計算機硬件技術(shù)課程教學(xué)研究與實踐

龔星宇+李娜+龔尚福

摘 要：針對當(dāng)前高等教育改革的不斷深化，基于計算思維理念和工程素質(zhì)教育的需要，展開對計算機硬件技術(shù)課程在人才培養(yǎng)中的定位和教學(xué)模式變革的探索、研討和實踐。以培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力和專業(yè)應(yīng)用技能為主線，選擇微機原理與接口技術(shù)課程教學(xué)方案進行研究與實踐，提出在探索分類培養(yǎng)學(xué)生“計算機硬件技術(shù)課程”的基礎(chǔ)上，給出課程特點與定位、主要解決的教學(xué)問題、課程教學(xué)設(shè)計和課程教學(xué)實施案例，并對改革效果輔之于試點，總結(jié)出一套行之有效的計算機硬件技術(shù)課程教學(xué)實施模式，實踐證明實施效果良好。

關(guān)鍵詞：課程建設(shè)；計算機硬件技術(shù)；計算思維能力；專業(yè)應(yīng)用技能

中圖分類號：TP3-05；C41 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-0-03

0 引 言

《微機原理與接口技術(shù)》課程[1]的授課對象是高等院校各理工科專業(yè)，尤其是機械設(shè)計及其自動化、電氣控制和電子信息類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程對于學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)和掌握計算機硬件體系結(jié)構(gòu)、工作原理和專業(yè)應(yīng)用具有舉足輕重的作用。該課程教學(xué)內(nèi)容多、知識復(fù)雜、學(xué)習(xí)難度大、實踐性強、應(yīng)用領(lǐng)域十分寬廣。

在近三十年的教學(xué)過程中，先后經(jīng)歷了由國外引進、消化和國內(nèi)編寫出版相關(guān)教材，尤其自21世紀(jì)以來，在精品課程建設(shè)的推動下國內(nèi)編寫出版了為數(shù)不少的優(yōu)秀教材。但隨著教學(xué)改革和工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求不斷加大，根據(jù)應(yīng)用特點，對該課程的教學(xué)需要制定相對規(guī)范有效的課程教學(xué)實施要求，為教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)提供優(yōu)化的實施方案和共享資源。學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，能夠系統(tǒng)地理解計算機硬軟件結(jié)構(gòu)方面的基本知識，掌握應(yīng)用系統(tǒng)的分析設(shè)計方法，培養(yǎng)學(xué)生對工程項目和復(fù)雜問題的解決能力，達到認(rèn)知能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力的全面提升。

1 課程特點與定位

1.1 課程特點

《微機原理與接口技術(shù)》（Principle and Interface Technology of Micro-Computer）是國內(nèi)理工科大學(xué)學(xué)習(xí)與理解計算機基本組成原理與應(yīng)用的基礎(chǔ)教學(xué)的核心課程，也是電氣信息類和機電控制類專業(yè)重要必修學(xué)科的基礎(chǔ)課。本課程涉及的專業(yè)基礎(chǔ)廣泛、概念多，理論性強并且系統(tǒng)完整，工程性與應(yīng)用性[2]特點突出。特別是對于以應(yīng)用計算機硬件為主的機械控制類專業(yè)，培養(yǎng)學(xué)生從硬件與軟件結(jié)合的角度思考、分析、解決本學(xué)科領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力，具有十分重要的意義。

1.2 教學(xué)定位

該課程教學(xué)目標(biāo)是以培養(yǎng)計算思維能力為主線，使學(xué)生系統(tǒng)掌握微型計算機硬件系統(tǒng)的組成和工作原理，提高對微型計算機系統(tǒng)的理解和應(yīng)用能力，啟發(fā)學(xué)生利用計算機硬件與軟件技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建處理問題的意識和分析、解決本專業(yè)實際問題的初步能力，結(jié)合生產(chǎn)實踐研究與開發(fā)計算機應(yīng)用系統(tǒng)，為將來學(xué)習(xí)和應(yīng)用層出不窮的微型計算機新技術(shù)打下良好的基礎(chǔ)。

2 研究與解決的主要問題

2.1 研究教學(xué)體系與課程實施方案

基于多年的教學(xué)與實踐經(jīng)驗，適應(yīng)工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求，結(jié)合“學(xué)、產(chǎn)、研”三位一體思維意識，形成以“微機原理與接口技術(shù)”課程為試點的計算機硬件課程群教學(xué)體系和實施方案，優(yōu)化實施精品課程戰(zhàn)略。

2.2 實施教學(xué)準(zhǔn)入制度，培養(yǎng)主講教師隊伍

課程建設(shè)的核心是培養(yǎng)一支基礎(chǔ)厚實、素質(zhì)過硬、水平較高的理論+實踐技能的中青年教師隊伍。多年來，我們對課程建設(shè)推行“四個一”工程，即選用或編寫一部好教材；每位青年教師要設(shè)計撰寫一本好教案；主講教師要練就一手好板書；培養(yǎng)與訓(xùn)練一口標(biāo)準(zhǔn)的普通話。對于培養(yǎng)青年教師始終實施老教師傳、幫、帶的責(zé)任方式，從助課答疑、輔導(dǎo)實驗、兼帶實習(xí)、教案準(zhǔn)備到試講評比，最后到站穩(wěn)講臺的各環(huán)節(jié)給予具體指導(dǎo)訓(xùn)練，全方位培養(yǎng)主講教師梯隊，保證課程的教學(xué)水平與質(zhì)量。

2.3 突出教學(xué)方法與手段改革

課程組不間斷地進行教學(xué)經(jīng)驗交流、教學(xué)方法與模式研討、教學(xué)質(zhì)量檢查評比與教學(xué)效果總結(jié)，吸收與匯集優(yōu)秀的教學(xué)方法與手段，在教學(xué)實踐中培育和驗證實施效果，逐步推廣至其他課程。

2.4 強化技能訓(xùn)練，提高動手能力

基于強基礎(chǔ)、重能力和突出實用的原則，率先在學(xué)校成立工程訓(xùn)練中心，吸納優(yōu)秀學(xué)生開設(shè)課外創(chuàng)新班，聘請富有科研能力的教師或企業(yè)工程人員，以作坊形式培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合工程實際選題，設(shè)計、制作和調(diào)試控制系統(tǒng)或產(chǎn)品，積極開展相關(guān)學(xué)科技能預(yù)演與孵化，學(xué)生參加各類形式的大學(xué)生科研創(chuàng)新競賽，取得了多項省部級競賽成果。

2.5 注重教材與網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)

在學(xué)科帶頭人的組織協(xié)調(diào)下，課程組積極參加高等院校規(guī)劃教材建設(shè)的研究與實踐，先后主編出版了《匯編語言程序設(shè)計》《計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》和《微機原理與接口技術(shù)》規(guī)劃教材，并獲得省部級優(yōu)秀教材一、二等獎；其中主編的《微機原理與接口技術(shù)》教材入選 “十一五”國家統(tǒng)編教材，課程組建設(shè)的《匯編語言程序設(shè)計》《計算機組成原理》和《微機原理與接口技術(shù)》三門課程先后被評為陜西省精品課程。

3 課程教學(xué)設(shè)計

3.1 課程總體設(shè)計

該課程根據(jù)自身特點和授課對象的不同，總體設(shè)計主要體現(xiàn)出基于計算思維理念，以計算機硬件技術(shù)為主線，培養(yǎng)學(xué)生理解基本概念與基本原理，掌握應(yīng)用基本方法技能，突出硬件與軟件相結(jié)合，理論與實踐相結(jié)合的主題原則。在課程內(nèi)容的選取上，要正確處理先進性與教學(xué)規(guī)律性的關(guān)系，力求做到基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性、科學(xué)性、實用性和先進性的統(tǒng)一。在教學(xué)內(nèi)容的組織上，應(yīng)符合計算機基礎(chǔ)教學(xué)的固有規(guī)律、學(xué)科的內(nèi)在聯(lián)系和認(rèn)知規(guī)律；內(nèi)容的深度和廣度應(yīng)根據(jù)本課程在計算機類專業(yè)和非計算機類專業(yè)中的地位和作用，以及不同專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)計算機技術(shù)的特點和需要確定，并注意與其他相關(guān)課程的聯(lián)系和銜接。在教學(xué)過程的實施中，要從提高實效[2]出發(fā)，重視改革創(chuàng)新、與時俱進，注重整體優(yōu)化。尤其在教學(xué)方法手段上，要注意探索使用有利于學(xué)生個性化、自主性學(xué)習(xí)的啟發(fā)式、開放式、互動式教學(xué)方法，重視先進教學(xué)技術(shù)手段與傳統(tǒng)教學(xué)方法手段的結(jié)合，合理運用多媒體課件，適度引入網(wǎng)絡(luò)課程平臺等現(xiàn)代數(shù)字化教學(xué)手段輔助教學(xué)，力求在最小課時優(yōu)先的前提下讓學(xué)生更多、更好地掌握相關(guān)的知識和技術(shù)，獲得盡可能高的教學(xué)效率，提高課程教學(xué)效時比。endprint

3.2 教學(xué)內(nèi)容分類設(shè)計

課程教學(xué)內(nèi)容從體系上分為微機原理、微機接口和微機應(yīng)用三大部分，共12個教學(xué)模塊，若干個知識單元。每個知識單元又涵蓋若干知識點，各知識單元和知識點均應(yīng)緊密圍繞計算機硬件系統(tǒng)組成、工作原理及接口應(yīng)用這根主線開展教學(xué)，同時注重硬件與軟件相結(jié)合，理論與實踐相結(jié)合，各知識單元和知識點的主要內(nèi)容及其教學(xué)基本要求、重點難點等屬性，針對計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)知識和技能需求不同的三類專業(yè)，分別進行教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，即以電氣信息類為主的理工科類專業(yè)；非電類為主的理工科類專業(yè)；非理工科類專業(yè)。

對于以電氣信息類為主的理工科類專業(yè)，各知識點都應(yīng)學(xué)習(xí)并較好地掌握；對于非電類理工科專業(yè)，則對原理、接口部分等一些較深層次的知識點可不作要求；對于非理工科類專業(yè)，按傳統(tǒng)的教學(xué)理念，一般不開設(shè)本課程，但鑒于電子信息時代計算機在各領(lǐng)域的應(yīng)用已越來越廣泛、深入，一些交叉邊緣學(xué)科的產(chǎn)生往往離不開與計算機應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合，因此，為這些專業(yè)的學(xué)生開設(shè)本課程，使之對有關(guān)微機原理和微機接口方面一些最基本的概念、原理和方法有所熟悉和理解，能夠了解和掌握一些有關(guān)計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)的基本知識和思維方式。

3.3 實踐教學(xué)設(shè)計

為適應(yīng)培養(yǎng)高素質(zhì)、工程應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才的需要[4，6]，該課程要求學(xué)生配合理論教學(xué)完成相應(yīng)實驗和技能訓(xùn)練，以利于對課程概念、原理的理解和實踐能力的提升。實驗類型分為原理和性能驗證性、設(shè)計性、綜合應(yīng)用性實驗三類，重在培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和工程設(shè)計素養(yǎng)。針對不同專業(yè)的學(xué)生，在實驗內(nèi)容和程度上要有所區(qū)別。對于機電信息類專業(yè)的學(xué)生而言，上述三類實驗必須達到熟練程度；對于非理工科類專業(yè)學(xué)生而言，實驗教學(xué)以做原理驗證與認(rèn)知性實驗為主，達到基本認(rèn)知和理解程度即可。

實踐教學(xué)的目的在于加深對計算機及其基本組成部分的工作原理和工作機制的理解。通過實驗教學(xué)要求學(xué)生具有應(yīng)用80X86指令系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試匯編語言程序的能力，較熟練地掌握編輯程序、匯編程序、鏈接程序和調(diào)試程序等工具軟件的使用；掌握典型接口芯片和模擬通道器件（如ADC、DAC等）的性能特點和正確使用方法，并具有初步應(yīng)用可編程接口芯片和數(shù)字電子技術(shù)進行I/O接口（包括接口電路和接口驅(qū)動程序）設(shè)計的能力；具有初步綜合應(yīng)用微機原理和接口技術(shù)獨立分析、設(shè)計和調(diào)試一般微機應(yīng)用系統(tǒng)的能力；加深了解常用實驗儀器、設(shè)備的基本工作原理，鞏固其正確使用方法；具備初步自行擬定實驗步驟、檢查和排除系統(tǒng)故障、分析和綜合實驗結(jié)果以及撰寫實驗報告的能力，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究態(tài)度和細(xì)致用心的工作作風(fēng)，奠定工程應(yīng)用技能和初步的科學(xué)研究能力。

4 課程教學(xué)實施案例

4.1 教學(xué)組織案例

【案例1】 電氣信息類專業(yè)教學(xué)內(nèi)容的組織

對于以電氣信息類為主的理工科專業(yè)，作為一種參考方案，教學(xué)內(nèi)容組織具體可見表1所列的教學(xué)內(nèi)容。

【案例二】 非電氣信息類的理工科專業(yè)教學(xué)內(nèi)容的組織

對于以非電氣信息類專業(yè)，作為一種參考方案，教學(xué)內(nèi)容組織具體可見表2所示安排教學(xué)內(nèi)容。

4.2 實踐教學(xué)內(nèi)容組織案例

【案例一】 電氣信息類專業(yè)實驗教學(xué)內(nèi)容的組織

對于電氣信息類為主的理工科類專業(yè)而言，可參照表3來組織實驗教學(xué)內(nèi)容。

【案例二】 非電氣信息類專業(yè)實驗教學(xué)內(nèi)容的組織

對非電氣信息類專業(yè)而言，可參照表4組織實驗教學(xué)內(nèi)容。

5 結(jié) 語

課程建設(shè)是進行教學(xué)深化改革的關(guān)鍵，是提高教學(xué)水平與質(zhì)量的重要保證。基于高等院校計算機教育教學(xué)的基本要求，針對應(yīng)用型院校學(xué)生的培養(yǎng)要求，計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)課程按分類分層的原則，遵循“計算思維能力培養(yǎng)”的高等院校計算機教育教學(xué)改革方針，研究與重構(gòu)計算機硬件基礎(chǔ)課程的教學(xué)體系與實施方案，在組織理論教學(xué)與實踐教學(xué)合適比重、改革教學(xué)方法與教學(xué)手段、強化工程教育[8]特色等方面進行了系統(tǒng)配套改革，并對新的研究成果進行試點。在試點改革的基礎(chǔ)上，進一步完善、提升與推廣研究成果，使學(xué)生的學(xué)科知識與思維能力互相促進，共同提高，進而達到培養(yǎng)工程技術(shù)專業(yè)人才或合格工程師的目的。

參考文獻

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