加强计算机硬件课程体系建设与教学质量提升的研究

雷向东,雷振阳,袁晓莉,黄东军

摘要：本文分析了现行计算机硬件课程教学存在的问题，对计算机硬件课程体系建设，教学方法，教学质量提升，学生创新能力培养，虚拟化实验和教师队伍建设进行了探讨。

关键词：课程体系建设；计算机硬件；教学质量

中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）09-00××-××

在当前高校计算机专业本科生中普遍存在这样的问题：对计算机硬件课程的学习不感兴趣；认为有些计算机硬件课程很抽象，不知道怎样才能学好；与已经从事计算机技术开发的毕业的同学交流后，认为学校对计算机硬件课程的设置不合理，对将来从事计算机技术开发帮助不大，而对将来从事计算机技术开发帮助很大的计算机专业课程学校反而不重视，教学时间太短，没有深入地教学；④教学方式缺乏对本科学生发现问题、分析问题、解决问题的能力的培养。学生对计算机硬件课程的学习积极性不高，学习效果差。高校的计算机专业学生中重视软件课程的学习，而轻视硬件课程的学习，其结果是许多学生的硬件能力比较差，不能胜任计算机硬件方面的技术设计。因此，对于如何设置计算机专业硬件课程，已成为我们要重点关注的一个问题。计算机科学与技术学科除了具有较强的科学性外，还具有较强的工程性，因此，它是一门科学性与工程性并重的学科。如何合理地调整计算机硬件课程设置，为计算机专业学生将来从事计算机硬件方面的相关技术设计奠定具有发展潜力的基础，是摆在计算机专业老师面前的一个重要问题。计算机专业学生在进行工程设计，计算机硬件技术开发时，普遍感到所掌握的计算机理论知识与实际工作能力存在不足。主要体现在没有实际工作经验；缺乏项目的开发能力；缺乏团队协作精神；缺乏与同事沟通方法。如何在计算机本科生教育阶段培养和提高学生的素质与能力，是老师重点关注的问题。

在传统教学模式中，教师就是向学生传播知识。而在现代教学模式中，教师不仅向学生传播知识，更重要的是培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。为培养21世纪计算机硬件高技术人才就必须加强学生计算机硬件创新能力的培养，不断完善计算机硬件课程教学改革专业课程体系建设。

为此，本文针对当前计算机专业硬件课程设置存在的问题，根据计算机专业各研究方向对计算机硬件课程建设，构成完整的计算机硬件课程体系建设，对本科生教学方式教学改革，培养本科生发现问题、分析问题、解决问题的能力，激发学生的学习热情，培养创新素质进行研究。

一、计算机硬件课程体系建设

（一）充分认识计计算机硬件课程建设的重要性

计算机硬件及应用技术已是IT领域不可缺少的支柱技术，已经广泛渗透到移动通讯、消费电子、无线网络、工业控制和军事国防等各行各业，无时无处不在影响每个现代人的生活。能够综合应用软件和硬件，系统研发的工程师成为计算机行业最为紧俏的人才，其培养也越来越受到高校、企业、研究机构与培训中心的重视。

（二）计算机硬件课程体系建立

ACM和IEEE-CS共同推出了Computing Curricula 2001，系统地列出在计算机专业学生应该掌握的课程，我们以此为蓝本，并根据我院在计算机硬件研究领域和研究方向，建立计算机硬件课程体系中的主干课程：《计算机原理与汇编语言程序设计》，讲授计算机组织和工作原理，以及汇编语言程序设计；《微型计算机原理及接口技术》，讲授微型计算机的基本知识、基本组成、体系结构和工作模式；《计算机控制》，讲授计算机控制的理论知识和设计技术；《单片机与嵌入式系统》，讲授单片机工作原理和编程方法、嵌入式系统基本概念和设计技术移植；《计算机系统结构》，讲授计算机体系结构的基本思想、基本概念、设计原理、设计方法与评价分析方法。由这5门课程构成计算机专业硬件课程体系。

当今计算机硬件和软件技术飞速发展，计算机专业基础课程体系教学在成熟和稳定的同时，要不断加入新的内容和新的技术。为此，必须对主干课程设计其课程的主线，并沿主线更新教学内容、突出新技术。

二、改进教学方法，提高学生的创新能力

人类具有学习的自然倾向或学习的内在潜能，学习是学习者内在潜能的发挥。所以教学的任务是为学习者创设的一种有利于学生学习潜能发挥的情境。教师不应该采用权威式的教学方式，不应采用强制式的指导教学。教学活动是教师和学生共同活动的过程，教师在教学过程中发挥着设计，主持，调整教学过程的主导作用，调动学生的主动性和积极性。学生是教学过程中认识活动的主体。在教学过程中应体现学生的主体地位，发挥着教师的主导作用。

教学内容是课程教学的核心。由于计算机学技术飞速发展，必须把最新、最前沿计算机硬件技术充实到教学内容中，把计算机硬件技术研究的方向与培养学生的创新能力结合起来，并安排到教学计划中，使计算机硬件课程的教学内容不断适应计算机技术发展，使培养出的大学生适应社会发展的需要。

计算机硬件和计算机软件不是相互独立的，而是相辅相成的。因此要加强计算机软硬件教学之间的相互联系。例如在《微型计算机原理及接口技术》和《单片机与嵌入式系统》的课程中，加入利用高级语言对硬件进行编程的实例。在《计算机原理与汇编语言程序设计》和《计算机系统结构》的课程中，与《操作系统》课程中I/O管理、内存管理、CPU调度等知识建立关联，使学生计算机系统（软件、硬件）基本知识融会贯通。在《微型计算机原理及接口技术》课程中，加入利用高级语言对硬件进行编程的实例，既可激发学生的兴趣，又可提高学生对硬件的编程能力。随着计算机硬件软件技术的高速发展和总线技标准的推陈出新，计算机接口技术也有了很大发展。在《微型计算机原理及接口技术》的课程教学中应该与时俱进，跟上接口技术的发展，使其兼具先进性和实用性。因此，在《微型计算机原理及接口技术》的课程中应该增加最新的高级接口技术，如USB接口，红外线接口，蓝牙接口。这些“高级接口”软件设计基于Windows操作系统设计和方法，包括控件方式、API方式、直接I/O方式、Socket方式等。接口硬件多是采用专业公司提供的现成的通用或专用大规模集成电路接口芯片，并不需要用户从低层开始设计。在讲课时，对于这些“高级接口”改变了对传统计算机接口技术把重点放在接口硬件设计的惯例，而着重于接口软件的设计、接口协议的编程实现。

计算机硬件课程在有些知识点和内容上相互重叠、相互补充。因此，教学过程中要特别关注知识点和内容上教学顺序和和互补性，以保证教学知识和内容的系统性和完备性。

三、虚拟化计算机硬件课程实验

采用虚拟化方式来完成计算机硬件课程实践，一方面能够克服以往计算机硬件课程实践平台的缺陷与不足，另一方面教师可以根据学生的能力和水平，设计具有不同层次，不同难度的教学实验，以及综合课程设计，为老师和学生提供一个跨越空间和时间的实验平台，从而实现对实验教学环节的改革，提高学生创新能力。相对于传统的硬件实验平台，虚拟实验平台具有以下优势：①为学生提供一个创新性实验平台。比如在《计算机组成原理》虚拟实验室中，学生就可以进行CPU的组装实验，而这个实验在传统的硬件实验平台中，由于元器件的限制以及辅组支持的不足而无法开展。②为学生提供一个相关课程中算法的实践平台。在基于构件化的虚拟实验室系统中，学生只需实现核心算法的构件即可进行试验，其他的诸如输入输出等辅组构件将由系统提供。③为学生提供课外自选实验平台。学生可以随时随地通过Internet访问虚拟实验室系统来进行试验，而不必受到场地或者时间的约束。④为教师教学提供一个辅助平台，教师在授课过程中，可以通过Internet访问虚拟实验室系统进行相关实验，从而可以极大的丰富课堂教学，提高授课效果。⑤为学校节约实验经费的投入。虚拟实验室系统将硬件实验软件化，学生可以方便、大胆的进行各种尝试，而不必担心硬件的损耗带来的实验经费增长，同时虚拟实验室也可以大大降低实验场地的投入，缓解目前学校教学资源不足的矛盾。

计算机硬件课程虚拟化实践能够极大地提高计算机硬件课程实践的教学水平，特别是激发了学生对计算机硬件实践的热情。我们在教学实践中发现学生在实践中往往有创新的设计。所以，计算机硬件课程虚拟化实践提高了学生硬件设计能力和创新能力。计算机硬件课程虚拟化实践在计算机硬件课程实践的教学工作中可起到重要的作用。我院开发了《计算机原理》课程虚拟实验系统，在近几年的实践中学生普遍反映良好，达到预期目的，并在进一步完善中，将来打算推广到其他计算机硬件课程。

四、教师队伍的建设与教学质量提升

知识渊博，学术水平高、教学态度端正、责任心强的教师能极大地提高教学质量。因此，我们必须建立学术水平高、知识渊博，责任心强的从事计算机硬件课程教学的骨干教师队伍。在授课过程中适时采用科研中的案例，结合工程经验讲解原理，使学生在上课的过程中增加了知识，又掌握了实践经验，激发学生学习的兴趣，调动学生积极性，学生在实践中掌握好理论。授课的老师必须与其研究方向相关。例如安排讲授《现代计算机接口技术》的教师应在计算机接口技术研究方面有显著成就，安排讲授《嵌入式系统原理及应用》的教师应在高性能嵌入式系统有丰富的研究和工程经验。这些教师都应主持了重大的相关领域的科研项目，有科研产品和发明专利。大学生在学校就有了从事科研项目的经验，为找到好的公司，好的职业位打下良好的基础，也深受公司欢迎。以高水平的科研促教学，教学与科研互为依托，协调发展，确保了教学团队的学术水平不断提升。

保证计算机硬件任课教师相对稳定，并培养计算机硬件任课后备师资队伍。

五、结语

为了培养出计算机硬件技术高素质人才，中南大学信息科学与工程学院近年来加强了计算机硬件课程建设，取得一定的成效。主要完成覆盖计算机硬件课程建设，构成完整的计算机硬件课程体系建设，对计算机硬件教学方式教学改革，培养大学学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，激发学生的学习热情，培养创新素质。

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