提出了軟件開發方向的應用型本科計算機專業硬件基礎課程設置及教學內容改革措施。

1 應用型本科計算機專業學生硬件知識的需求量

目前在計算學科教育方面最有代表性和影響力的工作依然是IEEE-CS/ACM組織的Computing Curricula研究工作。

IEEE-CS/ACM組織的CC2005列出計算學科學生要學習的40個計算機類知識域和18個非計算機類知識域（如數學知識、電路知識、管理知識等），并用表格說明它目前列出的5個獨立計算機專業（即計算機科學CS、計算機工程CE、軟件工程SE、信息系統IS和信息技術IT）應對各個知識域實施的份量（分最大值max與最小值min），份量輕重分0（最輕級）到5級（最重級）。如表1所示，列出了其中的計算機硬件基礎知識域。

從表1中我們可以看出除了計算機工程，其它四個對計算機硬件知識的要求都可以不用太深重。

2應用型本科計算機專業硬件課程的實施現狀

培養應用型本科生，要求各院校根據本科生的培養目標，學院擁有的教學資源和社會對人才的需求來制定培養計劃并給予可行的實施方案，并不要求所有學校千篇一律。沒有一個標準教學模式，又要使培養出的學生有自己的特色、能被社會廣泛認可，各學校每年都在為如何在有限的教學時間內對計算學科如此眾多的知識域進行取舍、整合，制定出一個契合培養目標的教學計劃而探索。其中制定目標為培養應用軟件開發人才的教學計劃時的一個突出難點就是硬件課程設置及其教學內容的選擇。硬件知識體系非常豐富，學生學習起來非常困難，基于培養方向，講解硬件知識的課程必須有但所占比例不能太高，所以我們在少量的教學時間應向學生傳輸哪些硬件知識、如何介紹才能使學生感到學有所用？

我們調查了一些定位于培養應用型人才的一般本科院校、民營大學、獨立學院，如寧波工程學院、浙江萬里學院、浙江工業大學之江學院。這些學校的計算機科學與技術專業的硬件課程設置與教學內容基本還是參照CCC2002(China Computing Curriculum 2002)，即開設了計算機電路基礎（包括電路與電子、數字電路、模擬電路）、計算機組成原理、匯編語言、微機原理與接口技術這幾門課。很多學校在制定新的教學計劃時也在此之上進行了改革，如寧波工程學院。該校的計算機本科教育定位于培養網絡、動漫方向（偏向這些方向的軟件設計）的高級應用人才，因此制定的2005級教學計劃大大減少了硬件課程的教學時數，只安排了計算機電路基礎（64學時）、微機原理與接口（64學時）、計算機組成與結構（48學時）3門課。

回望過去的計算機專業應用型本科生（偏軟件設計方向）的幾門硬件課程教學實踐，我們發現存在以下問題：

（1）作為應用型人才，學生就業后幾乎沒有人有機會構造計算機系統。許多教學內容會讓他們感到沒有學習的必要從而喪失學習的熱情。如時序信號的控制、總線的使用控制等。

（2）很多教學內容陳舊，與實際應用脫節，對學生缺少吸引力。如大多數學校依然僅以8086和DOS操作系統為平臺來講解微機原理。

（3）有些內容在多門課中重復出現，使學生以為學過，降低注意力，并對課程設置產生不滿情緒。如數制在數字電路、匯編語言、組成原理課中均要講到，雖然各門課講解的側重點不同，但學生會產生誤解，影響學習效果。

（4）各門課程內容的關聯沒有統一整理實施。如數字電路與組成、組成與體系結構、匯編與接口等，使學生知識的增長沒有漸進性、系統性。

（5）與軟件技術知識聯系的不夠。如與C語言、操作系統等軟件課程學習的關聯性強調的不夠，使得學生沒有形成完整的知識體系，即軟硬件知識融會貫通。例如要使學生知道計算機如何實現C語言中的變量定義、指針、循環、過程調用和返回，如何用操作系統提供的接口改變硬件的工作等。

3軟件開發方向的應用型本科計算機硬件基礎課程改革方案

無論是IEEE-CS/ACM的研究結果，還是畢業生的工作實際都證明：培養軟件開發方向的應用型人才不需要介紹太深奧的關于計算機硬件構造方面的知識，硬件知識的教學應占較少的比例。如何用較少的學時系統地介紹計算機的硬件工作原理，再如何引導學生用學到的硬件原理為實際應用服務是我們確定改革方案的立足點。

為了克服學時少而課程內容涉及面廣及以前教學中存在的問題，我們將立足應用，從軟件開發人才最需要建立的系統理念來改革硬件基礎課程教學計劃與教學內容，即我們將硬件基礎課程整合為兩門主干課程——計算機電路基礎及計算機系統導論。我們列出的這兩門課程的教學計劃參考表，如表2所示。

計算機電路基礎的教學內容將電路與電子、數字電路的知識進行整合。從表1中我們看到CC2005的研究結果是電子、電路知識對軟件開發方向的應用型人才來說可以不學，數字電路的知識要求也很低。我們認為計算機專業的學生還是應該掌握必要的電路和數字電子技術的基本理論、基本方法和基本技能，有了這些知識，學生才能對數字電子計算機有更深的理解，才能拓展他們以后自己學習、應用計算機的深度和廣度。本門課程教學基本內容包括：直流電路基本概念和分析方法、正弦交流電路的分析、電路的過渡過程、半導體器件、邏輯代數基礎、邏輯門電路、組合邏輯電路、集成觸發器、時序邏輯電路、脈沖波形的產生與整形、半導體存儲器。理論教學大約70學時左右，再配幾個實驗，使學生學習使用常用電子儀器、能設計調試簡單的組合邏輯電路。理論和實驗教學安排在一個學期就可完成。

計算機系統導論的教學內容將是傳統的計算機組成原理、匯編語言、接口技術、體系結構這幾門課程的部分內容與其在應用上的延伸。本門課程介紹的是單機系統，網絡方面的硬件知識由網絡課程介紹。由于本門課教學內容太多，安排在連續的幾個學期上，與其它專業課程一起逐步提升學生的認識。

計算機系統導論課程的宗旨是用一種不同的方式向學生介紹計算機。突出計算機硬件知識的基礎性、

系統性、先進性，從應用和編寫程序的角度來講解系統，并采用這樣的過濾方法，只討論那些影響用戶級的硬件性能。具體體現在下列幾點：

（1）面對紛繁復雜的硬件知識，以必需、夠用為理念來選擇計算機硬件基礎的教學內容。如不需要學生會設計復雜的邏輯電路，但要能理解基本的邏輯門電路、組合邏輯電路；不需要學生掌握各種存儲器的物理實現，但要了解他們的基本原理與性能，理解計算機的分級存儲結構和虛擬存儲器結構；教學中要適當淡化微機內部和芯片內部的具體實現，而強化外部接口和應用。

（2）按照部件實現原理、整機結構、微機實例的認知規律來安排教學內容與實驗。計算機電路基礎講解計算機部件最本質的原理，結合實驗著重加深學生對計算機系統中一些典型邏輯功能部件的認識，為學生學習計算機系統的工作原理奠定必要的基礎。計算機系統導論（一）介紹計算機整機各功能部件工作原理。計算機系統導論（二）、（三）教學內容是將計算機系統導論（一）中講解的信息表示、指令系統、CPU功能結構、存儲器訪問機制等在PC機上實例化，計算機系統導論（三）最后講解計算機的輸入輸出接口問題。教學內容統一規劃，相互銜接，避免重復。如有關數制、碼制及轉換與算術邏輯運算概念等安排在計算機電路基礎的開始部分講解，計算機中數等信息編碼及實現原理在計算機導論（一）中詳細講解，后面用到時簡單復習一下即可。再如有關中斷、接口控制方面的內容統一放在計算機系統導論（三）的最后介紹。

（3）改革陳舊的與實際應用脫節的教學內容，保持教學內容的先進性與實用性。如大多數學校依然僅以8086和DOS操作系統為平臺來講解微機原理。陳舊的教學內容難以引起學生的興趣，必須結合當前的實際應用平臺來講解。匯編語言這部分內容，在學習完基本指令之后就應該介紹Windows操作系統下的Win32編程環境，但由于現在很少用匯編編寫應用程序，所以并不要求學生編出復雜的算法窗口程序，匯編的學習只是讓學生了解計算機指令、操作系統如何使用控制硬件的底層原理。課程教學中一定要在介紹學科基本原理思想和基本方法技術的基礎上及時向學生傳遞一些新的學科技術及應用信息，包括新技術、新工藝、新產品等。比如講解部件時要介紹新推出了什么CPU 類型，其中采用了什么新技術，市面上又出現了什么新型存儲器芯片和外設，有什么特點，CPU技術指標中出現的FSB、倍頻、多媒體指令集等代表什么含義等等。

（4）與軟件知識緊密結合，從運行程序、編寫程序的角度來講解計算機硬件。我們培養的是軟件開發方向的應用型人才，所以我們要在講解硬件結構的同時要強調其與軟件的關系。如通過指令、程序的執行過程來介紹計算機各部件；通過硬件知識、匯編語言的學習來說明指令、程序對硬件的使用控制方法，了解操作系統如何管理控制計算機硬件，如何用操作系統提供的接口控制硬件的工作等等，從而深刻理解控制硬件的各層軟件系統。計算系統導論的實驗也以程序設計為主。

4后記

本改革方案將傳統的計算機硬件基礎課程進行了整合，各學期的教學內容既相關又獨立，考核時完全可以在每個學期考核該學期學習的內容，最后再布置一個綜合的設計任務。這樣的課程設置方式對軟件開發方向的學生來講既有鮮明的體系特色，又有良好的實用性，非常利于調動學生的學習積極性。

采用本改革方案還涉及一些細節問題，如教材的選擇。現在還沒有一本切合本方案的教材，教師可以將自己的教案寫詳細些印發給學生，再向他們多推薦一些參考書，如由中國電力出版社出版由美國卡內基梅隆大學計算機科學系主任Randal E. Bryant編寫的書，譯名為《深入理解計算機系統》、由電子工業出版社出版由羅云彬編寫的《Windows環境下32位匯編語言程序設計》等等。再如有人會提出對于打算考研究生的學生這樣的課程設置是否會不利。現在很多本科學校都以每屆學生中考上研究生的人數來宣傳自己的教學質量，而如計算機組成原理這樣的課程又是很多高校研究生的必考科目，這也是現在許多普通本科院校一直保留這些課程的重要原因。我們要清楚地認識到應用型本科的主要目的是培養應用型人才，對于少數特殊情況完全可以在已學到的基本知識的基礎上憑這些學生的自學或通過選修課、導師制這樣的一些方式解決。

本方案在每次實施中可能還會出現其它問題，我們還將繼續在實踐中探索完善本方案。

參考文獻：

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[2] IEEE-CS/ACM．Computing Curricula 2005 – The Overview Report[R]．2005，9．

[3] 鄒逢興．關于創新計算機硬件技術基礎課程教學的實踐和思考[J] ．計算機教育，2004(2): 81-84．

投稿日期：2006-05-12

作者簡介：張紅梅（1971.8-），女（漢族），四川人，講師，碩士，研究方向：計算機教育、計算機應用。