计算机硬件课程教学中的问题分析与改革

傅 篱

摘要:本文对普通本科院校计算机专业硬件类课程教学中存在的问题进行深入分析,针对如何提高计算机硬件课程教学的质量、解决硬件课程教学中所存在的问题,进行了积极的探索。

关键词:计算机硬件;课程教学;兴趣;实践

中图分类号:G642 文献标识码:B

一个完整的计算机系统是由硬件和软件组成的。因此,计算机硬件知识的教与学对于高校计算机专业的重要性是不言而喻的。但是在目前普通本科院校,计算机专业学生中普遍存在着软件类课程的学习的兴趣大于硬件类课程的学习,也就是我们常说的“重软轻硬”。

在这种现象的下面,必然隐藏着硬件课程教学中的一些问题,如何准确的找到这些问题,分析其存在的根源,进而在硬件课程教学中解决这些问题,笔者进行了初步的探索和实践,同时在教学活动中取得了不错的效果,得到学生的好评。本文针对计算机硬件课程教学过程中存在的问题,进行深入分析。

1存在问题及分析

目前,大学计算机专业开设的计算机硬件类课程主要有基础课程中的“数字电子技术”、“模拟电子技术”,专业课程中的“汇编语言” 、“计算机组原理”、“微机原理与接口技术”,以及后面的“计算机体系结构”、“嵌入式系统”等课程。

这些课程虽然各有特点,各有侧重,但是又有密切的联系。在教与学中也存在一些共同的问题,影响计算机硬件类课程教学的效果和质量。通过多年的计算机硬件类课程的教学,我觉得问题主要存在于以下几个方面。

1.1学生的问题

硬件类的课程内容是和计算机应用产品的开发以及工厂生产实际密切相关的,从计算机系统的层次结构上看,计算机硬件开发是计算机系统最底层的开发。从电路图的设计到电路板的制作;从实际集成电路、电子元件的安装、焊接,到汇编语言监控程序的设计;都需要学生有较强的实际动手能力和汇编语言程序的设计开发能力。

现在我们高等学校的学生大多是从学校到学校应届毕业生,绝大多数学生没有任何社会生产的实际经验。加之目前我们的中学教育基本上是应试教育,学生的动手能力差,对工厂电子产品的生产过程没有任何了解,使得学生根本不适应硬件类课程的学习。更多的学生习惯于做题、解题,根据公式定理进行理论推导,这是目前高校理工类学生普遍存在的问题。

学生喜欢软件类课程学习、畏惧硬件类课程学习的第二个原因是感到软件类课程学习更有趣。通过计算机软件类课程学习后,大多数学生往往能实现一个简单的应用软件开发,这样学生很容易产生成就感,也就有进一步学习的动力。而且,软件类课程学习的学习方法和中学的数学和物理的学习方法相对接近,比如算法的学习,数据结构的学习。对于实验条件要求相对简单,只要有一台个人计算机就可以学习编程,进行大部分的软件类课程实验和学习。

其实硬件类的课程学习和软件类课程学习相比较,也有它的特点和吸引学生的地方,关键在于我们如何引导学生。比如我们平时生活中的家用电器、汽车、霓虹彩灯、音乐喷泉、有很多的地方都采取了计算机控制。可以这么讲,只要稍微复杂一点的电子产品都采用了计算机控制,都要涉及计算机硬件知识。但是这些,我们的学生往往不能认识和感受到。加上学生们一般是不可能拥有硬件实验设备,学校的相关资源也有限。所以,本来看得见、摸得着的十分有趣的硬件设计,在学生眼里变成了抽象、空洞的理论上的“说教”。几门硬件课程学习下来,不仅没有学到相应的硬件知识,反而对计算机硬件产生了畏惧心理。

也就是说,学生要设计一个计算机硬件产品的困难远远大于设计出一个软件产品。不管是从学校的客观条件,还是学生对硬件知识的掌握。而硬件知识的真正掌握又必须通过一个个硬件类产品设计才能较为完整理解。

1.2教师的问题

目前,地方普通高等学校的一线教师,大多是学校毕业的硕士研究生。有些教师有过课题科研的经验,但大多数教师缺乏一个计算机应用产品开发、生产过程的实践,尤其是硬件产品的开发经验。这样,他们对计算机硬件知识的了解,也就远远不及对软件知识的了解。一些做过课题或者有科研项目经验的教师由于种种原因很少在本科教学的第一线,即便在第一线上课,由于也不太会愿意在本科教学活动中花费太多的时间。

我们前面所说的几门硬件类课程,分别在不同的学期进行开设。所以每门课程的教师在教学中,只会强调本课程的教学重点和难点,而不会顾及各门课程之间的联系。学生更加只是看到本课程中的内容,不太容易看到各课程之间的关系、以及如何在实际硬件产品开发中综合应用这些课程的知识,无法了解一个完整的计算机硬件系统的组成和结构和应用。

各门课程之间的有机联系不够,是学生无法驾驭整个硬件系统知识体系的一个重要原因,导致这种现象的原因和教师的能力不足是密切相关的。

1.3教材与实验的问题

计算机技术不断飞速发展,硬件技术也日新月异,当前计算机硬件教学的教材内容老化的现象比较严重,和新技术结合的不够密切。这种现象几乎存在于所有的计算机类教材,尤其以硬件教材更为明显。比如:《微机原理与接口技术》教材内容十多年没有大的变化;大多数《汇编语言》教材也一直是讲8086指令系统的程序设计。教材中当代的最新计算机技术内容一般都是用一章简单介绍。学生普遍感觉教材知识陈旧,没有兴奋点。

另外软件类课程的教材在结构上不断进行探索与改革,许多教材采用“案例教学法”、“任务驱动法”来编写教材。但是硬件类课程的教材编写方法上基本还是原来教学结构,很少出现新的编写方法。同时要设计一个计算机硬件类产品,需要涉及几乎所有的硬件课程内容,目前还没有一本这样的从总体上把握的教材出现,教材缺乏整体性。

计算机硬件教学中实验课也难以发挥应有的作用,由于课时和客观条件的限制,大多数硬件类的实验课程都是验证性实验,综合性和设计性实验很少。对于学生来说,验证性实验能够促使学生对某个基本教学内容的理解和掌握。但验证性实验的确难以让学生全面掌握计算机硬件知识,更谈不上用这些知识进行一个计算机硬件系统的设计。以“微机原理与接口技术”课程为例,我们一般的实验也就是对某个芯片做功能验证实验,但是如何把这块芯片根据需要用于某个计算机硬件产品中却无法做到,而这点对学生来讲却是十分重要的。

2提高硬件教学质量的探索

2.1激发学生兴趣

学生学习的最好刺激就是对所学知识的兴趣。但是怎样才能使学生产生主动和有意义的学习,使得学生“爱学”、“乐学”呢?

笔者每次在讲“微机原理与接口技术”课程第一堂课时,总是带三样东西:一张计算机硬件应用产品的电路图;一块根据这张电路图设计的印刷电路板,以及用这块电路板做好的电子产品实物。在课堂上告诉学生,我们通过“数字电子技术”、“微机原理与接口技术”等硬件课程的学习,就可以设计出一个电子产品的电路图,然后按照电路图我们可以设计出印刷电路板,接着把电子元件安装和焊接好,通过软件调试,一个按照自己设计的计算机硬件产品就完成了。这样学生的注意力一下就会被吸引住,同时激发出好奇心。

选这样的产品原则是要简单、有趣、可在课堂上演示。比如:“LED灯显示控制器”:通过不同的按键,LED灯的显示方式不断变化;“电机工作方式控制器”:通过不同的工作方式的改变,电机的转速、方向不断改变。看到这一个个实际的电子产品,学生的兴趣很快就激发起来。他们觉得复杂的计算机硬件产品其实离他们并不远。一旦他们产生兴趣,就会自觉地参与到课堂教学中来。这点笔者感受特别深。

2.2整体把握与知识点学习

在一门课程的学习过程中,我们的教学活动都是按照每个章节来进行的,这样学生在学习过程中主要注意力都在每个章节的知识点上,缺乏对整个课程的总体把握。比如“微机原理与接口技术”课程,在讲授“微处理器”一章时就介绍微处理器的引脚、内部寄存器等,讲授“存储器”一章时就介绍存储器的类型、内部结构、译码方式等……,做实验时也是就本章的知识点来做一个验证实验。这样学生就不知道如何把CPU、存储器、接口芯片,这些一个个的部件组成一个实际的计算机硬件系统,或者如何根据实际开发需要选用哪种型号的CPU?选用多大容量的存储器?采用什么样的接口接入键盘、显示器的输入输出设备等。

针对这种情况,笔者设计了一个基本的“微机应用系统”,由8086CPU、6116RAM、2764EPROM、8255接口芯片接入4*4的键盘、8位发光二极管组成。把它做成一个通电后能演示的计算机硬件产品。这个小的硬件系统其实就包括“微机原理与接口技术”主要内容:CPU、存储器、接口、输入、输出设备。

讲完每个章节,就结合这个“微机应用系统”讲这个部件在这个系统中的应用,这样把一个实际的计算机硬件系统贯穿于整个课程教学中。等到整个课程讲完,留出一、二次课把整个系统的设计原理和工作过程进行讲解,并且设问:如果不用8086CPU采用其他型号的CPU如何设计;如果不用6116RAM采用2114RAM应该如何设计;键盘改变、发光二极管采用16位如何设计……这些问题都在学生的能力范围,稍微经过努力就能做到。这样学生不仅是学习每章的知识,而且能够把每章的知识点结合成一个完整的计算机硬件系统。使得对整门课程有一个整体把握。

如果老师通过更换程序芯片使得整个系统的工作过程改变,发光二极管显示不同的变化。我们还可以让学生形象的知道“软件与硬件的关系”,“低级语言与高级语言的区别”等学生掌握起来较为困难的概念。通过一个“微机应用系统”,使得学生对不同课程之间的联系和相互关系得以充分理解,逐步培养学生驾驭整个计算机硬件系统知识的能力。

为了消除学生对硬件学习的畏惧心理,我以一块最新的PC机主板为例,告诉学生,PC机的主板也是一个“微机应用系统”,也是由CPU、存储器、输入、输出接口组成,只不过和我们设计的基本的“微机应用系统”相比,CPU性能更好、存储器容量更大、外设也更复杂。但是不管如何复杂都是由基本的微机技术组合而成,也不是高不可攀。这样学生通过先部件、后整体,部件和整体在整个课程教学中始终相结合的教学模式,比较完整全面了解计算机硬件系统的组成、结构、功能,消除了对计算机硬件设计的神秘感和畏惧感。

通过这种宏观和微观相结合教学模式,我感到学生对硬件学习的积极性和热情都极大提高,教学效果、实验的效果也明显提高。好的硬件产品实例能通过师生、生生之间双向和多向互动,促使学生的积极思考,拓宽学生的思路,提高教学效率。

2.3努力提高教师素质

教学质量的提高,教师是关键。梅贻琦先生所谓 “大学者,非大楼也,乃大师也”之言,告诉我们大学中教师的重要性。我们要培养一流的学生就必须有一流的教师。对计算机硬件课程教学而言,教师自己要教好学生,自己必须有计算机硬件产品的开发经验,要对整个硬件产品开发的全过程有一个基本了解,最好能有计算机硬件工厂、公司合作的工作经验,这样才能把一些空洞和抽象的理论变成一个个实实在在的计算机硬件产品。自己有了这些实践,才有教好学生的基础。

高等教育教学和基础教育教学的区别就是:高等教育教学必须和科研、产品开发相结合。一方面科研开发是高校教学的创新的基础;另一方面,高校教学及教学创新本身也是一种科研,而且必须成为科研。因此,一流的教师必然是一个有创新研究成果的科研人员。

3结束语

计算机硬件类课程教学是一个需要不断探索和实践的领域。如何完善计算机硬件课程教学体系、调动学生的学习积极性和主动性,使他们具有强烈的参与意识和求知欲望,提高学生的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,有些体制性的问题也需要全社会的共同努力。本文仅仅是根据自己平时在教学一线的心得体会进行的一定程度的探讨,致力于分析一些和硬件课程教学相关问题和提出解决这些问题的途径。同时把自己的一些教学经验,抛砖引玉,供大家参考。

参考文献:

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