計算機類專業硬件基礎課程群建設與探索

朱貴憲

（安陽工學院，河南 安陽 455000）

計算機類專業包括計算機科學與技術、網絡工程、軟件工程、物聯網工程等專業，其中計算機科學與技術專業在一些工科院校中開設歷史較長，是相對比較成熟的專業，但是在制定專業人才培養方案過程中，對于硬件類課程如何定位？需要開設哪些課程？目前仍然存在一些不同的看法，由于各高校對課程教學質量的嚴格把控，要求越來越規范，任課教師更加注重講授好自己所帶的課程，至于各硬件類課程之間其內在聯系是什么樣的？各課程之間的知識點是如何遞進、相互支撐的？一些任課教師對此類問題并不太關注，較少進行深入的思考，因此，本文參考計算機類教學質量國家標準，選擇計算機科學與技術專業人才培養方案為研究對象，認真梳理了計算機硬件基礎類課程應該開設的科目以及各課程當中重要的知識點，分析了各門硬件類課程之間知識點的銜接與遞進關系，較好的回應了上述問題，為今后更好的開展計算機硬件基礎類課程的教學提供了參考意見。

一、計算機系統軟硬件之間的關系及硬件類課程在專業課程體系中的定位

計算機作為一個復雜的系統，由硬件系統和軟件系統兩個部分組成，硬件是基礎，軟件是靈魂。沒有硬件基礎，靈魂無法依托，沒有軟件控制，計算機無法完成自行計算。軟硬件相互依存，缺一不可，深入學習計算機專業，必須學習一定量的硬件知識，但是只重視硬件學習，忽視軟件學習，屬于輕重倒置，反之，只重視軟件學習，徹底放棄硬件基礎知識的學習，則不能全面了解和認識計算機系統，影響后續專業水平的提升。根據計算機學科專業發展方向的不同，適當選取一定量的硬件基礎課程進行學習研究，是很有必要的。同時也符合計算機專業人才培養方案中寬口徑、厚基礎的培養模式。

二、計算機科學與技術專業核心課程體系中的硬件基礎類課程

2018年1月30日，教育部公布《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》，參考其中的計算機類教學質量國家標準，根據計算機類專業知識體系和核心課程體系的建議，對計算機科學與技術專業核心課程體系中硬件類課程進行抽取，抽取結果如表1所示。

表1 計算機科學與技術專業核心課程體系中的硬件類課程

根據表1抽取結果可以看出，在計算機科學與技術專業核心課程體系中，都安排有2至4門硬件基礎類課程，總學時約為150至220學時。硬件類課程具體應該開設哪些課程，還是要根據不同院校計算機專業的專業特色、拓展方向來決定，計算機類教學質量國家標準中既提出了基本要求和參考標準，又提供了多種方案供大家選擇。

多數高校根據這個標準，在計算科學與技術專業人才培養方案中安排的硬件類課程主要有：電路與電子技術，數字邏輯，計算機組成原理，計算機體系結構等，這些課程合起來稱為計算機硬件基礎課程群，在計算機專業人才培養方案中，對硬件類課程的排課要求是堅持以夠用為原則，門數不宜太多，學時也不宜太長，能夠支撐后續專業課程的學習即可。

三、硬件基礎類課程中的主要章節及核心內容

參考普通高等教育本科國家級規劃教材，匯總計算機科學與技術專業硬件基礎類課程中的主要章節及核心內容，結果如表2所示。

表2 計算機科學與技術專業硬件類課程主要章節及核心內容

根據表2提供的內容，既可以了解和分析各門課程的主要章節及重要知識點，也可以對相似課程進行比較，找出它們之間相同的知識點與不同的知識點，以便在制定人才培養方案過程中合理選擇與取舍相似的課程，下面選擇幾門相似課程進行分析探討。

1、數字電子技術與數字邏輯兩門課程知識點的異同

通過比較可以看出，兩門課程的知識點大部分相同，但有少數知識點不同，兩門課程的異同點如表3所示。不同之處在于：在數字電子技術里面，各教材都講到了脈沖波形的產生和整形，數模轉換與模數轉換等內容，在數字邏輯課程里面，脈沖波形的產生和整形，數模轉換與模數轉換往往作為選學內容，此外，數字邏輯課程里面往往還增加了硬件描述語言，數字系統設計等內容，以便為后續某些專業課程（如EDA技術及應用）打基礎。從專業選修的角度來說，數字電子技術往往開設于電子信息類專業，數字邏輯課程多數開設于計算機類專業。

2、計算機組成原理與計算機體系結構兩門課程的區別與聯系

表3 數字電子技術與數字邏輯課程的區別

計算機體系結構是計算機組成原理的后續課程。兩門課程既有區別，又有聯系，如果把構建一個計算機系統比作建造一座房子的話，計算機體系結構如同建造房子的圖紙，負責基本功能框架的設計，計算機組成原理負責工程的具體施工，比如建筑材料的購買與房屋的搭建，兩座房屋外觀相似，功能相似（屬于結構問題），但使用的建造材料（屬于組成問題）不一定相同，工程造價也可能有比較大的差別。使用高級語言編程的程序員類似于一般用戶，關注的是房子居住舒適度，各項功能是否滿足，系統運行是否正常，至于功能是怎樣實現的（比如熱水器，燃氣灶等工作原理與過程）則是忽略的。計算機系統中，是否具備某項功能（指令系統功能設計），屬于計算機結構問題，該功能是如何實現的（每一條指令的實現過程），則屬于計算機組成問題。

通過對上述各課程的分析，可為計算機硬件基礎類課程的選課和排課提供參考，有利于更加合理的制定計算機科學與技術專業人才培養方案。

四、硬件基礎類課程中各課程之間知識遞進與支撐關系

電路分析基礎、模擬電子技術基礎、數字電子技術基礎（或數字邏輯）皆屬于計算機類專業的專業基礎課程，根據專業方向和學時安排的需要，有的高校把上述三門課程合并成一門課程開設，稱為計算機電路基礎（或稱計算機電子電路技術），有的高校把上面三門課程安排成兩門課程開設，稱為計算機電子電路技術——電路與模擬電子部分和計算機電子電路技術——數字電子技術部分，也有部分學校開設電路分析基礎和電子技術基礎兩門課程（把模擬電子技術和數字電子技術合并為電子技術基礎課程）。開課順序是先學習電路分析基礎，再學習模擬電子技術基礎，最后學習數字邏輯（或數字電子技術基礎），上述課程學過之后，可進行計算機組成原理和計算機體系結構等后續專業基礎課程的學習，一般情況下，這些硬件類課程應該安排在大一、大二兩個學年，進入大學三年級后，開始專注于專業課程的學習，各門硬件類課程開課順序如圖1所示：

各硬件類課程依靠核心知識點相互關聯、前后支撐、逐步遞進，電路分析基礎知識點對模擬電子技術課程起支撐作用，模擬電子技術知識點對數字電子技術課程起支撐作用，電子技術基礎中的知識點對計算機組成原理、計算機體系結構課程起支撐作用，各門課程之間的支撐關系如圖2所示。

隨著學習的深入，可以發現，硬件類課程之間的支撐關系不是一些知識點簡單無效的重復，而是知識的逐步遞進、融合與延伸，有些課程知識點之間存在著直接支撐，如某些硬件類課程之間就存在直接支撐關系，有些課程知識點之間存在著間接支撐，如某些軟件類課程和硬件類課程之間就有可能存在間接的支撐。這里僅以模擬電子技術與數字電子技術課程（合稱電子技術基礎）中部分章節對計算機組成原理課程的直接支撐作用為例，來說明電子技術基礎課程中的知識點對計算機組成原理課程的支撐作用，這幾門課程之間依靠知識點構筑起的支撐關系如圖3所示：

圖1 硬件基礎類課程開課順序

圖2 硬件基礎類課程之間的支撐關系

圖3 電子技術基礎知識點對計算機組成原理課程的支撐作用

熟悉了各課程之間知識點的支撐關系，就可以從更高的視角（由平視各門課程變為俯視整個課程體系）來組織教學，既能看到單一課程的獨立性，也能看到各門課程之間的關聯性，從而做到有的放矢，重點突出，有利于教學質量的提高。

五、硬件基礎類課程知識點對專業課程的支撐作用

單片機原理及應用是計算機科學與技術專業的一門專業課，融合了硬件知識、軟件編程、傳感器、電子測量等諸多知識要素。這里以單片機原理及應用這門課程當中一個簡單的應用系統（如圖4所示）為例，探討硬件基礎類課程對專業課程的支撐作用。

該單片機應用系統的作用是：當按鍵開關S2按下時，蜂鳴器發出音樂報警，同時LED也隨之閃爍。從系統硬件組成（或元器件組成）來看，里面包含了電阻、電容、開關、晶振，PNP三極管（放大電路原理），發光二極管、蜂鳴器，電源，要想熟悉這些部件的作用及工作原理，就需要學習并掌握電路分析和模擬電路等課程的知識，從更深入的角度來分析理解單片機原理及應用這門課程，還需要掌握數字邏輯，計算機組成原理等課程當中的知識，同時從軟件角度來說，需要掌握匯編語言和C語言等編程語言。

圖4 單片機應用系統示例

六、在硬件基礎類課程中探索實施模塊化教學

利用硬件基礎類課程知識點的關聯性及其前后課程的支撐作用，可探索實施模塊教學，其優點在于：首先，模塊化教學從專業整體視角來看待每門課程在人才培養方案中所起的作用，易形成專業知識的系統化，避免知識的碎片化，其次，模塊化教學可以有效利用教學學時，提高學習效率，減少重復學習某些相似的知識內容，比如數制與代碼模塊，好幾門課程都有涉及，有的在大學計算機基礎里面講到，有的在計算機導論里面講到，有的在數字電子技術基礎（或數字邏輯）里面講到，有的在計算機組成原理里面講到，之所以上述課程都設立這樣一個章節，是因為各教材作者希望保證每門課程的完整性和獨立性，所以造成了專業課程體系結構中知識點的冗余，在模塊化教學中，則可設立一個獨立的模塊進行學習。為此，在硬件類課程學習過程中，打破課程界限，以有利于計算機類專業人才培養為根本原則，把計算機硬件課程群劃分為幾個模塊進行學習，其中每個知識模塊的知識點如表4所示：

表4 知識模塊及相應知識點

路分析模塊，數制與代碼模塊，邏輯電路模塊，計算機組成原理模塊，匯編語言模塊，接口技術模塊，共七個模塊，可安排2到3個熟悉相關模塊的教師進行教學，教學過程中，要注重實踐教學，保證教學質量。

結語

通過上面的分析可以看出，計算機類專業硬件基礎課程群主要包含電路與電子技術基礎，數字邏輯，計算機組成原理，計算機體系結構等課程，根據每個學校的專業特色，科學制定人才培養方案，按照課程之間的支撐關系，合理安排若干門硬件類課程，每門課程的學時做到數量適中，并保留足夠的實驗學時。教學過程中，任課教師之間要勤于溝通，重視各門課程之間知識點的銜接，做到不重復、不遺漏重要知識點，加強實踐教學力度，不斷總結教學經驗，逐步探索實施模塊化教學，經過師生的共同努力，扎實做好硬件基礎類課程的教學，為后續專業課程的學習打下一個良好的基礎。