文章編號(hào)：1672-5913(2008)18-0062-02

摘要：傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課教學(xué)已不適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)對(duì)人才的需求，本文結(jié)合計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，從課程內(nèi)容、教學(xué)體系、教學(xué)方法等方面總結(jié)了在硬件基礎(chǔ)課教學(xué)改革中所取得的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。

關(guān)鍵詞：硬件基礎(chǔ)課；教學(xué)改革；整合課程

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1引言

計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)的先修課程是“電路分析”、“模擬電子學(xué)”和“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”。由于歷史原因，這些課程大多由電子系開(kāi)設(shè)，是以理論研究為目的的課程體系，存在教學(xué)內(nèi)容陳舊，課程體系老化，理論論述多，占用學(xué)時(shí)多，前后銜接不好等問(wèn)題，給后續(xù)計(jì)算機(jī)硬件課的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)了諸多困難和被動(dòng)。而計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)與其他專(zhuān)業(yè)相比較，少有的幾個(gè)優(yōu)勢(shì)之一就是對(duì)計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的掌握。因此，結(jié)合計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的具體情況，在教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面對(duì)硬件基礎(chǔ)課程進(jìn)行必要的改革就顯得尤為重要。

2整合內(nèi)容、精縮課時(shí)

1) 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更是突飛猛進(jìn)。在大學(xué)本科階段，除了要給學(xué)生傳授基礎(chǔ)理論知識(shí)外，還要講授新技術(shù)、新理論，這就使得各高校不斷壓縮某些傳統(tǒng)基礎(chǔ)課的課時(shí)，增設(shè)一些新的課程。在這種形式下，硬件基礎(chǔ)課的課程體系和教學(xué)內(nèi)容亟待更新。

2) 課程體系的構(gòu)建是以理論知識(shí)為架構(gòu)，以實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，教學(xué)內(nèi)容則應(yīng)緊密結(jié)合專(zhuān)業(yè)核心能力對(duì)理論知識(shí)的要求。綜合時(shí)代發(fā)展、專(zhuān)業(yè)結(jié)構(gòu)和課程體系的總體考慮，從98年起我們就根據(jù)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，逐漸建立完善了一套硬件基礎(chǔ)課的課程體系。首先，在課程內(nèi)容的組織與建設(shè)方面，注重了先修課和后續(xù)課程的關(guān)系，做到內(nèi)容上不重復(fù)，知識(shí)點(diǎn)上不脫節(jié)。其次，教學(xué)內(nèi)容力圖反映時(shí)代的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步。通過(guò)編寫(xiě)出版《電路與電子學(xué)基礎(chǔ)》、《數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)》兩本教材重新劃分課程內(nèi)容，精縮學(xué)時(shí)，將原有的64學(xué)時(shí)的“電路分析”和64學(xué)時(shí)的“模擬電子學(xué)”這兩門(mén)課程整合為課內(nèi)48學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)20學(xué)時(shí)的“電路電子學(xué)”課程，重新劃分、補(bǔ)充了“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”（課內(nèi)48學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)20學(xué)時(shí)、三周課程設(shè)計(jì)）的教學(xué)內(nèi)容。

(1) “電路與電子學(xué)”課程。在電路分析部分不再追求研究線(xiàn)性電路的理論體系完整性，刪除了部分傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容，只保留直流分析、交流分析和動(dòng)態(tài)電路三大部分。在直流分析中，刪掉了“電路分析”教學(xué)中關(guān)于支路電流法和回路電流法的內(nèi)容，保留電路系統(tǒng)分析法中的被廣泛用于機(jī)輔分析的節(jié)點(diǎn)電壓法。在交流分析中，刪除了三相電路內(nèi)容，而對(duì)通信中的諧振電路則詳細(xì)講解。動(dòng)態(tài)電路的分析中，只通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的RC充電回路讓學(xué)生了解時(shí)域分析的基本步驟，而將重點(diǎn)放在三要素法和RC無(wú)源微積分電路上。在“模擬電子學(xué)”部分，去掉了半導(dǎo)體器件導(dǎo)電原理和反饋的方框圖計(jì)算法，精簡(jiǎn)了阻容耦合放大電路（包括多級(jí)放大）、小信號(hào)動(dòng)態(tài)圖解法、差分電路分析等。相應(yīng)地加強(qiáng)了有源器件MOS管、電流源電路和系統(tǒng)穩(wěn)定性的介紹，課程著重講解集成運(yùn)放的應(yīng)用。在講解由運(yùn)放構(gòu)成的有源積分電路時(shí)，與前面的無(wú)源積分電路做比較，這樣有助于學(xué)生理解并牢固掌握兩種電路各自的特點(diǎn)。實(shí)踐證明，學(xué)生在做電子競(jìng)賽時(shí)對(duì)這兩種電路的使用都非常恰當(dāng)。

(2) “數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”課程。教學(xué)內(nèi)容刪除了數(shù)字電路中各種觸發(fā)器電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的設(shè)計(jì)技巧，精簡(jiǎn)了中規(guī)模器件的內(nèi)部邏輯介紹，縮減了卡諾圖和邏輯簡(jiǎn)化內(nèi)容。由于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的硬件課程“微機(jī)原理與接口技術(shù)”中將介紹A/D、D/A轉(zhuǎn)換，故這一部分內(nèi)容就不出現(xiàn)在“數(shù)字邏輯”課程的教學(xué)中。將教學(xué)重點(diǎn)放在各類(lèi)觸發(fā)器的邏輯功能觸發(fā)條件、集成電路外部功能、可編程器件和EDA技術(shù)上，要求教會(huì)學(xué)生如何通過(guò)查找器件手冊(cè)了解器件功能和使用要點(diǎn)。由于計(jì)算機(jī)硬件中三態(tài)門(mén)、OC門(mén)的重要性，課程加強(qiáng)了對(duì)其邏輯功能及應(yīng)用的舉例說(shuō)明。

(3) 改革組課方式。邏輯門(mén)電路是傳統(tǒng)“數(shù)字邏輯”教學(xué)中最難的一章，由于門(mén)電路的原理要涉及到電路、模擬電子學(xué)等方面的知識(shí)，因此在講述這一部分內(nèi)容時(shí)，必須幫助同學(xué)復(fù)習(xí)有關(guān)的知識(shí)。在改革課程體系時(shí)，我們打破傳統(tǒng)的教學(xué)體系，將這一部分內(nèi)容放在“電路電子學(xué)”課程中，在講述半導(dǎo)體器件后引入邏輯門(mén)電路，如MOS管可以具有開(kāi)關(guān)和受控源兩種類(lèi)型的功能，根據(jù)器件所給偏置條件的不同，在模擬電路中可作為放大器件或在數(shù)字電路中作為開(kāi)關(guān)器件。課堂上的師生互動(dòng)證明，經(jīng)過(guò)這樣的調(diào)整，學(xué)生對(duì)有關(guān)門(mén)電路的問(wèn)題就很容易理解掌握。通過(guò)合理地整合教學(xué)內(nèi)容，改變了過(guò)去把電路模型與實(shí)際器件（如受控源和晶體管）、開(kāi)關(guān)與放大作用、模擬與數(shù)字等研究對(duì)象截然割裂的組課方式，而是將它們有機(jī)地融合，找出共性和個(gè)性，講清個(gè)性，突破難點(diǎn)，這樣便于以統(tǒng)一的觀(guān)點(diǎn)使學(xué)生建立完整的概念〔1〕。

3軟硬結(jié)合與時(shí)共進(jìn)

1) 當(dāng)前國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的普遍現(xiàn)象是“過(guò)軟”，即強(qiáng)調(diào)軟件編程，而學(xué)生的硬件動(dòng)手能力非常薄弱。在計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件界限開(kāi)始變得模糊，且采用軟件方法來(lái)設(shè)計(jì)硬件， FPGA、VHDL、DSP技術(shù)帶來(lái)了全新設(shè)計(jì)理念與結(jié)構(gòu)體系，與之相應(yīng)EDA技術(shù)和ISP器件在教學(xué)、科研等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在這種軟硬件逐漸融合的背景下，計(jì)算機(jī)學(xué)科的硬件基礎(chǔ)課程必須要反映出這種時(shí)代的發(fā)展。

2)EDA技術(shù)分為三級(jí)：以PSPICE、EWB、Multisim等為軟件平臺(tái)的仿真分析類(lèi)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)為初級(jí)；以MaxPlus II、Quartus II等為軟件平臺(tái)，以FPGA/CPLD為硬件系統(tǒng)目標(biāo)芯片的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)EDA技術(shù)為第二級(jí)；以NC Simulator、Virtuso、Diva等為軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)、以集成電路芯片版圖設(shè)計(jì)為目標(biāo)的ASIC芯片設(shè)計(jì)為最高級(jí)〔2〕。EDA技術(shù)的前兩級(jí)都與計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課密切相關(guān)，因此在進(jìn)行課程體系改革時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，根據(jù)“基礎(chǔ)型、應(yīng)用型、綜合型、創(chuàng)新型”的循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系，將EDA技術(shù)分層次地引入設(shè)置在教學(xué)中：

(1) 第一級(jí)——首先在“電路電子學(xué)”教材各章的最后一節(jié)給出PSPICE對(duì)本章典型電路的仿真實(shí)例，教材最后一章加入可編程模擬器件ispPAC。其次，增加了20學(xué)時(shí)的Multisim仿真及電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，將教學(xué)中的難點(diǎn)用直觀(guān)的圖形和曲線(xiàn)表述，降低了數(shù)學(xué)難度。如通過(guò)對(duì)模擬放大電路的仿真，可以直接觀(guān)察到改變電路參數(shù)所導(dǎo)致的波形失真，學(xué)生就很容易理解并掌握靜態(tài)工作點(diǎn)變化對(duì)放大電路性能的影響。最后，利用仿真平臺(tái)生動(dòng)直觀(guān)方便的特點(diǎn)，讓學(xué)生掌握先設(shè)計(jì)、后仿真、再實(shí)際的設(shè)計(jì)方法和理念，在此基礎(chǔ)上，將以往的一些驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)提升為綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。對(duì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都要求虛實(shí)結(jié)合，虛實(shí)互動(dòng)，通過(guò)這種訓(xùn)練，極大地提高了設(shè)計(jì)的成功率。計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生取得北京市大學(xué)生電子競(jìng)賽的3個(gè)一等獎(jiǎng)，更多的二、三等獎(jiǎng)證明，整合后“電路電子學(xué)”的教學(xué)改革取得了成效。

(2) 第二級(jí)——傳統(tǒng)的“數(shù)字邏輯”課程體系以邏輯代數(shù)為基礎(chǔ)，采用自底向上（DOWN-TO–TOP）的設(shè)計(jì)方法，教學(xué)內(nèi)容以門(mén)電路－中規(guī)模集成電路－大規(guī)模集成電路－數(shù)字系統(tǒng)為順序排列。導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)前面局部知識(shí)的時(shí)候，缺乏整體系統(tǒng)概念，只會(huì) “搭積木”拼湊式的設(shè)計(jì)，當(dāng)后續(xù)“組成原理”課程要建立整機(jī)、系統(tǒng)這些非常重要的概念時(shí)，前面所學(xué)的一個(gè)個(gè)分散的知識(shí)點(diǎn)不能被融會(huì)貫通〔3〕。現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以硬件編程語(yǔ)言為基礎(chǔ)，采用自頂向下(TOP-TO-DOWN)的設(shè)計(jì)方法，因此數(shù)字電路的教學(xué)體系必須重新構(gòu)建。第二級(jí)的EDA技術(shù)包含三方面內(nèi)容：(1)大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?；(2)硬件描述語(yǔ)言；(3)軟件開(kāi)發(fā)工具。所以在“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”的教學(xué)體系上，應(yīng)以邏輯代數(shù)與VHDL語(yǔ)言并行為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)自頂向下的設(shè)計(jì)理念和層次化設(shè)計(jì)方法，以系統(tǒng)為對(duì)象，用VHDL語(yǔ)言描述，在EDA軟件平臺(tái)上，自上而下、逐步細(xì)化，最終完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。依據(jù)整體“自頂向下”，細(xì)節(jié)“自底向上”的教學(xué)模式，在教學(xué)內(nèi)容組織上，先給出數(shù)字系統(tǒng)的整體架構(gòu)及邏輯系統(tǒng)的三大部件:存儲(chǔ)、處理、控制，讓學(xué)生有全局、整體的認(rèn)識(shí)。在講述邏輯系統(tǒng)的每一具體部件時(shí)， 仍然遵循“由淺入深，循序漸進(jìn)”的原則，采用傳統(tǒng)的“自底向上”的教學(xué)組織方法。在實(shí)踐教學(xué)的綜合設(shè)計(jì)部分中，要求學(xué)生必須按照從頂層抽象描述向底層結(jié)構(gòu)描述，最后到可實(shí)現(xiàn)的硬件單元描述這一過(guò)程進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)這種教學(xué)改革，學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)趨于合理，滿(mǎn)足對(duì)軟硬件結(jié)合的人才的需求。

4注重銜接 承前啟后

在計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課的教學(xué)中，首先應(yīng)注重介紹該門(mén)課程的主要內(nèi)容、在計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)中的地位及與相關(guān)課程的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。其次，應(yīng)注重與后續(xù)課程的銜接。由于當(dāng)代大學(xué)生在入學(xué)時(shí)就具備了計(jì)算機(jī)使用的基本知識(shí)，因此在授課過(guò)程中，要有意識(shí)地用計(jì)算機(jī)硬件電路作為基礎(chǔ)課的授課案例。如“電路電子學(xué)”課程中，在集成運(yùn)放構(gòu)成的比較器一節(jié)，就可給出比較器在A(yíng)/D轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用舉例，再指出A/D、D/A是計(jì)算機(jī)接口中的重要單元電路，這樣就埋下一條線(xiàn)索，與后續(xù)課程的知識(shí)相聯(lián)系。在“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”課程中所給出的案例都要盡可能為后續(xù)課程使用，如從鍵盤(pán)等引出編碼的概念和編碼器的作用；在講三態(tài)門(mén)時(shí)，可進(jìn)一步給出物理上總線(xiàn)的概念，解釋當(dāng)譯碼和讀寫(xiě)信號(hào)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤時(shí)，CPU訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)總線(xiàn)嚴(yán)重沖突會(huì)造成死機(jī)的原因；在存儲(chǔ)邏輯一章，介紹完寄存器隊(duì)列（FIFO）的邏輯結(jié)構(gòu)后，可讓學(xué)生設(shè)計(jì)寄存器堆棧（LIFO）的邏輯電路圖。在該課程的實(shí)踐教學(xué)中，所給出的設(shè)計(jì)題目包括總線(xiàn)緩存器、全加器、鍵盤(pán)掃描電路、硬件控制器等計(jì)算機(jī)的基本功能部件。通過(guò)這種方法引導(dǎo)學(xué)生思考，建立必要的知識(shí)關(guān)聯(lián)及整體概念，最終達(dá)到對(duì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)基本知識(shí)融會(huì)貫通的目的。實(shí)踐證明，這種訓(xùn)練對(duì)于今后的“組成原理”課程和“嵌入式系統(tǒng)”設(shè)計(jì)都打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5黑板、多媒體、EDA仿真

高校的教學(xué)手段基本都采用多媒體。多媒體圖文并茂、生動(dòng)有趣，但很容易變成另一種形式的照本宣科或“填鴨式”教育。在教學(xué)中要綜合多種教學(xué)手段，注意針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容去尋求最佳的表述方式：黑板＋粉筆、電子教案、實(shí)物投影、動(dòng)畫(huà)課件、虛擬電路。計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課教學(xué)內(nèi)容多，知識(shí)點(diǎn)雜，不容易理解。對(duì)于較難理解或?qū)W生有爭(zhēng)議不明白的問(wèn)題，傳統(tǒng)的“粉筆＋黑板”有其獨(dú)特的靈活性，既可以表述學(xué)生課堂思維的過(guò)程，又有利于師生交流互動(dòng)。在課間讓學(xué)生自己擺設(shè)實(shí)物投影，增強(qiáng)學(xué)生的感性知識(shí)，課間的學(xué)習(xí)氣氛仍生氣勃勃。錄像CD和動(dòng)畫(huà)課件則留給學(xué)生自己觀(guān)看。計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程的實(shí)踐性強(qiáng)、信息量大、EDA設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用廣泛。在授課時(shí)通過(guò)EDA仿真將驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)相結(jié)合，解決理論與實(shí)踐的時(shí)空分離弊端，通過(guò)提問(wèn)、思考、演示、總結(jié)等一系列步驟，循序漸進(jìn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與教學(xué)的積極性，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性。值得注意的是，在此過(guò)程中，教師一定要掌控好演示進(jìn)程，既不能影響教學(xué)進(jìn)度，又要協(xié)調(diào)好單位時(shí)間教學(xué)信息量與學(xué)生接受理解能力之間的矛盾。

6結(jié)束語(yǔ)

硬件基礎(chǔ)課的教學(xué)改革，涉及課程多、學(xué)術(shù)性和技術(shù)性強(qiáng)，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要教師付出不懈的努力，不斷學(xué)習(xí)新技術(shù)，及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，完善教學(xué)方法，才能更好地提高教學(xué)質(zhì)量，更好地培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展人才。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 鄭君里. 試談電工程與信息科學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)課程教學(xué)改革[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(1).

[2] 賀平. 計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程體系改革與創(chuàng)新[J]. 計(jì)算機(jī)教育，2007，(4).