高曉清

摘要:本文分析計算機(jī)工程專業(yè)課程教學(xué)中存在的主要問題,圍繞如何面向?qū)嶋H應(yīng)用、調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、改善教學(xué)方法以及實驗內(nèi)容和方法的創(chuàng)新等教學(xué)中的關(guān)鍵因素進(jìn)行了研究,提出行之有效的提高教學(xué)質(zhì)量的方法,即以ISP技術(shù)為主線改革計算機(jī)專業(yè)硬件課程教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容;采用案例教學(xué)法作為計算機(jī)專業(yè)硬件課程教學(xué)的主要方法。實踐表明這些探索與實踐在提高學(xué)生的動手能力、增強(qiáng)創(chuàng)新意識以適應(yīng)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(xué)法

中圖分類號:G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

隨著計算機(jī)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(yīng)用,但目前許多高等院校計算機(jī)硬件課程的教學(xué)內(nèi)容與實際脫節(jié),教學(xué)體系設(shè)置和教學(xué)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(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)中,普遍存在重視計算機(jī)軟件方面知識的學(xué)習(xí)和培養(yǎng),忽視對計算機(jī)硬件方面知識的學(xué)習(xí)和實踐,特別是在硬件工程方面,學(xué)生得到的訓(xùn)練更少,培養(yǎng)學(xué)生的實際能力更無從談起;盡管目前許多硬件課程的設(shè)置與歐美等計算機(jī)技術(shù)發(fā)達(dá)國家的課程設(shè)置接近,但教學(xué)知識體系、內(nèi)容及教學(xué)方法等有許多需要斟酌的地方,教學(xué)內(nèi)容無法適應(yīng)時代的需求,有些與現(xiàn)實嚴(yán)重脫離,學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高,學(xué)習(xí)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(xué)生的動手能力、增強(qiáng)創(chuàng)新意識,為我國轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新性國家打下基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)這一目標(biāo),有必要對高等教育課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行改革,以適應(yīng)新形勢下培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的需要。由于計算機(jī)領(lǐng)域發(fā)展迅速,各種新技術(shù)和方法不斷涌現(xiàn),計算機(jī)專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法更應(yīng)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(jī)本科專業(yè)涉及的硬件教學(xué)課程主要有“數(shù)字邏輯”、“匯編語言程序設(shè)計”、“計算機(jī)組成原理”、“計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”、“單片機(jī)”、“嵌入式系統(tǒng)”等,在新形勢下部分課程內(nèi)容設(shè)置顯得不夠合理,部分教學(xué)內(nèi)容與實際應(yīng)用脫節(jié),影響了教學(xué)效果,無法完全滿足教學(xué)大綱中要求的動手能力培養(yǎng),更無法有效培養(yǎng)同學(xué)們的創(chuàng)新意識。

目前,作為計算機(jī)教學(xué)重要專業(yè)基礎(chǔ)課程的“數(shù)字邏輯”,要求學(xué)生掌握組合邏輯、時序邏輯電路的分析和設(shè)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(yīng)目前應(yīng)用的需要;作為專業(yè)主干課程的“計算機(jī)組成原理”、“計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”,主要內(nèi)容是討論計算機(jī)的結(jié)構(gòu)、各功能部件原理及設(shè)計方法,同時介紹當(dāng)前的新技術(shù)、新方法,目的是讓同學(xué)們熟悉計算機(jī)的結(jié)構(gòu),為以后應(yīng)用和設(shè)計計算機(jī)系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。目前大家普遍采用的教材在部件設(shè)計中討論的方法主要是硬布線邏輯或微程序設(shè)計方法:硬布線邏輯運行速度高,但缺乏靈活性;微程序設(shè)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(jī)組成原理不失為一種較好的選擇,但由于缺乏實際應(yīng)用背景,學(xué)生學(xué)習(xí)興趣受到影響,教學(xué)效果也大打折扣,提高學(xué)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(shè)計”課程也存在類似尷尬,討論以16位個人計算機(jī)為背景的匯編語言程序設(shè)計知識,適合入門和了解基本原理,但與“計算機(jī)組成原理”、“計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程一樣,由于缺乏實際應(yīng)用背景,教學(xué)目標(biāo)無法完全實現(xiàn)。

隨著電子設(shè)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(jī)的應(yīng)用已很成熟,多核64位計算機(jī)應(yīng)用也將逐步成為主流。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計需要較強(qiáng)的軟硬件知識綜合應(yīng)用能力,因此在計算機(jī)硬件課程的教學(xué)中應(yīng)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(xué)內(nèi)容。國外許多知名高校本科專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)作了適時調(diào)整,如麻省理工學(xué)院非常注重學(xué)生的設(shè)計能力的培養(yǎng),為此專門開設(shè)了“計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計”課程,要求學(xué)生在實踐環(huán)節(jié)中自主設(shè)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(xué)也有相似的課程和實驗環(huán)節(jié);加州大學(xué)伯克利分校和楊百翰大學(xué)在基于可編程邏輯的超級計算機(jī)研制方面也有大量成果。

當(dāng)前在國內(nèi),案例教學(xué)已被越來越多的人所接受,尤其是在一些法學(xué)、工商管理類高校已經(jīng)開始廣泛運用。案例教學(xué)法是一種動態(tài)的、開放的教學(xué)方法,目標(biāo)是解決學(xué)生如何用更有效的方式獲得知識以提高應(yīng)用能力的問題。案例教學(xué)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(xué)理論與實際應(yīng)用之間的差距,同時對教師的教學(xué)觀念產(chǎn)生了重大的影響。鑒于計算機(jī)專業(yè)知識與實際應(yīng)用結(jié)合緊密的特點,教學(xué)中尤其適合案例式教學(xué)。目前在國內(nèi)計算機(jī)課程的教學(xué)中,案例教學(xué)還處于一個起步階段,主要表現(xiàn)在:案例教學(xué)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(xué)的應(yīng)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(jī)專業(yè)硬件課程教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容

計算機(jī)本科專業(yè)涉及的硬件教學(xué)課程按合理教學(xué)順序一般為“數(shù)字邏輯”、“匯編語言程序設(shè)計”、“計算機(jī)組成原理”、“計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”、“單片機(jī)”、“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(shè)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(lǐng)域和芯片設(shè)計領(lǐng)域運用最廣泛也是最有應(yīng)用前景的技術(shù),因此在計算機(jī)硬件課程的教學(xué)中應(yīng)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(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的目的。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo),在“數(shù)字邏輯”課程中,應(yīng)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(shè)計IP核的方法,使學(xué)生對相關(guān)技術(shù)的應(yīng)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(jī)組成原理”課程中增加計算機(jī)設(shè)計原理和實踐的內(nèi)容,也可考慮再單獨增加一門計算機(jī)設(shè)計課程以替代目前“計算機(jī)組成原理”課程設(shè)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(shè)計計算機(jī)各部件如CPU、Cache等,通過實際應(yīng)用和實踐進(jìn)一步加深對相關(guān)技術(shù)的理解和掌握。

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

單片機(jī)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(yīng)用或用戶定制的完整、高效的計算機(jī)系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)設(shè)計需要較強(qiáng)的操作系統(tǒng)原理、應(yīng)用程序設(shè)計和硬件設(shè)計方面知識的綜合應(yīng)用能力,其中特別是硬件系統(tǒng)設(shè)計能力可以通過以上幾門硬件課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)逐步培養(yǎng),因此相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)注意銜接,同時遵循先易后難的原則,面向?qū)嶋H應(yīng)用,以提高動手能力、增強(qiáng)創(chuàng)新意識為目的。

針對實踐教學(xué),目前相關(guān)課程的實驗教學(xué)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(xué)按教學(xué)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(xué)大綱所要求的動手能力。更重要的是計算機(jī)技術(shù)一直處于高速發(fā)展中,高等院校的計算機(jī)教學(xué)理應(yīng)不斷地適應(yīng)這種要求,相關(guān)的實驗教學(xué)應(yīng)適時地調(diào)整教學(xué)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(xué)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(shè)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(yīng)不同的課程。如控制部分設(shè)計為基本CPU即可做“計算機(jī)組成原理”課程的相關(guān)實驗;控制部分設(shè)計為單片機(jī)即可做“單片機(jī)”課程的相關(guān)實驗;甚至控制部分可以設(shè)計為個人計算機(jī)CPU,配合有關(guān)的接口電路,即可做“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程的相關(guān)實驗等。

在我院的計算機(jī)本科專業(yè)相關(guān)硬件課程教學(xué)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(xué)大綱已在近年作過相應(yīng)調(diào)整,EDA技術(shù)、可編程技術(shù)的理論和實踐教學(xué)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(shè),“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(jī)組成原理”課程中引入利用ISP技術(shù)設(shè)計CPU軟核等教學(xué)和實踐內(nèi)容;“匯編語言程序設(shè)計”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程中也增加了32位計算機(jī)相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)和討論,新的實驗設(shè)備可以進(jìn)行32位的相關(guān)實驗等,這些安排增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性也明顯提高了。

3采用案例教學(xué)法作為計算機(jī)專業(yè)硬件課程教學(xué)的主要方法

案例教學(xué)法是一種事半功倍的教學(xué)方法,在教學(xué)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(jìn)行討論,可以為同學(xué)們模擬實際應(yīng)用的場景,獲得近似于實戰(zhàn)的經(jīng)驗。為完成設(shè)計目標(biāo),同學(xué)們自然會自己主動學(xué)習(xí),在這一過程中掌握知識,并學(xué)會應(yīng)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(xué)內(nèi)容的總體把握上,而不需要過分在知識細(xì)節(jié)上消耗時間,提高了教學(xué)效率。

案例教學(xué)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(yīng)用實例。在實踐中應(yīng)用的幾率高,具有普遍意義,這樣的實例在教學(xué)過程中值得花費精力討論和設(shè)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(xué)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(xué)習(xí)和思考進(jìn)行設(shè)計,培養(yǎng)實際解決問題的能力。

案例還應(yīng)該形成相對固定的案例集,并具備一定的開放性,應(yīng)定期對案例集進(jìn)行評估,剔除一些過時的案例,增加一些新的典型應(yīng)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(xué)實踐中,我們把案例教學(xué)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(xué)生去評價;二是分析實現(xiàn)型,不給出解決方案,要求學(xué)生討論分析以提出方案;三是實際模擬型,是指在教學(xué)過程中依據(jù)教學(xué)內(nèi)容,讓學(xué)生分別充當(dāng)不同的角色,進(jìn)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(xué)中采用的部分案例如表1所示。

在“數(shù)字邏輯”、“計算機(jī)組成原理”等課程的重點章節(jié)教學(xué)中,我們通過采用上述案例法,調(diào)動學(xué)生成為積極參與者,而不是消極被動的聽眾,在案例學(xué)習(xí)和討論中,鼓勵學(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,教學(xué)效果有明顯改善,學(xué)生的動手能力有了顯著增強(qiáng)。教學(xué)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(yīng)用提高學(xué)生動手能力、增強(qiáng)創(chuàng)新意識、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才、確定完整合理的計算機(jī)本科專業(yè)硬件理論教學(xué)和實踐教學(xué)體系的目的,我們提出了以ISP技術(shù)為主線的計算機(jī)專業(yè)硬件課程教學(xué)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(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容,如在“數(shù)字邏輯”、“計算機(jī)組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”、“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計”等課程中以“數(shù)字邏輯”課程為先導(dǎo),以ISP、SOC技術(shù)為主線貫穿于各相關(guān)課程教學(xué)過程中;在“匯編語言程序設(shè)計”、“微機(jī)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(xué)中運用案例法,使學(xué)生成為教學(xué)活動的主體,形成學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)和探索性學(xué)習(xí)的開放型學(xué)習(xí)氛圍。充分發(fā)揮案例教學(xué)有利于提高學(xué)生分析問題和解決實際問題的能力、有利于促使學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)、有利于促使學(xué)生學(xué)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(jī)專業(yè)硬件課程教學(xué)改革,符合國家高等質(zhì)量工程建設(shè)中培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的規(guī)劃,有效地增強(qiáng)了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識。我們也意識到計算機(jī)工程教學(xué)是一個復(fù)雜的過程,牽涉到許多方面,我們將在實踐中探索教學(xué)規(guī)律,不斷提高教學(xué)水平,進(jìn)一步改善教學(xué)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