高校计算机硬件基础课程教学探索

２０１４年１０月　教育教学论坛　Ｏｃｔ．２Ｏ１　４　第４２期　ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ　ＴＥＡＣＨＩＮＧ　ＦＯＲＵＭ　ＮＯ．４２　高校计算机硬件基础课程教学探索　宋大虎，王忠，黄百钢　（第二炮兵工程大学理学院计算机教研室，陕西西安７１００２５）　摘要：在计算机硬件技术基础课程中开展了“口袋实验室”的探索。为学生提供软硬件资源，在课后进行自　主学习与创新，提高了教学效果。　关键词：软件基础；教学探索；高校计算机　中图分类号：Ｇ６４２．０　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７４—９３２４（２０１４）４２—０１６５—０３　一、引言　在重视软件忽视硬件的现象。产生这种倾向的原因是　随着信息技术的发展，计算机硬件基础课程已经　多方面的：一方面是硬件课程掌握起来花费的时间　成为了理工科专业学生的必修课程，它的综合性和实　多，个别学生存在急功近利的错误认识等；另一个重　践性强，是后续专业课程学习的基础。该课程是硬件　要的方面是硬件系列课程的教学改革力度不够，使得　和软件相结合的一门课程，在硬件设计方面，达到能　目前的教学方法无法与飞速发展的计算机技术接轨，　设计接口电路的水平；在软件开发方面，培养学生使　无法满足学生获取新知识的需求。　用汇编语言或者ｃ语言进行程序设计的能力，达到能　（二）在教学内容方面　编写接口程序和设备驱动程序的水平。通过该课程的　计算机硬件基础课程基本上都是以微机或者单　学习，使学生掌握计算机的基本组成结构和工作原　片机为蓝本来学习计算机原理，教材内容覆盖面大。　理，更重要的是使学生掌握硬件电路设计与应用开发　课程往往是以８０８６／８０８８、８０３８６或是８０４８６微机的结构　能力，培养学生运用理论知识解决实际问题，因此课　为主线，首先讲不同类型微机的硬件结构以及对应的　程的实践性非常强。　指令系统，然后是基于该系统的汇编语言程序设计，　二、计算机硬件基础课程教学中存在的问题　最后是各种接口芯片的结构及应用。但是由于理论学　由于该课程教学内容比较抽象，知识点多；学生　时有限，在教学过程中只能够选择一种微型机芯片或　普遍反应不好学，学习起来缺乏兴趣，这样就更加大　者是某种型号的单片机进行教学，为了适应微型计算　了该课程在教学上的难度。主要体现在以下几个方　机系统的飞速发展，必须改革教学内容，既要强化基　面：　础知识，又要加强对学生应用能力的培养；既要把典　（一）在教学方法方面　型的微型计算机原理和架构传授给学生，又要把计算　传统的教学方法基本以教师讲授为主，学生大多　机技术发展的最新水平和状况介绍清楚，使学生能够　只是被动地接受。由于课程涉及的概念多、专有名词　举一反三、触类旁通，通过学习一种典型的芯片达到　多、接口芯片多，理论基础复杂，往往使初学的学生感　对同类芯片的普遍认知，从而具备独立自主的学习能　觉入门较难。计算机的接口设备之间通常使用汇编语　力。其次，随着信息技术的高速发展，微型计算机更新　言编程，而该语言属于低级语言，编程复杂，比Ｃ语言　换代频繁、新产品和新技术不断涌现，硬件基础教学　等高级语言更难掌握，单纯理论讲授使学生难以理　中的基础性和先进性、前沿性的矛盾比较突出。当今　解，会使学生觉得枯燥无味，失去学习的兴趣。由于该　的微型计算机已经从原来的３２位全面进人６４位。而现　课程的逻辑性和完整性强，计算机的内部结构是指令　在的教学中还是以１６位微机为基础的。因此，该课程　系统的基础，不同的ＣＰＵ采用的指令各不相同，而指　内容显得繁杂难学，跟不上时代。　令系统又是汇编语言程序设计的基础，指令掌握不　教学内容的改革主要思想是要增加对现代微型　好，就会给编程带来困难，各部分知识衔接紧密，一环　计算机系统的介绍。在常规教学内容的基础上，增加　扣一环，因此，学生必须全面地掌握各个知识点，否则　现代微机系统中的新技术、新应用和新方法，￣ＨＵＳＢ总　将会严重地影响学习效果。该课程还有一个特点就是　线技术、高速缓存Ｃａｃｈｅ技术、多核技术、高性能计算　硬件电路图多，接口芯片应用举例多，包括各种芯片　机、计算机体系结构等知识的介绍，以３２位微机的典　的内部结构图、时序图、硬件电路图等，接口芯片的应　型代表８０４８６和Ｐｅｎｔｉｕｍ作为基础教学内容，选用教材　用不仅仅要设计硬件电路，而且要编写应用程序，画　也应该反应这种变革，同时兼顾６４位微机的介绍。这　出程序流程图等。　样既开阔了学生的视野，让学生能更深入地理解软、　由于硬件学习的难度较大，因此在学生中普遍存　硬件结合设计系统的方法，又能增强学生将来就业的　一１６５—　２Ｏ１４年１０月　第４２期　教育教学论坛　ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ　ＴＥＡＣＨＩＮＧ　ＦＯＲＵＭ　Ｏｃｔ．２０１　４　ＮＯ．４２　竞争性。　（三）在实践教学方面　由于计算机硬件基础课程是一门实践性非常强　的课程，只有通过实践才能真正地理解其中的知识　点，使学生不仅知其然，而且知其所以然。当今社会提　倡创新能力的培养，学生如果不通过动手实践，只是　死记硬背书上的理论，无法达到教学的目的。但是，由　于实践教学中存在的实验设备不足、方法单一，实验　内容不能达到学生能力培养的目的，再加上知识点　多。学生的学习时间有限，忽视对实验结果的深入分　析和理解，导致部分对实践教学内容失去兴趣，往往　难以把实验的内容应用在后续的学习和工作中。因　学学生则获得了Ｘｉｌｉｎｘ公司捐赠的Ｓｐａｒｔａｎ　３开发板。　浙江大学的学生以分组的模式开展，每个小组使用一　块开发板。为使学生真正掌握所学内容，不设实验室　实验，学生分组后发给实验板和软件，课下自行安排，　不设统一的作业，由分组学生自行讨论后制定设计课　题，以发挥学生的创造性和积极性。不设笔试性考核，　进行全部学生参加的各组自选课题大作业演示和答　辩，期末的答辩和演示成为教和学的最好检查。国内　其他一些高校也开始了口袋实验室的创新尝试，使用　的开发板大多以Ｘｉｌｉｎｘ，Ａｌｔｅｒａ公司的ＦＰＧＡ板卡为主。　借鉴其他高校的成功经验，我们在计算机硬件基　础课程的教学过程中开展了“口袋实验室”的创新研　此，当前的实践教学无法培养学生必要的设计、创新　究，按照方案制定、授课实践、形成结果、总结推广的　能力，无法使学生感受到所学知识的应用价值，有必　步骤实施。其中，方案的制定需要决定硬件开发板的　要在这一基础上进行能力培养的扩展。以为国家培养　选型和配套开发软件，由于ＦＰＧＡ芯片具有静态可重　合格人才为目标，重视实践教学的作用，改进教学内　复编程以及动态系统重构的特性，可以像软件一样通　容，把实践教学放到和理论教学同等重要的地位。　过编程来修改硬件的功能。学生可以通过硬件描述语　现在的硬件基础实验多为验证性实验，缺乏综合　言完成各种数字电路到高性￣，ＣＰＵ的设计。使用ＦＰＧＡ　性实验和设计性实验。学生往往是照抄书上的程序，　还可以缩短设计时间，特别是当电路有少量改动时，　然后在实验设备上运行来观察运行结果，没有充分发　ＦＰＧＡ的优势更加突出，因此，采用ＦＰＧＡ芯片进行口袋　挥学生的创新思维能力，更无法提高学生自主学习获　实验室的选型优势较为明显。与开发板配套的软件资　取知识的能力，因此教学效果不理想。目前大，多数高　源丰富，并且要提供丰富的实例以供学习分析。除了　校计算机硬件基础课程都是采用某种类型芯片的实　给学生提供硬件开发板和配套的软件以外，编写基于　验箱进行，而这些实验箱提供的实验内容为固定模块　ＦＰＧＡ的硬件实验参考教材供学生学习参考。开发板　化的组织形式，学生只需要连接较少的导线，输入现　的管理采取学生分组借用的方式，建立损坏赔偿机　成的程序就可以完成实验，由于实验内容和方法的局　制，促使学生养成认真细致的工作作风。学生可以选　限性，学生处于被动接受的地位，从而使学生无法发　择在宿舍、机房、实验室等场合进行实验。　挥主动性和创造性。　在实验内容的设计上分为三个类型，验证性实　三、基于“口袋实验室”的实践教学新模式　验、设计性实验和综合性实验。紧贴硬件基础课程的　以往学生做硬件类实验都必须在硬件基础实验　理论教学过程，要求学生完成存储器设计实验，　中　室里进行，用到的实验器材包括面包板、电源、万用　断实验、输入输出接口实验、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ实验等基本理　表、示波器等，但是由于实验仪器陈旧、老化，实验内　论实验。并且及时更新实验内容，循序渐进地培养学　容落后于技术的不断发展。而且由于学生人数远远多　生的实际动手能力，为学生开展自主创新活动提供条　于实验设备数，往往是几个学生一组做一个实验。甚　件。为此，可以将多个独立的验证性实验内容组合成　至有时候由老师将实验过程和结果向学生展示，而学　一个综合实验的方式来实现，如将５２５５并行芯片、　生得不到充分的应用实验设备的机会。随着新技术的　８２５４定时器及８２５９的中断实验，综合成一个由中断及　发展，目前的小型硬件开发板已经可以通过ＵＳＢ接口　定时器控制的彩灯循环显示电路的综合设计性实验，　连接到电脑上，再配合图形界面的闪存编程器和调试　培养学生的系统设计能力和独立工作能力。还可以利　工具等就能完成硬件基础实验，让学生的实验不再局　用当前应用广泛的ＰＣＩ、ＵＳＢ线以及Ｗｉｎｄｏｗｓ驱动程序　限于在传统的实验室进行。　编写等内容，要求学生分组进行设计课题的制作，设　国内一些高校已经开始推行“口袋实验室”的教　计课题由学生自选题目，该题目可以与每年进行的全　学创新，口袋实验室是将名片大小的实验板卡发到每　国大学生电子设计大赛项结合，以发挥学生的创造性　个学生的手上，装在口袋里可以随身携带，随时操作，　和积极性。对于综合性和创新性实验，学生需要撰写　在完成各种基本实验的基础上，激发学生的兴趣，发　实验报告，总结个人实验的结果和体会，通过实验报　挥学生的独创精神。清华大学、华中科大、浙江大学等　告的撰写可以培养学生对科技活动的总结能力，科技　国内名牌高校已经开始大力推行口袋实验室的实践　论文的写作能力。并且采取课堂汇报的方式，由学生　和创新，其他高校也紧随其后。比如，华中科技大学电　讲解、演示，教师提问的方式进行考核。学生通过课题　信系的１５０名学生每人拿到了德州仪器（ＴＩ公司）捐赠　设计熟悉用语言实现数字系统的多种方法，学会工程　的一块能揣进口袋，仅有名片大小的ＬａｕｎｃｈＰａｄ开发　调试的基本思想，理解数字系统设计的整体概念，体　板，学生可以在寝室、图书馆等地轻松做实验。清华大　会团队合作的重要性。使学生具有了一定的软硬件开　（下转１５９页）　－１６６－　２０１４年１０月　教育教学论坛　ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ　ＴＥＡＣＨＩＮＧ　ＦＯＲＵＭ　Ｏｃｔ．２０１　４　ＮＯ．４２　第４２期　实验学校、越秀启智学校、广州市聋校、中山特殊教育　学校、深圳元平特殊教育学校达成合作，建立教学实　习基地事项。为本专业学生搭建了很好的教学实践与　就业平台。　三、多元化实践教学的成效与经验　１．积累了与特殊人群接触的经验，培养了对待特　殊人士的专业情感。通过多元化实践活动的开展，使　学生提升了对自身专业的认识，增强了社会服务观　念；更坚定了从事特殊教育的决心，肯定专业价值，更　向实践，“一调查三实习”正是这一“双实践”教学特色　的体现。一调查是指本专业的学生在大一的寒暑假期　间要做一次社会调查，并写出调查报告。本专业的实　习分为专题实习、中期实习和毕业实习，简称“三实　习”。　４．建立了相应实践教学的评估体系，评估学生在　多元实践教学活动中的成长与收获。在各项实践教学　活动的开展过程中，为了监督学生参与实践活动的情　况，评估学生参与实践活动的效果，组织编写了实践　教学活动指导手册，完善对教学实践活动的规范管理　和对学生参与状况的全面评价。　５．推动了实践基地和重点实验室的建设。在“儿童　热爱自己的专业；彰显了特殊教育的奉献精神；更关　爱特殊人群。　２．提升了学生专业技能。通过社会实践，不仅深化　了学生对于儿童动作发展、运动功能评定、运动治疗　心智、体能促进中心”的运作的基础上成功申报了广　与康复等本专业课程理论知识的掌握，而且促进了学　东省高校大学生实践教学基地和省级重点学科建设　生技能和能力的培养，为特殊体育教学的实践积累了　项目“残疾人运动与健康促进实验室（中心）”，拟将其　丰富的经验，实现了专业人才培养的要求。　建成残疾人生理机能与运动功能评定研究平台、残疾　３．完善了对人才培养方案中关于实践教学环节的　人运动技能分析研究平台、残疾人体育康复研究平　修订。通过对实践教学活动的总结，不断修订广州体　台、残疾人运动心理研究平台。强化科研对实践教学　育学院特殊教育专业现有人才培养方案中的实践教　的指导意义，使其在人才培养中发挥更大的作用。　学环节规定，合理设置实践性课程及教学，使实践教　６．积累专业人才培养中实践教学的素材以便可持　学内容、时数要求、质量评估等方面的要求科学化、规　续性指导各届学生的教学。注重实践教学活动的总结　范化，真正满足高质量人才培养的需要。具体表现在：　工作，可使宝贵经验得以传承。总结编写了《水中运动　课程方案突出实践课、实验课教学环节。在本专　疗法实用指导手册》，制作水中运动教学光盘，并将建　业所开设的６０１＇１公共基础课、专业基础课、专业主干　立适应性水中运动指导网站。所有这些成果来源于实　课和限选课中，有实践或实验教学环节的课达４２１＇１，　践，也将持续性地应用于对人才培养的实践教学活动　占所开课程总数的７０％。同时在限选课中设置３个模　中。　块，即特殊教育方向、康复方向和体育教育方向，这３　参考文献：　个模块强调实践技能的提高，每门课都安排了实践或　ＢＩ］张英彦．论实践教学的理论基础　教育科学，２００６，（０８）：　实验教学环节。　３４－３６．　课堂教学与课外延伸教学相结合。在专业课教学　［２】刘明贵．实践教学在应用型本科高校人才培养中的地位和　中，除系统、科学、全面完成课堂教学内容外，我们还　作用Ｕ】．高等农业教育，２０１０，（０２）．　有意识地把教学活动延伸到课外，如脑瘫游泳康复训　［３］苑迅，郭辉，秦昌明．地方高校应用型人才培养与实践教学　练、自闭症运动康复等课外教学活动的实施，有效地　体系构建的探索与实践［Ｉ１．实验技术与管理，２０１１，（０８）：１—４．　提升了学生的综合应用能力，增强了学生的实践操作　技能。　作者简介：侯晓晖（１９７１一），女，湖北宜昌人，教　坚持“一调查三实习”的专业实践与社会实践相　授，博士，研究方向：适应体育。　结合的教学特色。本专业教学一贯坚持面向社会、面　（上接１６６页）　发能力，还可以让学生了解当前计算机应用领域的先　硬件基础课程重理论、轻实践的弊端，改善硬件类课　进技术，接受新的设计思想和方法，培养学生自主创　程实验设备不足、教学力量薄弱的瓶颈，增强学生的　新能力，可以更好地适应今后的工作和学习，达到良　动手能力。　好的实验效果。　参考文献：　四、结束语　…刘多文．关于计算机硬件实验教学改革的思考Ｕ］．电脑知识　计算机硬件基础课程是一门理论性和实践性都　与技术，２０１０，（１９）．　很强的课程。随着计算机技术的不断发展，课程的内　ｆ２】熬志光诽计算机专业“计算机硬件技术基础”课程教学研　容也产生了很多新的元素，这就要求改进传统的实践　究【ｌ１．计算机教育，２００９，（１０）．　教学模式以适应素质教育和鼓励创新能力培养的要　ｆ３１黄雷，南建国．“计算机硬件技术基础”实践教学改革探讨　求。基于口袋实验室的计算机硬件课程教学模式可以　［Ｉ１．军队院校计算机基础教学探索研究，２０１０．　在学时数有限的约束条件下，为达到较好的教学效果　作者简介：宋大虎（１９７７一），男，陕西乾县人，博　提供支持，体现学生自主学习的新思路。解决计算机　士，讲师，研究方向：图形图像处理。　一１５９—