计算机硬件课程改革方法分析——以计算机组成原理课程为例＊

伊犁师范大学网络安全与信息技术学院 林玲 许东耀

本文针对计算机硬件课程教学中存在的难教、难学问题，以计算机组成原理课程为例，提出对照新工科教育认证标准修改课程教学大纲，采用混合式的教学理念满足多层次需求，以项目驱动模式激发学生学习积极性的教学改革措施。

计算机专业开设软件和硬件课程，软件课程主要有C语言、数据结构、Python、Java、3D Max、数据库等程序设计类和应用软件类课程，其教学内容实用性强，有立竿见影之效果，因此，学生的学习积极性也较高；硬件课程主要有数字电路、汇编语言、计算机组成原理、微机原理与接口技术、单片机等，硬件课程教学内容抽象，学习难度较高，学生存在“欺软怕硬”的心里，学习积极性不高[1，2]。例如，计算机组成原理是计算机专业硬件核心课程之一，属于计算机专业硕士研究生入学考试科目。计算机组成原理课程内容涉及计算机内部工作机制，重点讲解运算器、控制器、存储器、输入输出系统及各部件之间的联系。由于计算机硬件的内部工作机制学生看不到摸不着，内容抽象，学习起来比较乏味枯燥。

在日益复杂的国际形势下，没有自主可控的硬件核心技术就没有信息安全。国家的发展需要软硬兼顾的系统级工程师，熟悉计算机底层的工作原理才能应对网络空间安全、国防安全等信息技术领域的复杂问题。因此，研究如何提高计算机专业教学效果，特别是硬件类课程的教学质量是计算机教育界关注的重点问题[3，4]。通过多年的计算机组成原理、微机原理与接口技术、汇编语言程序设计等硬件类课程教学经验与教学过程的思考，结合与学生的交流探讨、文献借鉴，从以下几个方面探讨计算机硬件课程教学中存在的问题和改进措施。

1 计算机专业硬件课程教学中存在的问题

1.1 学生对硬件课程重要性的认识不足

计算机专业开设的硬件课程主要有：《数字逻辑电路分析》《计算机组成原理》《微机原理与接口技术》《计算机系统结构》《嵌入式系统》等，这些课程中原理层面的内容较多、技术含量高，要求具有一定的实践性。而在实际教学中，由于资金、更新换代等原因实践教学环节比较薄弱，导致理论不能联系实际，学生在学习过程中经常感到抽象、繁琐、枯燥、无从下手，认为硬件课程只是了解计算机内部的工作原理，实际应用中作用不大，只要对硬件课程内容有所了解，考试能过即可。实际上，社会对计算机硬件人才的需求供不应求。例如，光刻机是制造处理器芯片的核心装备，虽然我国已掌握光刻机技术，能制造90nm制程的光刻机，但是与国外5nm工艺相比差距还很大，需要大力培养计算机硬件核心技术人才。

1.2 理论内容抽象，学生难以掌握

大部分的硬件课程理论内容抽象，利用传统单一的多媒体PPT教学模式很难让学生理解其硬件内部工作机制。如计算机的控制器由程序计器(PC)、指令寄存器（IR）、指令译码器、脉冲源及启停线路、时序信号形成部件组成。控制器的控制信号有脉冲信号和电平信号两种形式，而这两种控制信号是通过微程序控制、硬布线控制两种方式生成。两种控制信号生成方式的工作原理不同，芯片层面的概念、原理，看不到摸不着难以想象，仅凭单一模式的PPT讲解学生很难掌握。

1.3 硬件课程师资队伍紧缺

近些年随着招生规模的扩大，很多高校师生比超标，特别是西部边疆地区高校的师生比超出了国家规定的最低限。西部边疆地区的高校师资紧缺，缺乏系统性掌握计算机硬件课程的好老师。很多高校，多年讲授一两门硬件课程的教师较多，而全面、系统地讲授过多门硬件课程的教师较少。多轮次讲授一门硬件课程，能够使教师对该门课程的重难点把握更透彻，讲好这门课。但是，如果没有多门硬件课程的讲授经历，教师对前后导课程之间的衔接性、课程之间重叠内容的侧重点、计算机体系结构的整体性、系统性把握不够。教师对硬件课程之间的衔接关系、系统性把握不到位，就谈不上让学生系统地掌握计算机硬件知识。

1.4 实验模式单一，系统性不足

目前，大部分的高校开设的硬件课程实验主要以验证性的实验为主，例如在《计算机组成原理》这门课程主要包括运算器的组成、存储器实验、数据通道实验、微程序控制实验、CPU组成与指令周期等实验。在微机原理接口技术这门课中，学生主要完成并行接口8255A应用设计、串行接口8251应用设计、RAM扩充设计实验、定时器/计数器8253应用设计、ADC0832综合实验、ADC0809综合实验。大部门的计算机硬件实验课程主要以实验箱为主，在实验过程中，学生仅按实验教材给定的实验步骤，连接电路图，执行实验箱厂商提供的C或汇编语言现成程序，观察、记录、验证预期的实验结果，写出实验报告即可。这种单一的实验模式，无法锻炼和提高学生的实践能力，不能很好地将所学理论知识与实践相结合，学生完成实验后，收获不大，感觉无多大意义。硬件实验课程虽然有对应的实验教学大纲，但实验内容较简单，难度偏低。缺少设计性、扩展性、综合性实验，各章节之间的连贯性、系统性不足。

2 计算机专业硬件课程教学改革探索

2.1 对照国家工程教育认证指标修改课程教学大纲

计算机专业人才培养方案应符合教育部工科教育认证标准。工程教育认证是一种基于产出导向（Outcomesbased Education，OBE）的教育模式，其核心思想是培养出的毕业生应具备解决复杂工程问题的能力和素养[5-7]。为了提高人才培养质量，适应建设现代化强国步伐，围绕解决复杂工程问题，针对学生应用工程知识、解决分析问题的能力、应用现代化技术管理项目工程的技能、终身学习的态度等4个方面对人才培养方案、课程体系设置、师资队伍结构、教学方法等进行教育教学改革。同时，充分分析地域经济发展状况和行业结构，依据当地经济的发展和前进步伐，因地制宜地开设软、硬件课程教育，培养适应时代发展的专业人才，着重增加实践、操作、研发等领域的教育。例如：开设计算机组装与维护、局域网组网技术、DSP技术、单片机等硬件课程，通过计算机组装与维护课程的学习，使学生能够独立组装给定配置要求的PC机，能进行计算机软、硬件的安装、拆除、调试、升级，及常见的故障诊断和排除；在局域网组网技术课程中要求学生掌握，建立局域网的物理连接、建立局域网的工作环境、组建和管理基于工作组的局域网、组建和管理基于域的组网和管理方法、将局域网接入Internet、建立和管理代理服务器等。这些硬件课程的学习不仅提高了学生的学习兴趣，增强了实践操作能力，更是满足了当地社会经济发展对计算机专业人才的刚性需求。

2.2 引入课程思政提高学生对课程的学习兴趣

计算机技术是我国迈向现代化强国的主要技术之一。改革开放以来，我国虽然在5G、高铁、特高压、超高桥梁、光伏领域达到了国际领先水平，但也存在很多卡脖子技术受限于国外，如：光刻机、机器人、精密仪器、计算机操作系统等。在“枯燥”的硬件课程中，引入思政元素，结合国产CPU的发展历程和面临的技术、材料、工艺、EDA软件等多方面的境遇，培养学生的创新精神和团队精神，激发学生投身于国产IT生态自主可控事业的使命感。介绍我国计算机发展的艰辛历程、国际竞争环境和取得的成绩，激发学生的爱国情怀和责任担当，明确历史使命和责任担当。引导学生攀登科技高峰，努力学习专业知识，在实现现代化强国的道路上奋发图强，为国争光。

2.3 充分利用互联网平台，做好课前预习课后辅导总结

在国家的大力支持下“互联网+教育”时代涌现了大量国家级精品课程和形式多样的IT教育教学平台。充分利用国家提供的优质免费资源，注重课前预习、课后辅导总结是提高教学效果的有效途径。课前让学生看慕课、微课，自主学习相关仿真软件，课后督促学生在指定的平台上提交作业、完成实验任务。鼓励学生充分利用中国慕课大学、头哥实践教学平台、超星尔雅平台课程、233网校资源对专业知识进一步深化和拓展学习。教师应结合生源结构、学生的学习基础选择合适的平台和优质课程，引导学生利用课外碎片时间拓展学习。同时，教师应学会利用网络平台对课进行科学管理，及时批改作业，通过后台数据了解、掌握学生学习状况，做好课后辅导与答疑。

2.4 采用混合式的教学理念满足多层次需求

不同省份的高考及招生模式导致同一个班级的学生存在基础差异较大，起点不同，对硬件课程的掌握、消化程度不同。采用统一的教学模式会带来“学习好的学生吃不饱，学习差的学生跟不上”的现象。为了满足不同层次的学生需求，在教学大纲中应给出不同难度阶段的教学计划与目标，采取大班/小班混合、线上/线下混合、师教/生学混合、现场/远程融合等多形式课堂混合，以生讲生评、以练代讲、案例点评、研讨辩论、项目探究、边讲边练、师导生演、平行互动、边做边评、生问生答等多种混合教学模式激发学生的学习兴趣满足不同层次学生的需求。

2.5 以项目驱动模式激发学生的学习积极性

面向工程教育认证的OBE理念是以学生为中心，将学生放在中心主体地位，调动和激发学生的积极性、使学生自主参与到教育教学当中，将学到的知识转化为工程实践能力为最终培养目标。项目驱动的教学模式，以完成一个具体项目为主线开展教学活动，提出项目问题，让学生分组讨论，项目小组既分工又协同合作共同完成项目。项目驱动的教从某种程度上能改变传统的“重讲授、轻参与”“重理论、轻实践”的教学模式，项目完成时学生学会了查阅资料，自我解决问题和工程实践能力。例如：在计算机组成原理课程中以CPU的设计为主线，将实验分解为运算器设计、寄存器文件设计、存储器扩展技术、总线和控制器设计，最终完成简单CPU的设计。

2.6 加强硬件课程教学团队建设

教学团队是以学生为服务对象，以技能互补、相互协作、相互沟通的教师为主体，以改革教学内容和方法为主要途径，以系列课程和专业建设为平台，以提高教师教学水平、教育质量为目标而组成的一种创新型的教学基本组织形式。以数字电路、微机原理及接口技术、计算机组成原理、计算机系统结构、单片机应用技术、嵌入式系统等硬件课程为主构建硬件课程教学团队，通过教学团队来促进教学研讨和教学经验交流，推进教学工作的老中青相结合，发扬传帮带作用，加强青年教师的培养，提高硬件课程的教学质量。教学团队利用校园网搭建地方特色的硬件课程教学平台，通过网络化的在线师生对话、学生之间的学术探讨、在线作业和在线自测等，进一步激发学生学习硬件课程的兴趣。

3 结语

在21世纪人类已迈入“知识经济”时代，科学技术正发生着深刻的变革，社会对德才兼备的高素质信息技术人才的需求更加迫切。如何培养出符合时代要求的优秀人才，是全社会尤其是高等院校面临的一项紧迫而现实的任务。分析了目前计算机硬件类课程教学中存在的问题，并从通过课程思政提高学生的主观能动性、充分利用互联网平台做好课前预习课后辅导总结、采用混合式的教学理念满足多层次需求、以项目驱动模式激发学生的学习积极性等几个方面对硬件类课程教学提出改革措施，从而能够有效地提高教育教学质量，培养合格的中国特色社会主义新时代信息技术人才。

引用

[1]岳斌,张振宝,汪美霞,等.计算机组成原理与系统结构课程教学改革[J].计算机教育,2022(2):134-138.

[2]谭志虎,胡迪青,秦磊华.“计算机组成原理”课程设计的改革[J].电气电子教学学报,2016,38(6):110-112+134.

[3]周丽华,周俊华,肖清.计算机组成原理课程思政教学的探索与实践[J].计算机教育,2022(2):37-40.

[4]唐志强,朱子聪.计算机专业硬件课程体系的改革[J].计算机工程与科学,2014,36(S2):159-161.

[5]刘三荣,徐丽,张强,等.基于工程教育专业认证的计算机组成原理混合式教学组织模式[J].计算机教育,2021(3):104-107.

[6]贾电如,王双友,丁万宁.基于工程认证的计算机组成原理课程质量评价探索[J].计算机教育,2022(2):96-99.

[7]张威,胡晓宏.面向新工科建设的计算机组成原理课程教学[J].科技风,2022(10):101-103.