基于“課內外一體化”教學模式的計算機硬件教學改革探討

摘要：本文介紹了我院對計算機硬件課程實施“課內外一體化”教學模式的改革措施，實踐表明，這種改革可增大學生的學習空間，大大調動學生的學習興趣和積極性，對學生的創新精神和實踐能力培養具有顯著的作用，符合當前高校計算機硬件課程改革的要求。

關鍵詞：課內外一體化；計算機硬件；教學改革；教學模式

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

計算機硬件系列課程是高校計算機科學與技術專業的重要組成部分，在計算機學科中有著舉足輕重的地位和作用。但目前對大多數高校而言又是很薄弱的部分，其主要原因之一就是本科教學改革整體上在壓縮課內學時，將時間回歸給學生自主支配，但信息量必須保證不能減少。這樣，學生有了更多的屬于自己的時間，但又不知道如何支配，特別是實踐性很強的計算機硬件課程，學生不知道應該去實驗室做什么，甚至害怕自己進實驗室。

“課內外一體化”是課堂教學與學生課外活動之間相互協作的新教學模式，最初源自大學體育、音樂課程，后來延伸到學生素質拓展等實踐性很強的教學環節中，目的是強化學生的實踐能力，是一種建立在理論教學基礎之上，通過壓縮課內學時、增加課外時間，以學生自覺、自主學習為主，由教師引導與監督相結合的教學方式。

針對計算機硬件技術發展極其迅速，硬件系列課程教學內容多、信息量大、硬件教學實踐性強、而各課程課內學時少等特點，計算機學院于2004年將“課內外一體化”教學模式引入計算機硬件教學，通過近3年的改革實踐，初步取得了好的成效。現階段，學校在統一修訂2008版教學計劃，我們想將課內外一體化模式在計算機硬件教學中的改革繼續深入，現愿與各位同行進行探討與交流。

１計算機硬件課程體系和課程內容的改革

1.1硬件課程體系的改革

進入21世紀以后，計算機硬件技術雖然進一步在加速發展，但仔細分析計算機技術發展過程，對于計算機專業來說，發展更多的是體現在應用層面，即與計算機硬件緊密相關的接口與外設技術；至于計算機硬件技術的基本原理和工作過程并沒有大的變化。這是因為計算機技術的發展主要體現在兩個方面：一是電子元器件的發展，計算機發展階段的劃分就是根據電子元器件的發展來進行的。計算機更新換代的主要標志，除了計算機系統結構方面的改進和計算機軟件的發展外，電子元器件的更新是主要的因素，而電子元器件是屬于電子技術的范疇，所以不作討論；二是計算機性能的提升，計算機的指令系統及相應的匯編語言是計算機硬件技術中偏軟部分，由于計算機硬件基本原理的不變性，所以它們的變化較小。

目前，高校計算機科學與技術專業硬件系列課程普遍設置了數字邏輯、計算機組成原理、匯編語言、微機接口技術、計算機體系結構、嵌入式系統等課程。這些課程設置雖然相對獨立，但課程和所提供的教材內容劃分不明確，相互重疊現象比較嚴重。譬如有關微型計算機基本原理和指令系統的內容，在多門課程教材中都有出現。

基于以上原因，我們在2008版教學計劃中重新修訂了計算機硬件教學體系，如圖１所示，具體包括理論教學和實驗教學、課內教學和課外教學，目的是將硬件系列課程作為一個整體統一考慮，建立一個完整的、系統的課程內容體系，這對提高教學質量和壓縮學時都非常有力。

課程體系按課程內容分為三層，第一層中的“數字邏輯與數字系統”課程雖然在教學體系上不屬于計算機硬件系列課程，但它是計算機硬件系統的技術基礎，是必修的前續課；第二層中的3門課是硬件系列中重要的課程，其中“計算機組成原理”課程與“微機原理與匯編語言”課程中的匯編語言部分內容有交叉，兩門課中哪門先作為前續課，各學校并不統一，我們是將微機原理與匯編語言課程作為了計算機組成原理的前續課；在第三層的應用層中，既可以是微機接口技術方面的應用，也可以是嵌入式技術方面的應用。這些課程都配有相應的實驗環節，具體的教學計劃安排如表1所示。

1.2硬件課程內容的改革

為了使學生在學過該系列課程后具備較強的實際動手能力和計算機應用系統的設計和開發能力，在該系列課程教學內容的設置上體現出基礎性、系統性、實用性和先進性，既要重視計算機硬件的基礎內容，又要結合當今電子與計算機的最新發展。為此，我們對系列課程的教學內容和教學體系進行了改革創新。

(1)“數字邏輯與數字系統”課程內容在重點講述傳統的數字電路內容基礎上，弱化器件，增加與EDA有關的內容。

(2)“計算機組成原理”課程內容在重點講述CPU、存儲系統、系統總線、輸入／輸出系統的基礎上，要強調系統的設計。

(3) 對“微機原理與匯編語言”和“接口技術及應用”兩門課，在優化原有基本內容的基礎上，增加了高檔微機系統涉及的部分內容，形成由三大模塊組成的課程體系：①基本模塊，主要以16位8086為背景組成的微機系統作為核心內容，這樣可以保持較長的穩定教學時間，確保教學內容的相對穩定性和基本教學質量；②提高模塊，重點以Pentium處理器為核心內容的，以跟上新技術發展的速度。主要講解CPU的保護模式、Pentium處理器的結構、超標量流水線體系結構的特點、高速緩沖存儲器(Cache)和虛擬存儲器、Flash閃速存儲器以及現代PC機的總線技術等等；③應用模塊，以微機接口技術為主要內容，包括中斷技術概念、Pentium處理器的中斷處理、典型接口芯片的工作原理及應用。課程教學既保留了國內目前廣泛采用的16位微機系統的基本內容，又緊跟了時代的發展，使教學體系具有先進性和實用性。

(4)“嵌入式系統體系結構”和“嵌入式系統開發與應用”兩門課，以目前流行的32位ARM為核心，主要學習嵌入式系統開發基礎、嵌入式系統應用軟件設計、嵌入式基本硬件接口、嵌入式操作系統移植及應用，并適當學習嵌入式系統外圍復雜的實用模塊開發例程等內容。

對于以上課程，每門課程中都增加了實驗學時，加強了實驗操作，有的課程還獨立開設了實驗課，目的是加強學生動手能力、培養學生綜合設計創新能力和實際應用工程開發能力。

２課內外一體化教學模式的實施

將課內外一體化教學模式引入計算機硬件教學，使課內外有機地結合起來，渾然一體，可收到好的教學效果。

2.1課堂教學手段和教學方法的改革

計算機硬件課內教學是指每門硬件課程在教學計劃中規定的教學時內的教學，教學形式主要是課堂，內容主要包括基礎理論知識和課內實驗，基礎理論知識的講授充分利用了現代化教學手段，在教學方法上采用了案例式、啟發式等教學方法。

由于計算機硬件系列課程中涉及的各類硬件結構復雜，課程內容多，學生不易理解，因此，我們對每門硬件關課程不僅僅開發了內容充實、富于變化的電子教案，而且還對部分較抽象、難以理解的內容開發了CAI教學課件，在課堂上充分利用計算機的多媒體功能，通過動畫技術、動態模擬、圖形等手段，幫助學生更好地理解教學內容，增大課堂信息量，提高教學質量。如對“微機原理與匯編語言”課程中的時序和尋址方式、指令系統部分，“計算機組成原理”課程中的CPU組成與機器指令執行等部分，都采用了動畫形式，如圖２所示為push指令執行前后的動畫演示界面。同時，課件也掛在了學校的BB網站上，以作為課程教學的輔助手段。

計算機硬件系列課程同其他計算機課程相比，總的來說除了零碎之外，還比較枯燥和抽象，理論性強，學生接受起來較困難。所以在課堂上我們改變了原來的“灌輸式”、“一言堂”的教學方法，而是將傳統的教學方法與多媒體教學方法結合起來，根據具體的教學內容，采用合適的教學方法。譬如在講“計算機組成原理”課時，從“為什么我們在編輯文件時掉電，文件會丟失?”來說明計算機存儲系統的工作原理；在講到虛擬存儲器的頁面尋址、頁表的作用時，把頁表比作一本書的目錄，通過查目錄的索引(虛頁地址)，來得到對應內容的頁碼(實頁地址)。同時，在講授過程中還重視激發學生的學習興趣，增加與學生的互動性，如對“計算機組成原理”課，可以從就業考研方面、從“微機原理”和“計算機組成原理”的不同，“計算機組成原理”和“匯編語言”、“數字邏輯與數字系統”、“操作系統”的關系等來說明該課程的重要性及在計算機專業的地位。

2.2課外教學的改革創新

計算機硬件課外教學是在課堂教學的基礎上進行的，具體包括課外作業、課外實驗、課程設計(大作業)、畢業實習、畢業設計和科技活動等，充分利用學校的BB網絡平臺，采用多種教學形式。

2.2.1開展網絡教學

每門硬件課程都充分利用學校的BB網絡平臺，組建了自己的網絡課程，在網上進行課外教學。內容除了掛接有教學大綱、實驗大綱、實驗指導書、課外作業、電子教案、CAI課件等基本信息媒體，供學生在課外進行自主化學習外，針對硬件器件的飛速發展，還對該領域中的新概念、新思想、新技術等最新參考資料和有用網站也掛在了網上，另外，還通過“討論板”實現師生或同學間的網上交流和學習。如課外作業，規定每門課每章至少有5道題的作業量，學生在一周之內在網上提交，教師在網上直接進行點評；對正在教學的課程，教師每周須有1－2個論壇題目供學生討論，針對與課程有關的內容，每個學生隨時都可提出問題，也可回答問題。這樣進一步調動了學生的積極性和主動性，加深了他們對課程內容重點、難點的理解，也擴充了知識面。如圖3所示為“微機原理與接口技術”網絡課程的部分圖示。

2.2.2強化實踐教學

因為實踐教學對硬件系列課程非常重要，因此，實踐教學是硬件課程課外教學的重點。計算機學院規定，對每門有實驗的硬件課程，除正常教學時數中的實驗外，都必須有20時的課外實驗，讓學生在課外必須完成。每門課在實驗內容上都分為三個層次：驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗。其中驗證性實驗和部分簡單設計性實驗原則上規定在課內完成，有紙質的或電子版的實驗指導書，但我們也正在嘗試利用網絡將這部分實驗改為探索性實驗，目的是進一步培養學生探索硬件知識的能力。20時的課外實驗主要完成有難度的設計性實驗。

課程設計(或大作業)是對一門課程知識的綜合性應用，是硬件課程的主要實踐環節。我們對“計算機組成原理”、“微機原理與匯編語言”、“接口技術及應用”、“嵌入式系統開發與應用”4門課程安排有課程設計，時間安排在該門課程結束后學期末的最后2~3周，將學生分成若干組，每組3~4人共同完成一個題目，但每人有自己的子題目，在教師的指導下完成。如：“交通智能燈的設計”、“基于ARM的智能家居監控系統設計”、“數據采集及溫度控制設計”，用匯編語言設計實現“計算器”、“模擬霓虹燈”、“打字練習”等，都是04級本科生做設計型、綜合型實驗的結果。這樣既培養了同學之間的團隊合作精神，也培養了學生綜合應用該門課程知識的能力。

畢業實習是為畢業設計準備的，在第7個學期的學期末最后5周，為計算機專業的學生中對硬件感興趣、學習基礎較好的學生提供，采取開放性實驗的條件，內容是結合老師的科研，布置一些與實際工程應用有關的設計性、研究探索性或綜合應用性實驗任務。近年來，硬件方面的畢業設計題目雖然較少，選硬件題目的學生也相對軟件較少，但通過畢業實習和畢業設計，這些真正搞硬件的學生畢業就業好，后勁也很足。近兩年來搞的畢業設計題目有：“基于GPRS的TCP/IP的研究與實現”、“基于CY7C68013的數據傳輸模塊主機端程序設計與實現”、“短消息群發系統設計與實現”、“基于短消息的家居監控系統”、“基于Linux操作系統的視頻采集卡驅動程序設計”等等。

2.2.3加強實驗室管理與建設

實驗室的管理與建設關系到實驗教學質量的提高，所以我們首先加強了硬件實驗室建設。在學校的大力支持下，在原有的80臺微機，80臺清華大學計算機組成原理實驗儀，各40臺16位和32位唐都西安電子微機接口實驗儀，20臺華中科技大學ARM嵌入式系統實驗儀的基礎上，又新增加了高檔微機40臺，“MFID－USB多功能微機原理與接口實驗平臺”10臺，“MFPT多功能微機接口實訓平臺”20臺，“MF－PCC計算機組成原理教學實驗系統”10臺，“ARM10嵌入式教學實驗系統”50臺，實驗環境的改善為硬件實驗提供了有力的保障。

在實驗管理方面也制定出了一套較為完整的管理制度和崗位責任制度。包括“實驗室管理規定”、“實驗室工作人員崗位責任”、“實驗室安全制度”、“學生實驗守則”等。通過這些制度的切實貫徹執行，使每位實驗教師都明確自己的職責，并且將實驗室繁雜的各項工作，如實驗的準備，儀器的維護、維修、管理，實驗教學方法的研究，硬件設備的改進，軟件的開發及實驗內容的改革等都與本職工作量掛鉤，以充分發揮大家的積極性。同時也使大部分學生對實驗更加重視，對實驗設備更加愛護和了解。

同時，在課外實驗時間上我們也予以保證，走開放性的實驗室管理制度，計算機硬件實驗室全天除正常的教學外，其余時間全部免費向學生開放，這給師生提供了極大的方便，便于學生集中進行實驗或設計，保障學生有“練武的平臺”。

3改革考核方法

考試是教學評價的重要手段，不同的考試內容、考試題型、考試方式，對學生的學習積極性和創造性有很大的影響，也是老師和學生都比較關心的問題。那具體怎樣考試，考試的比例如何分配，老師并沒有決定的權力，應根據不同的課程來定。根據硬件課程的特點，若以實驗占一定比例，再以書面考試對基本知識、基本理論進行考核是最為理想的方式，但比例上應有所不同。以“計算機組成原理”為例，因其理論性較強，還是考研科目，所以應以書面考試的比例為主，適當加入實驗考核的比例；對于“微機原理與匯編語言”或者“嵌入式體系結構”等偏重于實踐應用的課，實驗和理論考試的比例就基本上應當是1:1了；而對于“嵌入式開發與應用”等足屬于應用性的課程，就應以平時做實驗和最后的設計為主來進行考核了。即在考核上要改變傳統單純地靠答卷考試的模式，而采用 “綜合化”的考核方法，課程最后總分成績的考核包含多個方面，具體為：平時學習表現(指考勤、提問和課外作業)，實驗(指實驗考勤、課內外的實驗報告、程序設計與調試過程、實驗結果演示)，最后卷面成績等，各部分的比例分配應根據各門課程而定。

這樣，對實踐性強的硬件課程來說，可從思想深處克服學生重理論輕實踐的現象，也只有將實驗成績作為學生考試成績的一部分才能真正有效地提高學生實驗的積極性，對學生實踐能力和創新能力的培養有著積極的推動作用，能真正掌握學生學習知識的全面情況。

4結束語

課內外一體化教學學習空間大，彈性強，能讓學生在理想的環境與氛圍中擔任不同角色，大大調動了學生學習的興趣和積極性，使學生變被動學習為主動參與，在參與過程中使學生樹立起了終身學習制，對學生的創新精神和實踐能力培養具有顯著的作用。課內外一體化教學模式的改革和實踐，是我們在計算機硬件教學改革進程中的一個階段性成果，有待進一步探討和完善，希望有關專家和同行能提出寶貴的意見。

參考文獻

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