計算機硬件課程教學中的問題分析與改革

傅 籬

摘要:本文對普通本科院校計算機專業硬件類課程教學中存在的問題進行深入分析,針對如何提高計算機硬件課程教學的質量、解決硬件課程教學中所存在的問題,進行了積極的探索。

關鍵詞:計算機硬件;課程教學;興趣;實踐

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

一個完整的計算機系統是由硬件和軟件組成的。因此,計算機硬件知識的教與學對于高校計算機專業的重要性是不言而喻的。但是在目前普通本科院校,計算機專業學生中普遍存在著軟件類課程的學習的興趣大于硬件類課程的學習,也就是我們常說的“重軟輕硬”。

在這種現象的下面,必然隱藏著硬件課程教學中的一些問題,如何準確的找到這些問題,分析其存在的根源,進而在硬件課程教學中解決這些問題,筆者進行了初步的探索和實踐,同時在教學活動中取得了不錯的效果,得到學生的好評。本文針對計算機硬件課程教學過程中存在的問題,進行深入分析。

1存在問題及分析

目前,大學計算機專業開設的計算機硬件類課程主要有基礎課程中的“數字電子技術”、“模擬電子技術”,專業課程中的“匯編語言” 、“計算機組原理”、“微機原理與接口技術”,以及后面的“計算機體系結構”、“嵌入式系統”等課程。

這些課程雖然各有特點,各有側重,但是又有密切的聯系。在教與學中也存在一些共同的問題,影響計算機硬件類課程教學的效果和質量。通過多年的計算機硬件類課程的教學,我覺得問題主要存在于以下幾個方面。

1.1學生的問題

硬件類的課程內容是和計算機應用產品的開發以及工廠生產實際密切相關的,從計算機系統的層次結構上看,計算機硬件開發是計算機系統最底層的開發。從電路圖的設計到電路板的制作;從實際集成電路、電子元件的安裝、焊接,到匯編語言監控程序的設計;都需要學生有較強的實際動手能力和匯編語言程序的設計開發能力。

現在我們高等學校的學生大多是從學校到學校應屆畢業生,絕大多數學生沒有任何社會生產的實際經驗。加之目前我們的中學教育基本上是應試教育,學生的動手能力差,對工廠電子產品的生產過程沒有任何了解,使得學生根本不適應硬件類課程的學習。更多的學生習慣于做題、解題,根據公式定理進行理論推導,這是目前高校理工類學生普遍存在的問題。

學生喜歡軟件類課程學習、畏懼硬件類課程學習的第二個原因是感到軟件類課程學習更有趣。通過計算機軟件類課程學習后,大多數學生往往能實現一個簡單的應用軟件開發,這樣學生很容易產生成就感,也就有進一步學習的動力。而且,軟件類課程學習的學習方法和中學的數學和物理的學習方法相對接近,比如算法的學習,數據結構的學習。對于實驗條件要求相對簡單,只要有一臺個人計算機就可以學習編程,進行大部分的軟件類課程實驗和學習。

其實硬件類的課程學習和軟件類課程學習相比較,也有它的特點和吸引學生的地方,關鍵在于我們如何引導學生。比如我們平時生活中的家用電器、汽車、霓虹彩燈、音樂噴泉、有很多的地方都采取了計算機控制。可以這么講,只要稍微復雜一點的電子產品都采用了計算機控制,都要涉及計算機硬件知識。但是這些,我們的學生往往不能認識和感受到。加上學生們一般是不可能擁有硬件實驗設備,學校的相關資源也有限。所以,本來看得見、摸得著的十分有趣的硬件設計,在學生眼里變成了抽象、空洞的理論上的“說教”。幾門硬件課程學習下來,不僅沒有學到相應的硬件知識,反而對計算機硬件產生了畏懼心理。

也就是說,學生要設計一個計算機硬件產品的困難遠遠大于設計出一個軟件產品。不管是從學校的客觀條件,還是學生對硬件知識的掌握。而硬件知識的真正掌握又必須通過一個個硬件類產品設計才能較為完整理解。

1.2教師的問題

目前,地方普通高等學校的一線教師,大多是學校畢業的碩士研究生。有些教師有過課題科研的經驗,但大多數教師缺乏一個計算機應用產品開發、生產過程的實踐,尤其是硬件產品的開發經驗。這樣,他們對計算機硬件知識的了解,也就遠遠不及對軟件知識的了解。一些做過課題或者有科研項目經驗的教師由于種種原因很少在本科教學的第一線,即便在第一線上課,由于也不太會愿意在本科教學活動中花費太多的時間。

我們前面所說的幾門硬件類課程,分別在不同的學期進行開設。所以每門課程的教師在教學中,只會強調本課程的教學重點和難點,而不會顧及各門課程之間的聯系。學生更加只是看到本課程中的內容,不太容易看到各課程之間的關系、以及如何在實際硬件產品開發中綜合應用這些課程的知識,無法了解一個完整的計算機硬件系統的組成和結構和應用。

各門課程之間的有機聯系不夠,是學生無法駕馭整個硬件系統知識體系的一個重要原因,導致這種現象的原因和教師的能力不足是密切相關的。

1.3教材與實驗的問題

計算機技術不斷飛速發展,硬件技術也日新月異,當前計算機硬件教學的教材內容老化的現象比較嚴重,和新技術結合的不夠密切。這種現象幾乎存在于所有的計算機類教材,尤其以硬件教材更為明顯。比如:《微機原理與接口技術》教材內容十多年沒有大的變化;大多數《匯編語言》教材也一直是講8086指令系統的程序設計。教材中當代的最新計算機技術內容一般都是用一章簡單介紹。學生普遍感覺教材知識陳舊,沒有興奮點。

另外軟件類課程的教材在結構上不斷進行探索與改革,許多教材采用“案例教學法”、“任務驅動法”來編寫教材。但是硬件類課程的教材編寫方法上基本還是原來教學結構,很少出現新的編寫方法。同時要設計一個計算機硬件類產品,需要涉及幾乎所有的硬件課程內容,目前還沒有一本這樣的從總體上把握的教材出現,教材缺乏整體性。

計算機硬件教學中實驗課也難以發揮應有的作用,由于課時和客觀條件的限制,大多數硬件類的實驗課程都是驗證性實驗,綜合性和設計性實驗很少。對于學生來說,驗證性實驗能夠促使學生對某個基本教學內容的理解和掌握。但驗證性實驗的確難以讓學生全面掌握計算機硬件知識,更談不上用這些知識進行一個計算機硬件系統的設計。以“微機原理與接口技術”課程為例,我們一般的實驗也就是對某個芯片做功能驗證實驗,但是如何把這塊芯片根據需要用于某個計算機硬件產品中卻無法做到,而這點對學生來講卻是十分重要的。

2提高硬件教學質量的探索

2.1激發學生興趣

學生學習的最好刺激就是對所學知識的興趣。但是怎樣才能使學生產生主動和有意義的學習,使得學生“愛學”、“樂學”呢?

筆者每次在講“微機原理與接口技術”課程第一堂課時,總是帶三樣東西:一張計算機硬件應用產品的電路圖;一塊根據這張電路圖設計的印刷電路板,以及用這塊電路板做好的電子產品實物。在課堂上告訴學生,我們通過“數字電子技術”、“微機原理與接口技術”等硬件課程的學習,就可以設計出一個電子產品的電路圖,然后按照電路圖我們可以設計出印刷電路板,接著把電子元件安裝和焊接好,通過軟件調試,一個按照自己設計的計算機硬件產品就完成了。這樣學生的注意力一下就會被吸引住,同時激發出好奇心。

選這樣的產品原則是要簡單、有趣、可在課堂上演示。比如:“LED燈顯示控制器”:通過不同的按鍵,LED燈的顯示方式不斷變化;“電機工作方式控制器”:通過不同的工作方式的改變,電機的轉速、方向不斷改變。看到這一個個實際的電子產品,學生的興趣很快就激發起來。他們覺得復雜的計算機硬件產品其實離他們并不遠。一旦他們產生興趣,就會自覺地參與到課堂教學中來。這點筆者感受特別深。

2.2整體把握與知識點學習

在一門課程的學習過程中,我們的教學活動都是按照每個章節來進行的,這樣學生在學習過程中主要注意力都在每個章節的知識點上,缺乏對整個課程的總體把握。比如“微機原理與接口技術”課程,在講授“微處理器”一章時就介紹微處理器的引腳、內部寄存器等,講授“存儲器”一章時就介紹存儲器的類型、內部結構、譯碼方式等……,做實驗時也是就本章的知識點來做一個驗證實驗。這樣學生就不知道如何把CPU、存儲器、接口芯片,這些一個個的部件組成一個實際的計算機硬件系統,或者如何根據實際開發需要選用哪種型號的CPU?選用多大容量的存儲器?采用什么樣的接口接入鍵盤、顯示器的輸入輸出設備等。

針對這種情況,筆者設計了一個基本的“微機應用系統”,由8086CPU、6116RAM、2764EPROM、8255接口芯片接入4*4的鍵盤、8位發光二極管組成。把它做成一個通電后能演示的計算機硬件產品。這個小的硬件系統其實就包括“微機原理與接口技術”主要內容:CPU、存儲器、接口、輸入、輸出設備。

講完每個章節,就結合這個“微機應用系統”講這個部件在這個系統中的應用,這樣把一個實際的計算機硬件系統貫穿于整個課程教學中。等到整個課程講完,留出一、二次課把整個系統的設計原理和工作過程進行講解,并且設問:如果不用8086CPU采用其他型號的CPU如何設計;如果不用6116RAM采用2114RAM應該如何設計;鍵盤改變、發光二極管采用16位如何設計……這些問題都在學生的能力范圍,稍微經過努力就能做到。這樣學生不僅是學習每章的知識,而且能夠把每章的知識點結合成一個完整的計算機硬件系統。使得對整門課程有一個整體把握。

如果老師通過更換程序芯片使得整個系統的工作過程改變,發光二極管顯示不同的變化。我們還可以讓學生形象的知道“軟件與硬件的關系”,“低級語言與高級語言的區別”等學生掌握起來較為困難的概念。通過一個“微機應用系統”,使得學生對不同課程之間的聯系和相互關系得以充分理解,逐步培養學生駕馭整個計算機硬件系統知識的能力。

為了消除學生對硬件學習的畏懼心理,我以一塊最新的PC機主板為例,告訴學生,PC機的主板也是一個“微機應用系統”,也是由CPU、存儲器、輸入、輸出接口組成,只不過和我們設計的基本的“微機應用系統”相比,CPU性能更好、存儲器容量更大、外設也更復雜。但是不管如何復雜都是由基本的微機技術組合而成,也不是高不可攀。這樣學生通過先部件、后整體,部件和整體在整個課程教學中始終相結合的教學模式,比較完整全面了解計算機硬件系統的組成、結構、功能,消除了對計算機硬件設計的神秘感和畏懼感。

通過這種宏觀和微觀相結合教學模式,我感到學生對硬件學習的積極性和熱情都極大提高,教學效果、實驗的效果也明顯提高。好的硬件產品實例能通過師生、生生之間雙向和多向互動,促使學生的積極思考,拓寬學生的思路,提高教學效率。

2.3努力提高教師素質

教學質量的提高,教師是關鍵。梅貽琦先生所謂 “大學者,非大樓也,乃大師也”之言,告訴我們大學中教師的重要性。我們要培養一流的學生就必須有一流的教師。對計算機硬件課程教學而言,教師自己要教好學生,自己必須有計算機硬件產品的開發經驗,要對整個硬件產品開發的全過程有一個基本了解,最好能有計算機硬件工廠、公司合作的工作經驗,這樣才能把一些空洞和抽象的理論變成一個個實實在在的計算機硬件產品。自己有了這些實踐,才有教好學生的基礎。

高等教育教學和基礎教育教學的區別就是:高等教育教學必須和科研、產品開發相結合。一方面科研開發是高校教學的創新的基礎;另一方面,高校教學及教學創新本身也是一種科研,而且必須成為科研。因此,一流的教師必然是一個有創新研究成果的科研人員。

3結束語

計算機硬件類課程教學是一個需要不斷探索和實踐的領域。如何完善計算機硬件課程教學體系、調動學生的學習積極性和主動性,使他們具有強烈的參與意識和求知欲望,提高學生的綜合能力是一項系統工程,需要長期、大量的實踐才能逐步達到目標,有些體制性的問題也需要全社會的共同努力。本文僅僅是根據自己平時在教學一線的心得體會進行的一定程度的探討,致力于分析一些和硬件課程教學相關問題和提出解決這些問題的途徑。同時把自己的一些教學經驗,拋磚引玉,供大家參考。

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