地方院校計算機硬件類課程教學改革與實踐

摘要：通過分析地方院校計算機硬件類課程教學中存在的問題，結合地方實際和社會需求，重構了合理的硬件類課程體系，并從教學內容、教學手段、教學方法等方面，對計算機硬件類課程教學改革實踐提出了一些切實可行的建議。

關鍵詞：地方院校；課程體系；教學改革

中圖分類號：G642文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)27-2020-02

Teaching Reform and Practice of Computer Hardware Courses in Local College

LIANG Yan-lai， LIU Chao

(Dept. of Math Computer Science， Yulin Normal' College， Yulin 537000，China)

Abstract: By analysis on problems existing in computer hardware courses teaching， a reasonable computer hardware course system was rebuilt， in view of local fact and social demand. Some feasible advice was given on teaching reform and practice of computer hardware courses， from such aspects as teaching contents， teaching means， teaching methods to improve the teaching quality.

Key words: local college; course system; teaching reform

1 引言

隨著計算機科學技術的發展，計算機應用領域正在不斷向生產生活的各個領域擴展滲透，尤其是各種電子電器產品的智能化發展，使得近年來IT企業對計算機硬件系統設計及開發人員的需求急劇增加。然而目前大多數高校（尤其是地方院校），計算機硬件課程教學相對薄弱，培養的計算機硬件人才無論從數量還是質量上，均無法滿足人才市場需求。因此非常有必要對地方院校計算機硬件類課程進行改革與實踐，使其既能適應地方實際又能滿足社會需求。

2 重視硬件教學

截止到2004年初，我國普通高校總數為1683所，本科學校679 所，505所開設有“計算機科學與技術”專業，是全國專業點數之首[1]；其中，這505個計算機專業中有接近一半是1994年后開辦的地方新升本科院校。由于計算機專業建設的數量大、任務重、時間緊，導致專業建設者產生功利思想和短期行為。計算機硬件課程不僅難教難學，而且對于硬件設備和實驗條件有較高要求，教學成本遠遠高于計算機軟件課程教學，因此形成了計算機專業建設“重軟輕硬”和師生教學“喜軟怕硬”的畸形發展現象，這在經濟條件和師資力量較差的地方院校中表現尤為突出。

然而計算機是由硬件和軟件組成的，缺了任何一樣都無法運行。不重視計算機硬件教學與科研的結果之一，就是近年來計算機軟件人才相對過剩，硬件人才供不應求。另外一個結果就是，目前我國使用的計算機核心部件“芯片”幾乎都是從國外大公司進口的，如聯想等公司的產品，用的都是英特爾公司的“奔騰處理器”。核心器件嚴重依賴國外芯片制造商，這給國家信息安全造成了嚴重隱患。因此，我國計算機界的權威專家多次強調呼吁加強計算機硬件的科學研究和人才培養。令人欣慰的是，中科院計算技術研究所于2002年研制成功中國第一款CPU芯片“龍芯Ⅰ號” [2]，從而結束了中國人只能用洋人的CPU造計算機的歷史。

3 優化教學內容

計算機硬件系列課程教學內容目前存在的突出問題有：軟硬件分離，知識不能融會貫通；急功近利，理論基礎不扎實；脫離實踐，理論不能應用于實際；知識陳舊，遠遠落后于計算機硬件技術的迅猛發展。因此要從系統性、基礎性、應用性和先進性等方面對硬件課程教學內容進行選取和調整，將技術已經落后或者使用較少的內容從課程中刪除或壓縮，將最新技術發展內容及時補充到課程體系中。

3.1 重視系統性

由于種種原因，計算機專業現有課程體系軟硬件各自相對獨立，綜合性、系統性較差，導致學生學習各科知識后不能融會貫通，沒有整機概念。然而技術的進步以及應用的需求迅速推動系統規模變得越來越大，功能實現也越來越復雜。傳統的硬件教學和軟件教學相分離的教學方法已經成為阻礙學生深入學習計算機的關鍵因素。打通計算機軟硬件理論教學，設計計算機軟硬件協同實驗，培養學生知識的系統性和能力的綜合性成為當務之急。

3.2 重視基礎性

著名物理學家、諾貝爾獎獲得者李政道先生曾經講過“只有重視基礎研究，才能保持創新能力”，計算機硬件課程中大部分是計算機專業基礎課，因為計算機硬件支撐著計算機軟件的發展，很難想象一個不懂硬件的人能開發出多么優秀的軟件。因此學習硬件課程時尤其要掌握基本理論、基礎知識和基本能力。

3.3 重視應用性

計算機硬件課程教學過程中，應結合目前計算機技術發展的新趨勢，將課程內容與實際聯系起來，使課程的應用性加強，增設應用型計算機硬件技術課程，如《嵌入式系統》、《單片機技術》、《微機控制技術》等。這些應用型課程不僅可以激發學生學習硬件課程的興趣，而且有利于增強學生就業競爭力。

3.4 注意先進性

目前，32位機已經普遍應用于日常生活和生產活動，64位機也正得到應用和推廣，但是很多地方院校計算機硬件類課程仍然以16位機作為其教學模型，32位機少有涉及。這使得教師的教學不能聯系實際，學生的學習不能應用于實踐。因此，在硬件技術飛速發展的背景下，硬件課程教學要注意課程內容的先進性，不能幾年一成不變。

4 重構課程體系

計算機專業的硬件類課程體系涉及課程眾多，而且各課程在教學中過分強調每門課程的完整性和獨立性，忽視了課程之間內容的銜接和知識的整體優化，教學內容重復，教學效率不高[3]。比如中斷系統、存儲器系統，計算機組成原理、微機接口技術、匯編語言程序設計、計算機體系結構都有涉及但都不完整，學生在學習過程中既感覺重復，又似懂非懂。根據地方院校物質條件和師資力量，重新構建的硬件課程體系被劃分為基礎層、核心層和應用層三個層次，并在各個層次上將內容關聯較為密切的課程進行有效的整合。

4.1 拓寬基礎

計算機硬件課程的基礎主要包含數學基礎、物理基礎和計算機基礎。其中，物理基礎主要包含《大學物理》、《電路分析》、《模擬電子技術》和《數字電子技術》等課程，這幾門課可以以《數字電子技術》為核心進行有效整合；數學基礎主要包含《高等數學》、《概率統計》、《離散數學》、《形式邏輯語言》等，其中《形式邏輯語言》可以合并至《離散數學》；計算機基礎主要包括《計算機導論》、《C語言》、《操作系統》等。

4.2 確保核心

計算機硬件核心課程應該確立為《計算機組成原理》、《計算機系統結構》、《匯編語言》和《微機原理與接口技術》，由于這幾門課程內容重疊較多，相互關聯緊密，因此需要整合優化。其中前兩門整合為《計算機組成與系統結構》，以計算機組成和系統結構的基本概念和原理為主要內容，重點介紹新型多核計算機系統的CPU、存儲器、總線和I/O系統的硬件組成與工作原理，同時介紹并行計算機系統的發展趨勢。后兩門整合為《微機接口技術與匯編語言》，以Intel 80X86為背景機介紹匯編語言與接口技術的基礎知識、原理和使用方法。

4.3 擴展應用

硬件類課程應用主要體現在嵌入式系統開發技術，主要包括單片機、ARM、DSP等技術。目前，嵌入式技術和嵌入式產品已經滲透到工業控制系統、信息家電、通信設備、儀器儀表、軍事技術以及人們日常生活的各個領域。由于社會對掌握嵌入式技術人才的大量需求，使得嵌入式軟硬件工程師成為最近以及未來幾年內最為熱門的職業之一。因此，作為地方新技術研究和探索最活躍的群體，地方高校應該接受嵌入式技術帶來的挑戰，盡快開設嵌入式系統的相關理論與實驗課程，另外適當開設《Protel》、《AutoCAD》、《電子設計硬件描述語言》、《微機控制技術》、《Linux》等相關應用課程。

5 豐富教學手段

計算機硬件知識的特點是更新速度快、實踐性較強，一些硬件課程不太適合以課堂教學為主的教學模式。改革計算機硬件課程教學方法和教學手段的基本原則應該是：知識的傳授應當符合計算機硬件知識的特點，教學方法應當有利于培養學生的創新意識和創新能力。具體可以從以下幾個方面進行改革嘗試：

5.1 采用現代教育技術

由于硬件課程教學內容往往同時涉及時間和空間概念，具有較強的動態性和抽象性，難教難學。為此，需要充分運用現代多媒體教育技術，依靠教育信息資源和系統的教學方法，對硬件課程中的重點難點內容以多媒體形式進行教學設計，將靜態圖形變成動態圖形，抽象內容變為可視內容，圖文聲并茂，從而起到良好的教學效果[4]。

5.2 建設硬件學科網站

學科網站的本質是一個基于網絡資源的學科研究、協作式學習系統，它通過在網絡學習環境中向學習者提供大量的學科學習資源和協作學習交流工具，讓學習者自己收集、分析并選擇信息資料，應用知識去解決實際問題。它強調通過學習者主體性的探索、研究、協作來求得問題解決，從而讓學習者體驗和了解科學探索過程，提高學習者獲取信息、分析信息、加工信息的實踐能力和培養良好的創新意識與信息素養。通過建設硬件學科網站，可以促進信息技術與硬件課程的整合，逐步實現教學內容的呈現方式、學生的學習方式、教師的教學方式和師生互動方式的變革，充分發揮信息技術的優勢，為學生的學習和發展提供豐富多彩的教育環境和有力的學習工具。

5.3 問題啟發式教學

在課堂教學中通過巧妙設置問題，讓學生去查閱資料，自主學習，然后由教師總結并講解，進行啟發教學，可以收到良好的教學效果。例如，對于容易的內容可以設置問答題，布置給學生進行自學；對于重點內容可以設置論述題，布置給學生進行課堂討論；對于難點內容可以設置針對性的練習題，布置給學生進行課后思考。這種基于問題的啟發教學模式，使學習者在問題研討的過程中增長了知識，提高了問題解決能力，培養了創新意識。

5.4 任務驅動式教學

任務驅動式教學將傳授知識為主的傳統教學，轉變為以解決問題、完成任務為主的多維互動式的教學。在教學過程中，教師根據教學目標與教學內容，設計實踐任務，提供設計案例和研究工具，指導學生完成實踐任務，形成設計作品，實現邊做邊學的教學理念。任務驅動式教學方法符合人類認知規律，注重以學生為主體，在培養學生的專業能力的同時，也提高了學生的通用能力。

6 加強實踐教學

計算機硬件教育的實踐性非常強。多年來，雖然計算機硬件特別是CPU的發展速度從幾年一代已經發展到幾個月一代，但是由于實驗條件的限制，計算機硬件的實驗教學卻遠遠落后于計算機技術的發展。目前計算機硬件教學中實踐教學的時間過少，而且驗證性實驗占絕大多數，造成學生硬件動手能力普遍低下，其創造力無法得到訓練[5]。其客觀原因是缺乏足夠的物質條件，尤其是許多地方院校硬件實驗設施匱乏陳舊，甚至不能應付基本的驗證實驗，更談不上開展綜合性、設計性實驗以及自主性創新實驗；而其主觀原因是實踐能力在考試評價體系中所占比例過小，實驗指導教師的工作積極性不高，指導能力也有限。因此，要加強計算機硬件實驗教學，就必須在思想上重視，并從實驗室建設、實驗師資培養以及實踐能力考核等方面采取有力措施予以保證。

7 結束語

本文針對地方院校的實際情況以及硬件課程教學中出現的典型問題，構建了分層次的硬件課程教學體系，并在各層次上整合優化了課程內容，通過豐富教學手段和加強實踐教學等方面的有力措施，對地方院校計算機硬件類課程教學進行了改革與實踐，取得了良好的效果。

參考文獻：

[1] 教育部高等學校計算機科學與技術專業教學指導分委員會．中國計算機本科專業發展戰略研究報告[J]. 中國大學教學， 2005， (5):7-10.

[2] 唐志敏. 龍芯1號通用CPU芯片的研制[J]. 中國科學院院刊， 2002，(6):437-439.

[3] 宋人杰，周欣欣，牛斗. 計算機專業硬件系列課程教學改革探討[J]. 東北電力大學學報. 2007， 27(5): 30-33.

[4] 白中英. 計算機組成原理[M]. 北京: 科學出版社，2002.

[5] 趙若陽， 李寧， 庫少平. 計算機硬件課程體系及內容改革的思考[J]. 計算機教育， 2006，(3):47-49.