计算机硬件类课程教学改革探索

    刘彩霞+刘三荣+王秀贞+候艳艳

    摘要：针对目前国内高校计算机专业开展的硬件类课程教学，分析了理论教学和实践教学中存在的主要问题。结合目前应用型本科院校的开展和教学经验，从理论教学体系和实验教学体系两个方面进行探索，旨在提高硬件的教学质量和水平，培养具有系统能力的综合性创新人才。

    关键词：计算机；硬件类课程教学；理论教学；实践教学；改革

    中图分类号： G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）12-0123-03

    Abstract： In view of computer hardware course teaching in domestic colleges at presence， the main problems in the theory and practice teaching were analyzed. Combined with the current development of local application college and teaching experience， two aspects of theoretical and experimental teaching system were explored. The aim is to improve the quality of hardware course and cultivate talents with innovative and integrated capabilities.

    Key words： computer； hardware course teaching； theoretical teaching； experimental teaching； reform

    1 引言

    数字电路、微机原理与接口技术、单片机原理与应用、计算机组成原理和嵌入式系统等硬件课程是计算机、电子信息类等相关专业的专业基础课程。这些课程都具有理论性强、技术性强、理论与实践结合紧密等特点。但是这些课程也存在着内容抽象，难以理解，以及实验环节薄弱[1]，难以跟理论匹配的困难。对此，各个学校进行了积极的探索[2-4]。

    近年来，随着应用型本科院校的深入开展，本校的信息学院结合面向系统能力培养的课程群建设，对计算机硬件类课程进行了积极的改革与探索，旨在让学生建立计算机系统的概念，提高大学生计算机工程实践能力，培养学生的动手实践能力和创新能力。在此基础上，进一步探索理论教学和实验教学改革举措。本文以计算机专业中硬件课程的开展为例，结合本校的实践及教学中存在的问题，从理论教学体系和实验教学体系两个方面对硬件类课程的教学进行探索。

    2 问题分析

    计算机专业的硬件类课程教学存在诸多问题，下面从几个方面分别说明。

    1）思想认识偏颇

    作为计算机专业的学生，给人的第一感觉是软件编程，硬件似乎并不是本专业的强项。基于这种片面观念，无论是在决策阶层还是在广大学生的学习过程中， 都或多或少的出现了“重软轻硬”的倾向[5-6]。在某一程度上，这是与培养全面发展的应用型人才相背离的，由此造成了学生后续学习深造或职业发展道路上的硬件瓶颈。当然，在这种问题的背后，也隐藏着硬件课程教与学中存在的一些问题。

    2）理论为主，理解困难

    一般高校计算机专业的硬件课程是为加强对学生技术应用能力的培养而开设的体现电子技术、计算机技术综合应用的综合性课程。该类课程的特点是概念多、较抽象和涉及面广，其整体实现思想和技术又往往难于理解。比如微机原理与接口技术课程中的微处理器，介绍微处理器的基本组成原理和内部工作机制，这些都是看不见摸不着的东西，学生学习起来就非常的枯燥，难以理解；又或者计算机组成原理课程介绍计算机的各子系统（包括运算器、存储器、控制器、外部设备和输入输出子系统等）的基本组成原理、设计方法、相互关系等。

    3）实验方式单一

    目前许多院校还在沿用传统实践教学模式、方法和手段，比如我们一般采用的“实验加课程设计”的模式。以微机原理与接口技术和单片机原理与应用课程为例，实验学时受到课程总学时的限制，一般教学计划中安排16个学时实验，都偏重于接口的实现部分，对于微机原理或单片机原理都以理论为主。同时，各个实验之间没有明显的联系，并且局限于学时限制，只能抽取一部分完成。学生的独立思考能力、实践能力和创新能力得不到有效的锻炼，有的学生对知识一知半解。即使这样，也难以满足接口内容的系统训练[7]。课程设计是在学完相关课程之后综合利用所学知识完成一个接口应用系统设计并在实验室实现，是一个实践性较强的综合案例。但是传统的课程设计都是安排在期末，学生期末时间紧张，并且前面所学的知识有所遗忘，设计起来就会出现问题。“实验加课程设计”的模式使得教学内容较为单一，综合训练程度不够，缺少系统能力的培养。

    4）实验考核重视不足

    实验一般作为平时成绩计入总成绩。以我们学院为例，平时成绩占总成绩的30%，但平时成绩一般包括平时表现、平时作业、课程设计等。所以，即使和课程设计放一起算，实验所占的比重也非常少，这就很难引起学生的重视。

    5）课程之间缺乏联系，各自为战

    数字电路、微机原理与接口技术、单片机原理与应用、计算机组成原理、嵌入式系统计等课程的教与学都是各自为战，各门课程间缺乏相应联系， 学生很难驾驭整个知识体系。作为计算机专业的学生，给人的第一感觉是软件编程，硬件似乎并不是本专业的强项。基于这种片面观念，无论是在决策阶层还是在广大学生的学习过程中， 都或多或少的出现了“重软轻硬”的倾向。在某一程度上，这是与培养全面发展的应用型人才相背离的，由此造成了学生后续学习深造或职业发展道路上的硬件瓶颈。当然，在这种问题的背后，也隐藏着硬件课程教与学中存在的一些问题。

    3 改革探索

    联系我校的课程改革，下面从计算机硬件理论教学体系和实验教学教学体系两个方面进行探索，并提出相关建议。

    3.1理论教学体系探索

    1）加强课程群建设，突出硬件课程之间的联系

    通过面向系统能力培养的课程群建设，建议把数字电路、计算机组成原理、嵌入式系统课程结合。数字电路、计算机组成原理、嵌入式系统设计课程在课程知识、研究方法等方面具有密切的内在联系。比如数字电路课程为硬件设计的基础课程，使学生深入理解电路处理信息能力，为后继计算机组成原理课程输出必要且符合规范的ALU、Register Files等部件与组件；计算机组成原理课程使学生深入理解CPU和挖掘CPU性能能力，为后续课程嵌入式系统设计课程输出必要且符合规范的CPU、存储器、中断和GPIO等子系统和部件[8]。这种课程有机结合的形式，有助于学生系统能力的培养。

    微机原理与接口技术课程与单片机原理与应用课程相结合。这两者具有很多的共同点，比如都是核心芯片（微处理器和单片机）与接口的扩展和应用。所以，可以微机原理与接口技术以理论为主，讲清原理，而单片机原理与应用课程可以完全交给学生动手实践。

    2）结合多媒体技术，加强课程理论的理解

    现代教学技术应用与教学改革，教室一般配备完善的多媒体设备，教师大多可以使用多媒体技术进行教学。通过多媒体设备和多媒体课件的综合运用，可以使原本晦涩抽象的知识加以具体化、可视化，从而使学生易于理解，比如计算机组成原理课程中的流水线设计等可以通过有效的动画加以演示。同时以实验和实训配合教学，来加深学生对硬件课程的理解，进而提高学生的编程能力，化抽象为形象，侧重讲原理、讲应用。

    3）网络课堂作为课堂教学的有效扩充和扩展。

    网络课程可以解决教学环节中出现的问题：学生与答疑教师交流不方便、实时性差、教师与学生之间不能充分沟通等。同时学生可以进行网上自测：每章节都选取了一定数量的判断题和选择题，包括理论习题集和理论试题，供学生自学时进行测试。学生可以通过校园网下载授课内容进行预习或复习。

    网络课堂同时使分层次教学变得简单易于实现。教师可以上传一些课堂的扩展资料，供学有余力的学生进行自学。如微机原理与接口技术课程，课堂上集中于8086的讲解，同时在网站上上传一些80286到pentium微处理器的知识，以满足不同层次学生的需求。

    3.2实践教学体系探索

    1）实验内容多元化

    实行开放性、设计性实验， 提高学生综合能力。采用虚拟实验和实际制作相结合、基础实验和课程设计相结合、传统面包板和现代实验箱相结合的方式，并大胆实施分级教学，创建项目小组自学。教师在讲完理论知识后，引导学生动手制作电子作品，让他们在实践中加深对理论知识的理解。如讲解完单片机原理与应用课程前几章后，可以让学生利用面包板自己动手设计一个最小单片机系统。

    2）课程设计驱动式

    将课程设计作为一个综合案例贯穿于相应硬件教学中，将原来期末布置的课程设计扩展到整个教学过程中，边学边设计，到期末时各小组完成整个课程设计，同时开发出简单实用的电子产品以及对应电子产品的开发指南视频。这些电子产品可以是一些常见的电子产品的设计过程（如万年历、频率计、温、湿度测量仪、交通信号灯模拟控制系统、计时器等），也可以是创新实验中学生的成果。这些产品与课本理论知识紧密相连，能够使学生将理论应用于实践，又具有一定的现实意义，激发学生的兴趣。

    3）以赛促学

    专业技术课，是一门实践性很强的课程。基于该特点，所以教学当中始终坚持与实践紧密结合：即与实验、大学生课外科技活动、各类竞赛以及与学生实际能力相适应的科研相结合；及时地将接口最新的技术、发展和教师的科研成果融入到教学内容中去。我校学生已参加多届全国大学生电子设计竞赛及暑期培训工作，成绩斐然。

    4）加强课程实验监管， 加大课程实验权重

    考核分三部分：实验项目考核，对每一个知识点对应的实验项目进行考核，考察学生对实践知识点的掌握；课程设计考核，考察学生综合实践能力；创新能力考核，考察学生创新能力。近几年，学院出台一系列措施，提高学生对实践能力的重视，包括实践抵学分。比如学生参加山东省电子设计竞赛后，相应的课程可以免修。这样，大大提高了学生的学习兴趣。

    4 结论

    目前高校中计算机专业开设的硬件类课程虽然内容不同、各有侧重但在教与学中却存在一些共同的问题， 影响了硬件类课程的教学效果， ， 同时受到诸多方面因素的影响，无法有机地结合和贯穿， 导致理论教学和实验教学效果不理想。本文结合自己的一点实践经验，给出了相关的建议。硬件课程的更高效更好地开展，更需要从教学内容、教学模式、教学手段、实验教学等方面进行整合与更新，从而培养社会所需的系统性综合人才。

    参考文献：

    [11]曹建芳，赵青杉.融入“计算思维”的计算机硬件类课程改革[J].电脑知识与技术，2014（7）：1461-1462+1492.

    [2] 姚登峰. 计算机课程整合无障碍技术的实践探索[J]. 计算机教育， 2014（24）： 58.

    [3] 刘宏伟， 张宏莉. 项目驱动的计算机专业实践教学体系初探[J]. 计算机教育， 2015（9）： 33.

    [4] 刘鹏， 傅婷婷. 竞争类项目实践教学方法在计算机类课程中的应用[J]. 计算机教育， 2014（6）： 48.

    [5]唐建宇.计算机硬件课程教学中的若干问题分析与探讨[J].福建电脑，2007（5）：188-189.

    [6]王艳玲.计算机专业硬件类课程教学改革探讨[J].计算机教育，2009（20）：90-92.

    [7] 丁保华，张有忠，陈军，孟凡喜.单片机原理与接口技术实验教学改革与实践[J].实验技术与管理，2010，27（1）：117-119.

    [8] 陈文智，陈越，庄越挺.面向系统设计能力培养的教学改革探索[J].计算机教育，2013（20）：70-76.