高曉清

摘要:本文分析計算機工程專業(yè)課程教學中存在的主要問題,圍繞如何面向?qū)嶋H應用、調(diào)動學生學習興趣、改善教學方法以及實驗內(nèi)容和方法的創(chuàng)新等教學中的關(guān)鍵因素進行了研究,提出行之有效的提高教學質(zhì)量的方法,即以ISP技術(shù)為主線改革計算機專業(yè)硬件課程教學體系和教學內(nèi)容;采用案例教學法作為計算機專業(yè)硬件課程教學的主要方法。實踐表明這些探索與實踐在提高學生的動手能力、增強創(chuàng)新意識以適應新形勢下培養(yǎng)創(chuàng)新性人才方面取得較好的效果。

關(guān)鍵詞:ISP技術(shù);課程體系;質(zhì)量工程;創(chuàng)新意識;案例教學法

中圖分類號:G642 文獻標識碼:A

隨著計算機及相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展,新技術(shù)與方法已在工程實踐中廣泛應用,但目前許多高等院校計算機硬件課程的教學內(nèi)容與實際脫節(jié),教學體系設置和教學方法無法完全滿足培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的要求。在我國高校計算機相關(guān)專業(yè)學生的培養(yǎng)中,普遍存在重視計算機軟件方面知識的學習和培養(yǎng),忽視對計算機硬件方面知識的學習和實踐,特別是在硬件工程方面,學生得到的訓練更少,培養(yǎng)學生的實際能力更無從談起;盡管目前許多硬件課程的設置與歐美等計算機技術(shù)發(fā)達國家的課程設置接近,但教學知識體系、內(nèi)容及教學方法等有許多需要斟酌的地方,教學內(nèi)容無法適應時代的需求,有些與現(xiàn)實嚴重脫離,學生的學習積極性不高,學習效果不好。

目前正在高校實施的高等教育質(zhì)量工程,重點在于提高學生的動手能力、增強創(chuàng)新意識,為我國轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新性國家打下基礎。為了實現(xiàn)這一目標,有必要對高等教育課程的教學內(nèi)容和教學方法進行改革,以適應新形勢下培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的需要。由于計算機領域發(fā)展迅速,各種新技術(shù)和方法不斷涌現(xiàn),計算機專業(yè)的教學內(nèi)容及教學方法更應不斷地調(diào)整和更新。

1現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

大多數(shù)高等院校計算機本科專業(yè)涉及的硬件教學課程主要有“數(shù)字邏輯”、“匯編語言程序設計”、“計算機組成原理”、“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”、“微機原理與接口技術(shù)”、“單片機”、“嵌入式系統(tǒng)”等,在新形勢下部分課程內(nèi)容設置顯得不夠合理,部分教學內(nèi)容與實際應用脫節(jié),影響了教學效果,無法完全滿足教學大綱中要求的動手能力培養(yǎng),更無法有效培養(yǎng)同學們的創(chuàng)新意識。

目前,作為計算機教學重要專業(yè)基礎課程的“數(shù)字邏輯”,要求學生掌握組合邏輯、時序邏輯電路的分析和設計方法,研究對象主要是分立元件、通用中小規(guī)模集成電路及基本的可編程器件等,介紹的方法也以傳統(tǒng)方法為主,已無法適應目前應用的需要;作為專業(yè)主干課程的“計算機組成原理”、“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”,主要內(nèi)容是討論計算機的結(jié)構(gòu)、各功能部件原理及設計方法,同時介紹當前的新技術(shù)、新方法,目的是讓同學們熟悉計算機的結(jié)構(gòu),為以后應用和設計計算機系統(tǒng)打下基礎。目前大家普遍采用的教材在部件設計中討論的方法主要是硬布線邏輯或微程序設計方法:硬布線邏輯運行速度高,但缺乏靈活性;微程序設計方法有一定的靈活性,但資源占用多,運行速度慢。盡管這兩種方法對于理解計算機組成原理不失為一種較好的選擇,但由于缺乏實際應用背景,學生學習興趣受到影響,教學效果也大打折扣,提高學生的動手能力、培養(yǎng)創(chuàng)新意識更是無從談起。“匯編語言程序設計”課程也存在類似尷尬,討論以16位個人計算機為背景的匯編語言程序設計知識,適合入門和了解基本原理,但與“計算機組成原理”、“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程一樣,由于缺乏實際應用背景,教學目標無法完全實現(xiàn)。

隨著電子設計自動化(EDA)、系統(tǒng)編程(ISP)、片上系統(tǒng)(SOC)等技術(shù)的發(fā)展,32位個人計算機的應用已很成熟,多核64位計算機應用也將逐步成為主流。嵌入式系統(tǒng)設計需要較強的軟硬件知識綜合應用能力,因此在計算機硬件課程的教學中應加大相關(guān)新技術(shù)的比例,并根據(jù)實際及時調(diào)整教學內(nèi)容。國外許多知名高校本科專業(yè)的教學內(nèi)容已經(jīng)作了適時調(diào)整,如麻省理工學院非常注重學生的設計能力的培養(yǎng),為此專門開設了“計算機系統(tǒng)設計”課程,要求學生在實踐環(huán)節(jié)中自主設計ALU、單指令周期CPU、多指令周期CPU乃至流水線32位Mips CPU和Cache;斯坦福大學也有相似的課程和實驗環(huán)節(jié);加州大學伯克利分校和楊百翰大學在基于可編程邏輯的超級計算機研制方面也有大量成果。

當前在國內(nèi),案例教學已被越來越多的人所接受,尤其是在一些法學、工商管理類高校已經(jīng)開始廣泛運用。案例教學法是一種動態(tài)的、開放的教學方法,目標是解決學生如何用更有效的方式獲得知識以提高應用能力的問題。案例教學法具有綜合性、交互性、啟發(fā)性、針對性和可操作性等多種特征,它的使用大大縮短了教學理論與實際應用之間的差距,同時對教師的教學觀念產(chǎn)生了重大的影響。鑒于計算機專業(yè)知識與實際應用結(jié)合緊密的特點,教學中尤其適合案例式教學。目前在國內(nèi)計算機課程的教學中,案例教學還處于一個起步階段,主要表現(xiàn)在:案例教學比例不夠,沒有形成完整的體系;案例數(shù)量不足,質(zhì)量欠缺;許多高校盡管重視案例教學的應用,但是在案例的搜集、整理與分析等方面相對滯后;案例陳舊,缺乏代表性等。

2以ISP技術(shù)為主線改革計算機專業(yè)硬件課程教學體系和教學內(nèi)容

計算機本科專業(yè)涉及的硬件教學課程按合理教學順序一般為“數(shù)字邏輯”、“匯編語言程序設計”、“計算機組成原理”、“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”、“微機原理與接口技術(shù)”、“單片機”、“嵌入式系統(tǒng)”等,一些課程可以在時間上重疊,如“數(shù)字邏輯”、“匯編語言程序設計”等。

由于ISP、EDA技術(shù)可以靈活地開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的硬件產(chǎn)品,是目前工程實踐領域和芯片設計領域運用最廣泛也是最有應用前景的技術(shù),因此在計算機硬件課程的教學中應該把相關(guān)技術(shù)列為重要內(nèi)容,即以ISP、SOC技術(shù)為主線,使相關(guān)課程形成一個完整的體系,達到培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的目的。

為了實現(xiàn)這一目標,在“數(shù)字邏輯”課程中,應大幅增加可編程邏輯技術(shù)的比重,重點討論用EDA方法,利用ISP技術(shù)、SOC技術(shù)設計IP核的方法,使學生對相關(guān)技術(shù)的應用及發(fā)展趨勢有一個全面的理解,并具備基本的實踐能力;在“計算機組成原理”課程中增加計算機設計原理和實踐的內(nèi)容,也可考慮再單獨增加一門計算機設計課程以替代目前“計算機組成原理”課程設計,在該課程中重點討論如何采用EDA方法,利用ISP技術(shù)、SOC技術(shù)設計計算機各部件如CPU、Cache等,通過實際應用和實踐進一步加深對相關(guān)技術(shù)的理解和掌握。

在“微機原理與接口技術(shù)”課程可以考慮以16位計算機應用知識入門,以討論32位計算機的應用為重點。相應的,作為“微機原理與接口技術(shù)”課程的先行課程,“匯編語言程序設計”課程也應把相應的內(nèi)容整體提升到32位,考慮到學習過程的先易后難,可以先介紹16位匯編語言程序設計知識作為入門,再對32位匯編語言程序設計相關(guān)內(nèi)容展開。

單片機系統(tǒng)本質(zhì)上也是嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)是針對應用或用戶定制的完整、高效的計算機系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)設計需要較強的操作系統(tǒng)原理、應用程序設計和硬件設計方面知識的綜合應用能力,其中特別是硬件系統(tǒng)設計能力可以通過以上幾門硬件課程的系統(tǒng)學習逐步培養(yǎng),因此相關(guān)課程的教學內(nèi)容應注意銜接,同時遵循先易后難的原則,面向?qū)嶋H應用,以提高動手能力、增強創(chuàng)新意識為目的。

針對實踐教學,目前相關(guān)課程的實驗教學的實驗項目及內(nèi)容固定,大多為驗證性實驗,實驗步驟程式化,許多同學按教學實驗計劃做完實驗,仍然無法充分理解課程的主要內(nèi)容,無法真正擁有教學大綱所要求的動手能力。更重要的是計算機技術(shù)一直處于高速發(fā)展中,高等院校的計算機教學理應不斷地適應這種要求,相關(guān)的實驗教學應適時地調(diào)整教學內(nèi)容。解決問題的一個好思路是利用ISP、SOC技術(shù)開發(fā)出一種內(nèi)容可定制的硬件課程教學實驗平臺,由于作為控制對象的外圍電路是相同或相近的,可以設計為通用模塊,而實驗平臺控制部分則可以利用可編程邏輯改變,以適應不同的課程。如控制部分設計為基本CPU即可做“計算機組成原理”課程的相關(guān)實驗;控制部分設計為單片機即可做“單片機”課程的相關(guān)實驗;甚至控制部分可以設計為個人計算機CPU,配合有關(guān)的接口電路,即可做“微機原理與接口技術(shù)”課程的相關(guān)實驗等。

在我院的計算機本科專業(yè)相關(guān)硬件課程教學實踐中,我們已作出了一些有益的探索,如我院“數(shù)字邏輯”教學大綱已在近年作過相應調(diào)整,EDA技術(shù)、可編程技術(shù)的理論和實踐教學內(nèi)容的比例從原來的20%增加到60%以上,經(jīng)過多年的建設,“數(shù)字邏輯”課程在今年被評定為“湖北省精品課程”;在“計算機組成原理”課程中引入利用ISP技術(shù)設計CPU軟核等教學和實踐內(nèi)容;“匯編語言程序設計”、“微機原理與接口技術(shù)”課程中也增加了32位計算機相關(guān)內(nèi)容的學習和討論,新的實驗設備可以進行32位的相關(guān)實驗等,這些安排增強了學生的學習興趣,學生學習的主動性也明顯提高了。

3采用案例教學法作為計算機專業(yè)硬件課程教學的主要方法

案例教學法是一種事半功倍的教學方法,在教學過程中圍繞事先精選的典型的、具有工程背景的實際案例進行討論,可以為同學們模擬實際應用的場景,獲得近似于實戰(zhàn)的經(jīng)驗。為完成設計目標,同學們自然會自己主動學習,在這一過程中掌握知識,并學會應用知識,提高解決問題的能力;也能通過用不同的途徑解決問題,培養(yǎng)創(chuàng)新意識。這樣教師在授課中可以把精力集中于教學內(nèi)容的總體把握上,而不需要過分在知識細節(jié)上消耗時間,提高了教學效率。

案例教學法關(guān)鍵在于選擇合適的案例,案例首先必須有代表性和實時性,必須是實踐中的典型應用實例。在實踐中應用的幾率高,具有普遍意義,這樣的實例在教學過程中值得花費精力討論和設計,才是有意義的。同樣重要的是案例需具有實際工程背景,學生可以面對具體的實際問題和特定的環(huán)境,有針對性地通過自主學習和思考進行設計,培養(yǎng)實際解決問題的能力。

案例還應該形成相對固定的案例集,并具備一定的開放性,應定期對案例集進行評估,剔除一些過時的案例,增加一些新的典型應用實例。這樣就保證了案例的典型性、實時性及工程背景。

在教學實踐中,我們把案例教學法作為主要方法,并把案例分為4類:一是問題評論型,給出問題和解決問題的方案,讓學生去評價;二是分析實現(xiàn)型,不給出解決方案,要求學生討論分析以提出方案;三是實際模擬型,是指在教學過程中依據(jù)教學內(nèi)容,讓學生分別充當不同的角色,進行模擬性的實踐活動;四是發(fā)展開放型,通過案例發(fā)現(xiàn)新的理論生長點,討論相關(guān)理論的發(fā)展趨勢。我院在相關(guān)課堂教學中采用的部分案例如表1所示。

在“數(shù)字邏輯”、“計算機組成原理”等課程的重點章節(jié)教學中,我們通過采用上述案例法,調(diào)動學生成為積極參與者,而不是消極被動的聽眾,在案例學習和討論中,鼓勵學生提出更多解決問題的辦法,在課堂上營造出積極發(fā)表意見和爭論的氣氛。這樣提高了學生的學習興趣,教學效果有明顯改善,學生的動手能力有了顯著增強。教學改革后前后數(shù)據(jù)比較如表2所示。

4總結(jié)

為實現(xiàn)面向?qū)嶋H應用提高學生動手能力、增強創(chuàng)新意識、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才、確定完整合理的計算機本科專業(yè)硬件理論教學和實踐教學體系的目的,我們提出了以ISP技術(shù)為主線的計算機專業(yè)硬件課程教學改革方案。它的主要內(nèi)容為兩方面:一是調(diào)整現(xiàn)有教學體系和教學內(nèi)容,如在“數(shù)字邏輯”、“計算機組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”、“嵌入式系統(tǒng)設計”等課程中以“數(shù)字邏輯”課程為先導,以ISP、SOC技術(shù)為主線貫穿于各相關(guān)課程教學過程中;在“匯編語言程序設計”、“微機原理與接口技術(shù)”等課程中把主要內(nèi)容全面提升到32位等。二是在教學中運用案例法,使學生成為教學活動的主體,形成學生自主學習、合作學習、研究性學習和探索性學習的開放型學習氛圍。充分發(fā)揮案例教學有利于提高學生分析問題和解決實際問題的能力、有利于促使學生學會學習、有利于促使學生學會溝通與合作的優(yōu)勢。

實踐表明以ISP技術(shù)為主線的計算機專業(yè)硬件課程教學改革,符合國家高等質(zhì)量工程建設中培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的規(guī)劃,有效地增強了學生的動手能力和創(chuàng)新意識。我們也意識到計算機工程教學是一個復雜的過程,牽涉到許多方面,我們將在實踐中探索教學規(guī)律,不斷提高教學水平,進一步改善教學效果。

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Exploration and Practice of Innovative Training Model Related to Computer Engineering

GAO Xiao-qing

(College of Computer Science, Wuhan University of Science and Engineering, Wuhan 430073, China)

Abstract: The main problems in the teaching of computer engineering are analyzed. In order to enhance awareness of innovation of students, some effective methods are proposed to improve teaching quality. One is to reform the curriculum system of computer hardware taking the ISP technology as the key line of it; the other is to using Instances teaching as main teaching means. Practice shows that the exploration and practice in improving the practical ability of students to enhance their sense of innovation to meet the new situation fostering innovative talent has made good results.

Key words: the ISP technology; curriculum system; quality project; innovative consciousness; instances teaching