浅析计算机硬件系列课程教学改革
计算机硬件课程包括计算机组成原理 、 操作系统 、 计算机网络 、 计算机系统结构 、 接口技术 等课程, 它们是计算机专业中的技术核心课程, 具有理论性强、应用范围广且与实际工程联系紧密等特点。但目前高校计算机教育中普遍存在着 重软轻硬 的现象, 使得计算机专业在硬件课程的设置、教学知识体系和内容等方面存在着诸多不尽如人意的地方, 教学质量难以保证, 多数学生的硬件能力都比较差, 基本无法胜任计算机硬件方面的相关设计和应用工作。这无疑对国内高校硬件类课程的教学敲响了警钟, 必须立即采取措施解决教与学中的问题。
一、计算机硬件系列课程教学中存在的问题
1.在认识方面存在着重软轻硬的倾向
目前计算机教育存在着重软轻硬的倾向。很多学生对硬件课程的了解甚少, 认为硬件课程只是学习计算机的内部工作原理, 在计算机应用当中无关紧要, 认识不到硬件技术在应用方面的重要性, 再加上相应的实践环节难以保证,课程考试评价体系中对硬件实践能力的不重视, 导致学生在学习中缺乏积极性。
2.教学内容落后
一方面, 随着计算机硬件技术飞速发展, 真正能反映当今世界硬件领域技术的教材太少, 教学内容大多较旧, 计算机硬件课程未能跟上技术的更新, 其相应的实验设备和条件几乎为零。另一方面, 计算机硬件知识不直观, 最新的硬件知识往往包含许多较复杂的技术, 讲述起来抽象、枯燥,学生较难学习和理解, 因此许多教师偏向于讲述旧的知识。
3.课程教学缺乏系统性
计算机是一个由硬件和软件组成的庞大的复杂系统,计算机知识有着很强的系统性。而在目前的教学中, 硬件课程知识与软件课程知识之间缺乏足够的交叉和互补, 学生无法深入理解计算机的基本工作原理及其在软件系统中的作用。另外, 在硬件课程之间也缺乏充分的衔接, 有些知识点重复, 有些知识点缺失, 这些都导致了学生的知识体系不系统、结构不健全。
4.设备条件不足
计算机硬件是实践性很强的学科, 学生必须具备足够的动手实践能力, 而在计算机硬件教学中, 硬件课程的教学设备投资大, 通常每门课程都需要配备专门的实验设备, 实验设备的维护工作量较大, 对实验室辅导和维护人员的要求也比较高。多数高校在硬件课程及实验条件建设方面都明显不足, 设备相对落后, 实践教学时间严重不足, 培养出来的学生大多不具备基本电路设计、调试和实践的能力。
5.缺乏创新能力的培养
目前高校中开设的硬件实验课程大多以验证性实验为主, 教师往往提供了实验的所有环节, 大部分学生在做实验的过程中, 基本上不对实验的实用性进行延伸思维, 只按设定好的正确线路、程序、步骤、数据一一照做。这样的实践不利于学生创新思维的培养, 成了另一种形式的理论学习,通过实验达不到理论与实践相结合的目的, 达不到培养学生初步科研能力的要求。
二、提高硬件课程教学质量的对策
1.激发学生学习硬件课程的兴趣
兴趣是学习的动力, 有了兴趣就有了学习好这门课程的可能。因此, 在各硬件课程开设时, 应首先给学生介绍该门课程的主要内容、该门课程在计算机专业当中的地位以及与相关课程的关系, 同时介绍该课程在实际工作中的应用及应必备的知识, 以激发学生学习硬件课程的兴趣, 让学生真正感觉到, 这门课离自己的生活并不遥远。比如, 计算机组成原理 这门课教师就可以从以下几个方面来介绍:1)联系现实生活中出现的问题。例如, 以 为什么我们在编辑文件时掉电, 文件会丢失? 来说明计算机存储系统的工作原理。2)联系其他课程。例如, 用 计算机组成原理 与接口技术 、计算机系统结构 、操作系统 的关系来说明该课在计算机专业中的地位。3)联系就业趋势。例如, 如果参加工作, 该课是搞计算机工程的必备知识;如果考研, 又是必考的专业课。
其次, 在开设各门硬件课程时, 可开设相关课程的专题讲座及相关的学术报告, 以使学生深入理解计算机的基本工作原理及其在软件系统中的作用, 通过对新技术和新产品的了解, 开阔学生的视野, 激发学生学习硬件课程的兴趣。
2.提高硬件知识的先进性
作为硬件课程教学, 应尽量选用能反映目前计算机领域内硬件新技术、新成就, 能体现出知识性、先进性和系统性的计算机硬件教材, 以使学生能学到先进的硬件知识。例如, 接口技术 的教材至少应涵盖目前世界上微机领域内最先进的知识和技术, 像分支转移预测技术、超标量执行技术、微机的流水线操作技术、高速缓冲存储器技术、虚拟存储器技术、浮点数据处理技术、高速总线传输技术等。正是这些技术, 为微型计算机提供了卓越的性能, 并构成了各种高性能软件的载体。考虑到教学安排的层次性和循序渐进的要求, 可以在教材中有选择地加入部分旧的知识结构。
3.构建科学的系统的计算机硬件教学体系
计算机硬件知识必须对计算机的体系结构、组成及其核心技术进行系统的描述, 以使学生能学到较系统的先进硬件知识。因此, 首先, 应完善教学大纲, 加强教师之间的沟通, 注意课程之间的相互衔接, 注意知识点的重叠和互补, 以保证教学知识的系统性和完备性。其次, 要加强计算机软硬件教学之间的沟通, 对软硬件课程的教学内容进行适当的穿插。
以汇编语言 、计算机组成原理 、 接口技术 这三门硬件基础课程为例, 从 汇编语言 到 计算机组成原理 , 再到 接口技术 , 逐步地揭示了计算机硬件系统的基本工作过程。如果能从整体上把握教学, 就可以让学生了解硬件系统的完整工作原理, 在基础层面上彻底了解硬件系统。对于这几门课程, 目前常见的整合方式有:1)把汇编语言和 计算机组成原理结合, 侧重于计算机硬件的五大部件、寻址方式和指令系统。这样有利于把 计算机组成原理 中介绍的一般性的知识和具体的微机系统联系起来, 给学生打下牢固的理论基础。2)把汇编语言 和 接口技术 结合,侧重于硬件编程能力的培养。这样有利于学生透彻地了解目前普遍使用的微机系统, 并具备扎实的硬件编程基本功,有利于单片机和嵌入式相关课程的学习。3)将上述三门课程全部联系起来, 将计算机硬件的基础知识全部融合在一起, 提供给学生完善的知识体系。
4.多方位创造实验环境, 对学生的硬件动手能力进行全面、系统的训练
计算机应用是一门实践性很强的学科, 学生必须具备足够的动手实践能力才能满足社会要求。计算机专业本科阶段的实践教学对学生理论学习、实践能力、创新能力的培养起到了重要作用。但硬件实践设备耗资大、专用性强, 部分学校不愿在设备上多投资, 致使学生的硬件实践场所缺乏。为此, 我们一方面向学校申请增加设备投资, 另一方面鼓励教师自主开发实验设施, 尽可能建设一些与本校教学特点和教学条件相匹配的实验条件。在学校和教师的共同努力下, 截至2006 年, 已为所有硬件课程配齐了实验环境,构建了硬件实验中心, 不仅更新了 计算机组成原理 、 接口技术 、 计算机网络 等课程的实验设备, 还新建了计算机控制、数据采集、嵌入式系统和硬件综合实践实验室, 其中计算机硬件综合实践所用设备主要由指导教师自行开发设计。学生在这些实验环境中能够得到全面、系统的工程实践训练, 大大提高硬件动手能力。
5.建立验证型※设计型※综合型※探索型 的多层次实践教学模式, 培养学生的创新能力
要培养学生的创新能力, 仅靠课程设计和毕业设计是不够的。课程设计的数量毕竟很少, 而在最后的毕业设计中学生可能会不选择硬件类题目, 即使选择了硬件类题目,也很难在短期内培养出扎实深厚的硬件设计功底, 所以必须把培养过程贯穿在所有硬件课程之中。
在实验教学内容的改革上, 本着 加强基础、拓宽专业、注重实践、提高素质的方针, 将实验项目分为四类, 即验证型、设计型、综合型和探索型, 实验项目由浅入深, 循序渐进。在所有硬件必修和选修课程中, 全部开设课内实验。课内实验由验证实验(20 %)、设计实验(80%)组成。所有实践课程都单独开设实验, 包括综合实验(80%)、探索实验(20%)。这样, 课内课程中开设 验证型 和设计型 的实验, 在后续课程设计中, 开设 综合型 和 探索型 的实验,形成验证型※设计型※综合型※探索型 的多层次实践教学模式, 系统强化学生的综合设计和硬件动手能力。
在验证型实验中, 注重使学生巩固基本理论, 进一步掌握基本概念和基本技能。在设计型的实验中, 注重培养学生的创新意识、设计能力和动手实践能力。在这一类实验中, 以学生动手为主, 教师辅导为辅, 只给定实验的课题及要达到的目的, 中间过程需要学生自己去查阅资料和设计方案, 直至最后调试完成。在综合型实验中, 注重培养学生综合运用所学知识的能力, 使学生受到更为实际、更加全面的科学研究的训练。综合实验的特点是没有现成的模式可循,学生需要独立完成硬、软件设计和调试。在调试过程中, 学生自己动手分析解决实验中出现的问题, 虽然有一定的难度和深度, 但对学生很有吸引力, 能使学生从应付实验变为主动实验, 不仅提高了基本操作技能, 也发挥了学生的主观能动性和创造性。课程设计的部分内容属于探索型实验, 学生可以自主选择感兴趣的课题及相关开发工具, 写出设计书, 交给指导教师审核后实施。在这一过程中, 学生需要查阅大量的资料, 培养了自学能力、研究设计能力、独立分析问题及解决问题的能力和创新能力。
高校计算机专业学生的 重软轻硬 的倾向, 对我国计算机行业的整体、全面、均衡发展无疑是有害的。纠正这种倾向, 培养知识体系完整、能力全面的人才无疑是迫在眉睫的教学目标和教学任务。但完善计算机硬件课程的教学体系、提高学生综合能力是一项系统工程, 需要长期、大量的实践才能逐步达到目标。