计算机科学与技术专业硬件课程教学改革与实践

墙威　曹蕙

摘要：分析目前的教学现状和国内外高校相关教学工作，提出以“微机接口技术与应用”课程作为切入点，在教学内容和方式、实践环节、课程考核和课外活动等方面进行教学改革，探讨适应技术进步和学科均衡发展的教学模式。

关键词：计算机科学与技术；教学改革与实践；硬件课程教学；微机接口技术与应用

0.引言

计算机科学与技术是发展变化较快的领域之一，这对于该方向的高等教育产生了重大而深远的影响，学科的内涵和外延都在迅速地扩大。目前已有的课程体系已经跟不上技术的进步，无法满足相关专业技术人才培养的需要，这一点在计算机硬件相关课程的开设和教学实践中表现得尤为突出。随着嵌入式技术和移动互联网的发展，软硬件融合和软硬件协同设计日益成为未来计算机发展的重要方向之一。然而，在目前计算机科学与技术专业的本科生教学实践过程中，往往强调培养学生的算法设计和程序开发能力，对于计算机硬件系统的设计和应用却没有给予足够的重视。从长期看，这不仅不利于整个学科的均衡发展，也会对计算机科学与技术专业本科毕业生的就业产生影响。

1.目前教学模式中存在的问题

在计算机科学与技术专业的教学中，与计算机硬件相关的课程主要包括数字逻辑、计算机组成原理、汇编语言程序设计、微机接口技术与应用、计算机体系结构和计算机网络等。这些课程包括了计算机硬件各个层面的基础知识，而且安排了相应的课程设计，对于本科教学是十分必要的。但是，随着计算机学科的发展，这样的教学安排并不能反映技术进步对于人才培养的要求。虽然在上述专业课的教学过程中，可以根据当前技术的发展加入新的教学内容，然而这些内容往往分散在各门独立的课程中，没有形成有机的整体。在实践中，这些专业课彼此独立进行教学，部分课程内容重叠，部分课程内容被忽略。目前以课程教学为主，加上实验及课程设计的教学模式也不利于调动学生的主观能动性。因此，如何对现有的教学模式进行改革，在教学实践中融入最新的技术进步，充分调动学生的学习积极性，是一个亟待解决的重要问题。

2.教学改革的切入点

计算机科学与技术专业硬件课程教学改革涉及多门学科基础课、专业主干课和实践课程，是一个十分复杂的课题。要想一次对所有课程同步改革，无疑十分困难，且充满不确定因素。在计算机硬件相关的课程中，微机接口技术与应用是一门十分重要的专业主干课，它以数字逻辑和计算机组成原理等课程为先修课程，与汇编语言程序设计相互配合，形成完整的教学和实践体系，为计算机体系结构和计算机网络等后续课程的学习以及实际应用开发打下基础。该课程的教学实践不仅可以综合运用前面学过的知识，而且具有很大的可扩展性，可以引入单片机技术、嵌入式系统和可编程逻辑器件等内容。因此，我们选择微机接口技术与应用课程作为切入点，先从这一门课程人手进行教学改革与实践，在此基础上总结经验教训，然后逐步向其他课程推广。在目前的教学状况下，以一门课程作为切入点进行教学改革，具有实施方便、可操作性强的优点，避免了在实际执行过程中，由于涉及因素过多，难以协调，导致具体的教学改革措施无法落实到位。

3.课程教学现状

作为计算机科学与技术专业的一门重要的专业主干课，微机接口技术与应用课程的开设已经有20多年的历史了。这期间随着计算机技术的飞速发展，课程内容也在不断发展变化，使得该课程目前处于一个相对尴尬的地位。一方面，随着嵌入式系统的发展，微机系统在工业界的应用正在减少，针对微机系统设计的各种接口标准逐渐退出历史舞台；另一方面，计算机科学与技术专业的发展要求进一步加强对于学生在计算机硬件系统应用和软硬件协同设计方面的培养，这就为相关课程的教学改革提供了一个良好的契机。

目前微机接口技术与应用课程的主要内容包括：总线与接口标准、I/O端口地址译码技术、定时/计数技术、直接存储器访问技术、中断技术、存储器接口、并行接口、串行接口、人机交互设备接口等。这些内容基本覆盖了当前微机接口技术的各个方面，为进一步学习其他接口奠定了基础，但是这样的课程安排也存在诸多问题。第一，课程内容中无法反映出计算机硬件技术的最新发展和实际应用。考虑到单片机虽然是一个较老的技术，但由于使用简单、性能稳定和价格非常便宜等优点，仍然广泛应用在各个工业领域，同时，以ARM等处理器为核心的嵌入式设备正日益成为当前的主流技术，可编程逻辑系统的设计在实践中被广泛应用，这些内容在目前的计算机科学与技术专业硬件课程体系中都没有得到很好的反映。第二，教学内容与先修课程存在重叠的情形。例如，总线接口标准、存储器访问方式等内容已经包括在计算机组成原理课程中，虽然教学的侧重点有所不同，但重复的内容无疑会占用宝贵的学时，降低学生的兴趣。第三，部分教学内容在先修课程中被忽略了，在后续课程中也没有得到很好的体现。例如，在计算机组成原理课程中强调CPU的一般工作原理，而缺少对于实际应用中广泛存在的80x86系列CPU芯片的工作模式和外部特性的讲解，这一点尚不及在其他非计算机科学与技术专业开设的微机原理与接口技术课程，导致学生在学习微机接口技术与应用课程时，存在先修课程的知识空白，很大程度上影响了教学效果。

4.教学改革的思路

随着计算机技术的发展，微处理器从8位发展到64位，单片机、嵌入式系统和可编程逻辑器件等技术逐渐成为主流，如何适应技术的进步成为教学改革首要解决的问题。在国内，针对微机接口技术与应用的课程教学和实践，很多高校都进行了有益的探索。根据从国家精品课程网获得的资料，大多数重点高校都从自身的实际情况出发，在以下几个方面不断地对课程进行调整：第一，采用以32位微处理器为核心的微机系统和接口技术进行教学，在教学过程中，跟踪微处理器技术的最新发展，包括64位微处理器、多核处理器和并行编程技术。第二，在教学中不再包括单片机的内容，而将其归人课程设计等实践环节。第三，将以ARM等处理器为核心的嵌入式系统的内容加入到现有的教学内容中。第四，在课程设计等实践环节中加入可编程逻辑器件的内容。这些措施对于丰富课程教学的内容，提高学生的学习积极性，培养学生的动手实践能力都具有十分重要的意义，并取得了一定成效。然而，由于学时和实验条件的限制，这些做法在很多高校难以全面推广，只能根据具体情况，选择部分内容实施。

在国外，由于本科生的培养模式与国内的高等学校不同，课程设置也与国内有较大差异。与国内的教学大纲和课程安排不同，国外高校的课程设置更加灵活，特别是在一些著名大学，没有特别细致的课程划分，更注重学生的学习和实践能力培养，一门课程往往包含十分广泛的内容，虽然不过分关注于每一个知识点，但是强调对基本设计理念和技术本质的把握。这赋予了教学极大的灵活性，不仅对教师的教学工作提出了很高的要求，也给学生的自学留下了广阔的空间。麻省理工学院开设的相关课程包括Principles of Compeer Systems和Introductory Digital Systems Laboratory，主要包括计算机系统基本工作原理的介绍，以及数字系统部件的设计。加州理工学院开设课程Principles of Microprocessor Systems，着重讲解微处理器系统的基本原理，把技术细节和学生的实践能力培养放到与之相关的实验Microprocessor Systems Laboratory和课程设计Microprocessor Proiect Laboratory中。哈佛大学计算机科学专业不仅开设了Computing Hardware和Compeer Architecture课程，其中包括计算机硬件和体系结构的基本知识，而且还开设了大规模集成电路系统设计课程Design of VLSI Circuits and Systems，这为国内的计算机科学与技术专业硬件课程教学改革与实践提供了参照。

5.教学改革的实施

针对上述提出的计算机科学与技术专业硬件课程教学改革思路，选取微机接口技术与应用作为教学改革的切入点，结合目前课程教学的实际情况，改革具体措施包括教学内容和方式、实践环节、课程考核和课外活动等方面。

5.1教学内容和方式

我们将课程教学内容和方式分为4种不同的类型：第一，按传统方式教学的部分，主要针对贯穿整个课程的基本概念和设计思想，以及典型的接口芯片实例，内容包括总线与接口标准、I/O端口地址译码技术、ARM系列嵌入式微处理器简介。第二，采用学生自学和课堂讨论的方式进行教学的部分，主要针对重要的接口芯片及其实现技术，内容包括定时/计数技术、中断技术、并行接口、串行接口等。第三，布置学生自学的重要内容，这些内容对于理解计算机硬件的设计思想和接口技术的实际应用都具有重要的意义，学生在一些先修的课程中已经有所了解，内容包括80x86系统结构、系统资源软接口、直接存储器访问技术、存储器接口、人机交互设备接口等。第四，在实践环节学习的内容，这些内容实践性强，不占用课堂教学时间，留给学生自学并完成相关实验，内容包括D/A和A/D转换接口等。对于课堂讨论的内容，预先布置讨论的题目，在课堂上检验学生自学的效果，对于学生自学的内容，以作业和报告的形式督促学生完成。

5.2实践环节

教学实践环节包括实验和课程设计。实验主要针对一些具体的接口芯片的应用，内容包括I/o端口地址译码、扫描式键盘、数码LED显示、定时/计数器、D/A和A/D转换等。通过实验检查学生的学习效果，具体实验方案可以由学生自主设计，并以个人或小组为单位进行演示。课程设计考查学生综合运用所学知识的能力，注重培养学生动手实践和团队协作精神。布置给学生若干不同难度系数的题目，学生按照自愿的原则形成设计小组，根据自己的实际情况选择设计题目，也可以根据所学的知识自行决定设计题目。实践环节是课程教学改革与实践的重要组成部分，也为学生灵活运用所学知识和充分发挥创造力提供了机会。实验条件是实践环节的物质保障，主要包括三种类型：第一，传统的可配置综合实验箱，主要用于在专用实验室完成实验任务。实验箱有地址译码电路模块，将实验箱上的接口芯片地址映射到计算机的地址译码系统，通过PCI插卡或USB总线与计算机连接，就可以直接对相应的接口进行读写操作。第二，虚拟仿真软件实验平台，通过软件仿真，实现各种硬件设计功能，在实践上具有很大的灵活性，不受实验室条件的限制，而且不会有设备损坏、折旧等问题的困扰，能充分调动学生的学习积极性，还可以在课堂讨论中使用。目前各类虚拟仿真软件实验平台很多，常用的工具软件包括用于单片机和嵌入式系统仿真的Proteus软件，以及用于FPGA设计和仿真的ModelSim和Quartus II软件等。第三，独立的单片机/ARM系列嵌入系统/FPGA开发板，随着技术的不断发展，这类独立的开发装置价格越来越便宜，市场上还出现了Raspberry Pi等各种类型的产品，为计算机教育提供了巨大的便利。可以在课程教学的开始，将课程设计任务布置下去，同时以小组为单位为学生提供这类开发装置，让学生随时有机会动手实践，还可以在课堂上演示设计作品。

5.3课程考核

课程考核是教学改革的重要组成部分，传统的闭卷考试方式不利于调动学生的学习积极性、主动性和创造性。可以将课程考核的成绩分为课堂表现、平时作业、实验完成情况、设计作品演示等组成部分，采用加权平均的方式给出最终的成绩。这样将学生的考核成绩与平时的学习表现和设计作品的水平联系起来，充分调动学生平时学习的积极性和主动性，避免了在传统课程考核模式下，学生考前突击的学习方式。

5.4课外活动

在课程教学结束后，选出优秀的作品，指导有兴趣的学生继续开展工作。可以在原有作品的基础上完善和发展，也可以根据所学的知识进行新的设计。对于创新性强的作品，还可以指导学生申请专利以及参加包括全国大学生电子设计竞赛、挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛等各种科技活动。在这些活动中，学生可以为自己两年后的毕业设计做准备，教师也可以选择优秀的学生参加到自己的科研工作中来，形成互利共赢的局面。

6.结语

计算机科学与技术专业硬件课程教学改革是计算机学科快速发展变化的必然要求。改革成功与否的关键在于能否从学校和学生的实际情况出发，找到合适的切入点，解决目前教学工作中存在的问题。教学改革的措施必须具有可行性，从大处着眼，小处人手，创造互利共赢的局面，不能成为教师和学生的负担。一个良性循环的教学模式，必然使教育者和受教育者都在教学实践活动中受益，并且得到发展和提高。

（编辑：郭田珍）