計算機硬件課程改革方法分析
——以計算機組成原理課程為例＊

伊犁師范大學網絡安全與信息技術學院 林玲 許東耀

本文針對計算機硬件課程教學中存在的難教、難學問題，以計算機組成原理課程為例，提出對照新工科教育認證標準修改課程教學大綱，采用混合式的教學理念滿足多層次需求，以項目驅動模式激發學生學習積極性的教學改革措施。

計算機專業開設軟件和硬件課程，軟件課程主要有C語言、數據結構、Python、Java、3D Max、數據庫等程序設計類和應用軟件類課程，其教學內容實用性強，有立竿見影之效果，因此，學生的學習積極性也較高；硬件課程主要有數字電路、匯編語言、計算機組成原理、微機原理與接口技術、單片機等，硬件課程教學內容抽象，學習難度較高，學生存在“欺軟怕硬”的心里，學習積極性不高[1，2]。例如，計算機組成原理是計算機專業硬件核心課程之一，屬于計算機專業碩士研究生入學考試科目。計算機組成原理課程內容涉及計算機內部工作機制，重點講解運算器、控制器、存儲器、輸入輸出系統及各部件之間的聯系。由于計算機硬件的內部工作機制學生看不到摸不著，內容抽象，學習起來比較乏味枯燥。

在日益復雜的國際形勢下，沒有自主可控的硬件核心技術就沒有信息安全。國家的發展需要軟硬兼顧的系統級工程師，熟悉計算機底層的工作原理才能應對網絡空間安全、國防安全等信息技術領域的復雜問題。因此，研究如何提高計算機專業教學效果，特別是硬件類課程的教學質量是計算機教育界關注的重點問題[3，4]。通過多年的計算機組成原理、微機原理與接口技術、匯編語言程序設計等硬件類課程教學經驗與教學過程的思考，結合與學生的交流探討、文獻借鑒，從以下幾個方面探討計算機硬件課程教學中存在的問題和改進措施。

1 計算機專業硬件課程教學中存在的問題

1.1 學生對硬件課程重要性的認識不足

計算機專業開設的硬件課程主要有：《數字邏輯電路分析》《計算機組成原理》《微機原理與接口技術》《計算機系統結構》《嵌入式系統》等，這些課程中原理層面的內容較多、技術含量高，要求具有一定的實踐性。而在實際教學中，由于資金、更新換代等原因實踐教學環節比較薄弱，導致理論不能聯系實際，學生在學習過程中經常感到抽象、繁瑣、枯燥、無從下手，認為硬件課程只是了解計算機內部的工作原理，實際應用中作用不大，只要對硬件課程內容有所了解，考試能過即可。實際上，社會對計算機硬件人才的需求供不應求。例如，光刻機是制造處理器芯片的核心裝備，雖然我國已掌握光刻機技術，能制造90nm制程的光刻機，但是與國外5nm工藝相比差距還很大，需要大力培養計算機硬件核心技術人才。

1.2 理論內容抽象，學生難以掌握

大部分的硬件課程理論內容抽象，利用傳統單一的多媒體PPT教學模式很難讓學生理解其硬件內部工作機制。如計算機的控制器由程序計器(PC)、指令寄存器（IR）、指令譯碼器、脈沖源及啟停線路、時序信號形成部件組成。控制器的控制信號有脈沖信號和電平信號兩種形式，而這兩種控制信號是通過微程序控制、硬布線控制兩種方式生成。兩種控制信號生成方式的工作原理不同，芯片層面的概念、原理，看不到摸不著難以想象，僅憑單一模式的PPT講解學生很難掌握。

1.3 硬件課程師資隊伍緊缺

近些年隨著招生規模的擴大，很多高校師生比超標，特別是西部邊疆地區高校的師生比超出了國家規定的最低限。西部邊疆地區的高校師資緊缺，缺乏系統性掌握計算機硬件課程的好老師。很多高校，多年講授一兩門硬件課程的教師較多，而全面、系統地講授過多門硬件課程的教師較少。多輪次講授一門硬件課程，能夠使教師對該門課程的重難點把握更透徹，講好這門課。但是，如果沒有多門硬件課程的講授經歷，教師對前后導課程之間的銜接性、課程之間重疊內容的側重點、計算機體系結構的整體性、系統性把握不夠。教師對硬件課程之間的銜接關系、系統性把握不到位，就談不上讓學生系統地掌握計算機硬件知識。

1.4 實驗模式單一，系統性不足

目前，大部分的高校開設的硬件課程實驗主要以驗證性的實驗為主，例如在《計算機組成原理》這門課程主要包括運算器的組成、存儲器實驗、數據通道實驗、微程序控制實驗、CPU組成與指令周期等實驗。在微機原理接口技術這門課中，學生主要完成并行接口8255A應用設計、串行接口8251應用設計、RAM擴充設計實驗、定時器/計數器8253應用設計、ADC0832綜合實驗、ADC0809綜合實驗。大部門的計算機硬件實驗課程主要以實驗箱為主，在實驗過程中，學生僅按實驗教材給定的實驗步驟，連接電路圖，執行實驗箱廠商提供的C或匯編語言現成程序，觀察、記錄、驗證預期的實驗結果，寫出實驗報告即可。這種單一的實驗模式，無法鍛煉和提高學生的實踐能力，不能很好地將所學理論知識與實踐相結合，學生完成實驗后，收獲不大，感覺無多大意義。硬件實驗課程雖然有對應的實驗教學大綱，但實驗內容較簡單，難度偏低。缺少設計性、擴展性、綜合性實驗，各章節之間的連貫性、系統性不足。

2 計算機專業硬件課程教學改革探索

2.1 對照國家工程教育認證指標修改課程教學大綱

計算機專業人才培養方案應符合教育部工科教育認證標準。工程教育認證是一種基于產出導向（Outcomesbased Education，OBE）的教育模式，其核心思想是培養出的畢業生應具備解決復雜工程問題的能力和素養[5-7]。為了提高人才培養質量，適應建設現代化強國步伐，圍繞解決復雜工程問題，針對學生應用工程知識、解決分析問題的能力、應用現代化技術管理項目工程的技能、終身學習的態度等4個方面對人才培養方案、課程體系設置、師資隊伍結構、教學方法等進行教育教學改革。同時，充分分析地域經濟發展狀況和行業結構，依據當地經濟的發展和前進步伐，因地制宜地開設軟、硬件課程教育，培養適應時代發展的專業人才，著重增加實踐、操作、研發等領域的教育。例如：開設計算機組裝與維護、局域網組網技術、DSP技術、單片機等硬件課程，通過計算機組裝與維護課程的學習，使學生能夠獨立組裝給定配置要求的PC機，能進行計算機軟、硬件的安裝、拆除、調試、升級，及常見的故障診斷和排除；在局域網組網技術課程中要求學生掌握，建立局域網的物理連接、建立局域網的工作環境、組建和管理基于工作組的局域網、組建和管理基于域的組網和管理方法、將局域網接入Internet、建立和管理代理服務器等。這些硬件課程的學習不僅提高了學生的學習興趣，增強了實踐操作能力，更是滿足了當地社會經濟發展對計算機專業人才的剛性需求。

2.2 引入課程思政提高學生對課程的學習興趣

計算機技術是我國邁向現代化強國的主要技術之一。改革開放以來，我國雖然在5G、高鐵、特高壓、超高橋梁、光伏領域達到了國際領先水平，但也存在很多卡脖子技術受限于國外，如：光刻機、機器人、精密儀器、計算機操作系統等。在“枯燥”的硬件課程中，引入思政元素，結合國產CPU的發展歷程和面臨的技術、材料、工藝、EDA軟件等多方面的境遇，培養學生的創新精神和團隊精神，激發學生投身于國產IT生態自主可控事業的使命感。介紹我國計算機發展的艱辛歷程、國際競爭環境和取得的成績，激發學生的愛國情懷和責任擔當，明確歷史使命和責任擔當。引導學生攀登科技高峰，努力學習專業知識，在實現現代化強國的道路上奮發圖強，為國爭光。

2.3 充分利用互聯網平臺，做好課前預習課后輔導總結

在國家的大力支持下“互聯網+教育”時代涌現了大量國家級精品課程和形式多樣的IT教育教學平臺。充分利用國家提供的優質免費資源，注重課前預習、課后輔導總結是提高教學效果的有效途徑。課前讓學生看慕課、微課，自主學習相關仿真軟件，課后督促學生在指定的平臺上提交作業、完成實驗任務。鼓勵學生充分利用中國慕課大學、頭哥實踐教學平臺、超星爾雅平臺課程、233網校資源對專業知識進一步深化和拓展學習。教師應結合生源結構、學生的學習基礎選擇合適的平臺和優質課程，引導學生利用課外碎片時間拓展學習。同時，教師應學會利用網絡平臺對課進行科學管理，及時批改作業，通過后臺數據了解、掌握學生學習狀況，做好課后輔導與答疑。

2.4 采用混合式的教學理念滿足多層次需求

不同省份的高考及招生模式導致同一個班級的學生存在基礎差異較大，起點不同，對硬件課程的掌握、消化程度不同。采用統一的教學模式會帶來“學習好的學生吃不飽，學習差的學生跟不上”的現象。為了滿足不同層次的學生需求，在教學大綱中應給出不同難度階段的教學計劃與目標，采取大班/小班混合、線上/線下混合、師教/生學混合、現場/遠程融合等多形式課堂混合，以生講生評、以練代講、案例點評、研討辯論、項目探究、邊講邊練、師導生演、平行互動、邊做邊評、生問生答等多種混合教學模式激發學生的學習興趣滿足不同層次學生的需求。

2.5 以項目驅動模式激發學生的學習積極性

面向工程教育認證的OBE理念是以學生為中心，將學生放在中心主體地位，調動和激發學生的積極性、使學生自主參與到教育教學當中，將學到的知識轉化為工程實踐能力為最終培養目標。項目驅動的教學模式，以完成一個具體項目為主線開展教學活動，提出項目問題，讓學生分組討論，項目小組既分工又協同合作共同完成項目。項目驅動的教從某種程度上能改變傳統的“重講授、輕參與”“重理論、輕實踐”的教學模式，項目完成時學生學會了查閱資料，自我解決問題和工程實踐能力。例如：在計算機組成原理課程中以CPU的設計為主線，將實驗分解為運算器設計、寄存器文件設計、存儲器擴展技術、總線和控制器設計，最終完成簡單CPU的設計。

2.6 加強硬件課程教學團隊建設

教學團隊是以學生為服務對象，以技能互補、相互協作、相互溝通的教師為主體，以改革教學內容和方法為主要途徑，以系列課程和專業建設為平臺，以提高教師教學水平、教育質量為目標而組成的一種創新型的教學基本組織形式。以數字電路、微機原理及接口技術、計算機組成原理、計算機系統結構、單片機應用技術、嵌入式系統等硬件課程為主構建硬件課程教學團隊，通過教學團隊來促進教學研討和教學經驗交流，推進教學工作的老中青相結合，發揚傳幫帶作用，加強青年教師的培養，提高硬件課程的教學質量。教學團隊利用校園網搭建地方特色的硬件課程教學平臺，通過網絡化的在線師生對話、學生之間的學術探討、在線作業和在線自測等，進一步激發學生學習硬件課程的興趣。

3 結語

在21世紀人類已邁入“知識經濟”時代，科學技術正發生著深刻的變革，社會對德才兼備的高素質信息技術人才的需求更加迫切。如何培養出符合時代要求的優秀人才，是全社會尤其是高等院校面臨的一項緊迫而現實的任務。分析了目前計算機硬件類課程教學中存在的問題，并從通過課程思政提高學生的主觀能動性、充分利用互聯網平臺做好課前預習課后輔導總結、采用混合式的教學理念滿足多層次需求、以項目驅動模式激發學生的學習積極性等幾個方面對硬件類課程教學提出改革措施，從而能夠有效地提高教育教學質量，培養合格的中國特色社會主義新時代信息技術人才。

引用

[1]岳斌,張振寶,汪美霞,等.計算機組成原理與系統結構課程教學改革[J].計算機教育,2022(2):134-138.

[2]譚志虎,胡迪青,秦磊華.“計算機組成原理”課程設計的改革[J].電氣電子教學學報,2016,38(6):110-112+134.

[3]周麗華,周俊華,肖清.計算機組成原理課程思政教學的探索與實踐[J].計算機教育,2022(2):37-40.

[4]唐志強,朱子聰.計算機專業硬件課程體系的改革[J].計算機工程與科學,2014,36(S2):159-161.

[5]劉三榮,徐麗,張強,等.基于工程教育專業認證的計算機組成原理混合式教學組織模式[J].計算機教育,2021(3):104-107.

[6]賈電如,王雙友,丁萬寧.基于工程認證的計算機組成原理課程質量評價探索[J].計算機教育,2022(2):96-99.

[7]張威,胡曉宏.面向新工科建設的計算機組成原理課程教學[J].科技風,2022(10):101-103.