计算机专业硬件类课程教学改革探讨

王艳玲

摘要:本文针对目前国内高校计算机专业教学中普遍存在的“重视软件课程、轻视硬件课程”现象,分析了计算机硬件类课程教学中存在的主要问题,结合自己多年的教学经验,提出了硬件类课程教学改革和学生创新能力培养的措施。

关键词:硬件类课程;创新能力;教学改革;实践教学

中图分类号:G642 文献标识码:A

1引言

随着计算机网络与通信技术、集成电路技术和计算机软、硬件软件技术的飞速发展,我国高等院校计算机专业教育的内容与形式都发生了很大的变化。如何跟上飞速发展的计算机科学与技术,培养具有创新能力的高素质计算机专业人才,是高校计算机专业教育面临的新挑战。

计算机是一个由硬件系统和软件系统组成的复杂系统。随着现代计算机系统的功能逐渐增强,对计算机专业人员硬件知识的要求也越来越高。作为计算机专业的核心课程之一,硬件类课程在培养学生的实际动手能力、工程实践能力、开发创新能力等方面具有非常重要的作用。但由于目前国内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、知识体系和教学内容等方面存在着诸多不尽人意的地方,教学质量难以保证,致使许多计算机专业毕业生的硬件设计与动手能力较差,根本无法胜任计算机硬件方面的相关设计和应用工作。本文针对目前国内高校计算机专业教学中普遍存在的问题和不足进行探讨,结合自己多年的教学经验,提出了硬件类课程教学改革和学生创新能力培养的几点想法。

2存在的主要问题

计算机硬件类课程的内涵十分丰富,主要包括:电工与电子技术、数字逻辑、计算机组成与体系结构、汇编语言程序设计、微机原理与接口技术、单片机及应用、嵌入式系统等。这些课程虽然特点不同、内容各有侧重,但普遍存在工程实践性强,应用技术含量高,课程内容抽象难学的特点,影响了硬件类课程的教学效果。目前国内高等院校计算机专业硬件类课程教学中主要存在以下几方面的问题。

2.1专业设置普遍“重软轻硬”

硬件和软件是计算机系统不可或缺的两大组成部分,二者相互依存,不可分割。与之相对应,硬件类课程和软件类课程也相辅相成,构成了完整、科学的计算机专业知识体系。计算机的软硬件设计技能是一个合格的计算机专业毕业生本应具备的基本技能。但由于硬件类课程和软件类课程各自不同的特点,使得硬件类课程的教学对师资、设备乃至学生的学习基础与学习能力等方面的要求相对软件类课程要高,国内多数高校限于师资、设备、资金等各方面条件的制约,硬件类课程能砍掉的尽量砍掉,不能砍掉的课程也尽量压缩课时,在硬件类课程的教学及实验室建设方面明显不足,导致多数高校软件类课程课时相对较多而硬件类课程课时相对较少,在专业设置方面“重软轻硬”的现象比较严重。不少计算机专业的学生只将注意力和兴趣集中在各种编程环境、开发工具、数据库、计算机网络的集成技术上面,对于硬件技术的学习和应用研究不感兴趣或忘而生畏。

甚至有的学者也认为,计算机专业的学生可以“只要用键盘、鼠标就能演奏出各种美妙的音乐”。这种认识对于我国培养自主创新型人才是极为不利的。

2.2硬件类课程教材与教学内容相对陈旧,课程体系有待完善

随着科学技术的迅猛发展,计算机更新换代频繁,新产品、新技术不断涌现。在计算机专业的教学中,如不及时引入新知识,很容易造成教学内容滞后。目前许多高校在制订硬件类课程的教学计划时,主要根据本校的设备性能和师资水平来选择教材与教学内容,这就不可避免地造成了很多教学内容相对陈旧,与当前主流的计算机硬件技术差距太大,与实际应用严重脱节,对学生缺少吸引力,难以激发学生的学习兴趣。比如国内多数高校《数字逻辑》教材的内容还是以中、小规模集成电路为主,而对大规模、超大规模集成电路的内容很少涉及;《微机原理与接口技术》则以80x86系列微机为背景,以8259、8255等芯片的讲解为重点,而对在应用领域处于主流地位的ARM、DSP、FPGA等新型技术涉及较少。这种教学内容与现实技术脱节的现状严重影响了计算机硬件类课程的教学质量。另外,由于计算机硬件类课程体系不够完善,导致有些内容在多门课程中重复出现,如数制在“数字逻辑”、“汇编语言”、“计算机组成与体系结构”、“单片机”等课程中均要讲到;再如有关中断、接口控制方面的内容在“计算机组成原理”、“汇编语言”、“微机原理与接口技术”、“单片机”等课程中均有涉及。教学内容的重叠一方面占用了有限的教学学时;另一方面也会使学生感到疲劳,并对课程设置产生不满情绪,影响学习效果。

2.3重视课堂教学,轻视实践教学,缺乏创新能力的培养

计算机硬件类课程是实践性很强的学科,学生必须具备足够的实践动手能力才能适应社会的需求。相对于仅需要一台电脑、几本书及相应的软件应用平台就可进行软件类课程的学习,硬件课程实践教学的实施比较困难,设备投资大,通常每门课程需要配备专门的实验设备和相应辅助设备,且对实验辅导和设备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,实践教学的课时过少,而且验证性实验占绝大多数,造成学生硬件动手能力普遍低下,其创造力无法得到训练,导致了计算机硬件课程在实践教学上的不足。从而出现了“重理论、轻实践、重考分、轻能力”的现象,这不利于学生扎实地掌握硬件知识,也无益于学生动手能力的提高,必须通过深化硬件课程的教学改革加以改进。

2.4各门课程间的有机联系不足,学生无法驾驭整个知识体系

现代计算机系统的功能越来越强,计算机软、硬件的界限日渐模糊,许多软、硬件的实现可以相互转化。而在目前的计算机教学中,硬件知识与软件知识间缺乏足够的联系和交叉互补,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,也就不能形成完整的知识体系,更无法做到软、硬件知识融会贯通。另外,由于前面所提到的计算机硬件类课程要在不同的学期内开设,各门课程间既有联系又各自相互独立,加之内容繁琐,受课时数等因素的限制,在硬件课程的教学中往往只注重各自的重点而无法顾及到各门课程间的联系,导致学生无法对计算机硬件系统有一个完整的认识,出现“只见树木不见森林”的现象。其次,硬件类课程间缺乏充分的衔接,如“数字逻辑”、“计算机组成与体系结构”、“汇编语言”与“微机原理与接口技术”等课程内容的关联很难统一,有些知识点多门课程中重复,而有些知识点缺失,导致学生知识的增长没有渐进性、系统性。所有这些都导致了学生的专业知识体系不够健全。

2.5学生对硬件课程的学习兴趣普遍不高

由于计算机硬件类课程体系庞大,内容繁杂,原理层面的内容较多,学生对抽象的原理和复杂的硬件电路很不适应,容易使人感到抽象、繁琐、空洞、枯燥,而无从下手。其次,学生对硬件课程的了解不够全面,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重视不够,导致学生在学习中缺乏积极性。

3教学改革的几点措施

针对以上列举的计算机硬件教学中存在的主要问题,根据平时教学中的经验和体会,本文就如何加强硬件课程教学体系的系统性、提高硬件教学质量和水平,培养高水平的创新型人才以适应社会发展的需要,提出以下几点措施。

3.1改进教学方法,激发学生的学习兴趣

兴趣是最好的老师和学习的动力,有了兴趣就有了学习好这门课程的可能。在各硬件课程开设时,应首先给学生介绍该课程的主要内容、该课程在计算机专业中的地位、与相关课程的关系。同时更要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,该课程离自己的生活并不遥远。另一方面,在开设各硬件课程时,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。其次,还应加大实践能力在考试评价体系中所占比例,以促进学生对硬件实践的重视。除了课堂教学外,灵活运用实验室授课、课堂讨论、网上课堂、在线交流、自由论坛、在线测试等多种教学手段,减轻学生的思想负担,提高学生的学习兴趣,增强其学习的成就感。从根本上改变大学课堂上“重软轻硬”的现象,实现学生的全面发展。

3.2及时更新教材与教学内容,并进行整体优化,提高硬件知识的先进性与实用性

由于计算机硬件技术发展非常迅猛,任课教师要适时跟踪学科技术发展、更新教学内容,力求做到教学内容先进性与实用性的统一。首先作为课程教学,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,重点要突出基本原理思想和基本方法技术的阐述,以使学生能学到先进的硬件知识。其次又要重视其实用性的一面,尽量拉近学校教育与社会上流行技术、流行产品、流行工具的距离,着力培养学生利用计算机处理问题的思维方式和利用硬件、软件技术与先进工具解决本学科专业及相关领域中问题的能力,以及将来独立获取、掌握新知识、跟踪计算机技术新发展、新应用的能力。如增加目前较为流行的硬件描述语言VHDL(Very High Speed IC Hardware Description Language)及调试工具Quartus II的应用、FPGA(Field Programmable Gates Array)设计与应用、基于JTAG(Join Test Action Group)的多种测试手段、嵌入式模块的应用、SOPC(System On a Programmable Chip)技术等内容。课程内容的组织既要符合计算机教育的固有规律、学科的内涵及联系,又要符合人的认知规律。通过在系列课程教学中引入课程设计,鼓励学生参加电子设计大赛和科技创新活动及社会实践实习、毕业设计等综合性实践环节来提高学生的综合能力。

3.3整合硬件课程资源,保持教学内容的系统性

计算机硬件和软件知识相辅相成,都包含丰富的知识和先进的技术。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的硬件知识。因此,在计算机硬件课程教学中要首先完善教学大纲,加强不同课程任课教师间的沟通,注意课程间的相互衔接,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,还要加强计算机软硬件教学间的沟通,对软硬件课程的教学内容进行适当的穿插。如在“微机原理及接口技术”和“单片机原理及应用”的课程中,可以加入一些利用高级语言对硬件进行编程的实例。在“计算机组成原理与体系结构”课程中,联系“操作系统”课程中I/O管理、内存管理、CPU调度等知识,以引导学生思考,建立必要的知识关联,最终达到对计算机软硬件系统基本知识融会贯通的目的。最后,还要解决好内容繁多与学时较少的矛盾。通过对硬件系列课程内外体系的整体优化和多种教学方法模式的科学设计、统筹配合,找到一种相对来说能动态跟上计算机硬件发展步伐的教学和教材新模式。

3.4正确处理好“基础”与“热点”的关系

计算机学科发展到如今,从某个角度来看,将从事计算机教学的人们推到了一个两难的境地。一方面,技术发展日新月异,计算机应用越来越广。学校的课程设置理应反映这种形势,否则教师和学生们都会觉得内容太陈旧,学生毕业后无法适应用人单位的需求。另一方面,当代计算机领域的新技术、新产品和新工具等不断产生、不断更新,任何一个学校的课程都无法和这些层出不穷的新技术、新产品和新工具相同步。而且,如何使教师的知识结构经常更新,以便能跟上学科的飞速发展,也是另一个存在的问题。除此以外,如果在课程中安排学生学习太多的东西,必然会影响到基础理论和专业核心内容的学习。所以,在课程体系的设计中,要力求平衡“基础”与“热点”这两方面的关系。

3.5加强实践教学环节,培养学生的动手能力和创新能力

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、创新能力的培养起着重要的作用。由于计算机硬件类课程具有很强的工程性与实践性,因此硬件类课程的实践教学与理论教学具有同等重要的地位。加强计算机硬件类课程的实践教学,除了需要学校增加对硬件实践设备的投资,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外;更需要优化实验内容,加强综合性和设计性实验,增加教学实践的内容,尤其是创新类和设计类的实践环节,并开设硬件综合设计的课程;最后还要改变现有的硬件实践教学的评价体系,加大实践考核在整个课程考核中的比重,强化学生的综合设计和硬件动手能力。

4结束语

本文对目前国内高校计算机硬件类课程的教学中存在的主要问题进行了分析,并提出了一些改进措施。其中,许多工作不是一朝一夕所能解决的。需要整个计算机教育界共同努力,逐步提高认识,不断从教学内容、教学模式、教学手段、实验设备等方面进行整合与更新,为社会培养出高素质的计算机硬件专业人才。

参考文献:

[1] 郑秋梅,刘新平,孙晓燕,等. 深化硬件课程改革 切实提高动手能力[J]. 实验室研究与探索,2007(12):346-349.

[2] 邹逢兴. 关于创新计算机硬件技术基础课程教学的实践和思考[J]. 计算机教育,2004(2/3):81-84.

[3] 赵若阳,李宁,库少平. 计算机硬件课程体系及内容改革的思考[J]. 计算机教育,2006(3):47-49.

Exploring Discussion on the Reform of Hardware Series Curriculum Teaching in Computer Specialty

WANG Yan-ling

(School of Computer Science and Engineering, Shandong Economic University, Jinan 250014, China)

Abstract: At present, it is a common phenomenon of the computer specialty teaching that emphasizes on software courses and neglects the hardware courses in the university. In allusion to this phenomenon, this paper analyzes the main problems of computer specialty teaching. And according to many years teaching experiences, several countermeasures have been proposed.

Key words: hardware courses; innovation ability; teaching reform; practice teaching