“計算機硬件技術基礎”課程教學改革

張 昱，徐 彬，李 封

(東北大學 計算中心，遼寧 沈陽110819)

“計算機硬件技術基礎”(以下簡稱“硬件技術”)是各高校面向非電類理工科專業開設的計算機基礎課程，學生受眾極廣。這門課程主要依托8086 處理器講授計算機的系統結構和匯編語言程序設計，具有理論性強、概念抽象以及知識點繁雜等特點。所以，從教學的角度上看，該課程是屬于偏難的一類課程。本文嘗試針對目前課程教學中普遍存在的問題作一梳理，并探討課程改革之道。

1 目前存在的問題

筆者經過多年的“硬件技術”教學，發現目前該課程教學過程中存在著很多問題。

(1)教學內容組織不合理。比如將8086 的結構放在前面章節講解，學生會感到理解起來十分吃力，因為此時學生對于硬件尚無任何概念，便直接講授系統結構，效果可想而知。所以，重新梳理教學內容，使學生更好地掌握理解所學知識十分必要。

(2)教學及考核方式不合理。由于課本中的很多知識點均已過時，學生掌握了這些知識并不能有效地運用到實際中去。應該教給學生的是方法，而不是死知識。所以無論是教學方式還是課程考核方式都應該改革。

(3)實驗環節設置不合理?！坝布夹g”課程本身是一門實踐性很強的課程，但是由于課程講授的CPU 以8086 為主，并且很多高校并不具備硬件實驗條件，造成目前的“硬件技術”實驗基本以匯編語言程序設計和簡單的接口芯片程序編寫為主，少數高校雖擁有實驗箱等實驗設備，但實驗效果一般。所以改變目前的實驗設置尤其必要。

2 課程理論部分改革

2.1 課程組織

“硬件技術”課程目前的內容組織已經沿襲了很多年，從“硬件基礎知識”、“8086 基本結構”再到“匯編語言設計”、“典型接口芯片”，各校對該課程的組織基本大同小異。這種組織方式的優點是前后有序，基本可以保證學習新的內容前學生已學習了必需的預備知識。然而現實情況是學生在學習該課程之前只接觸過“計算機基礎”或“程序設計”等少數計算機課程，硬件基礎知識儲備薄弱，學習難度較大。此外，目前的“硬件技術”內容無法與實際相聯系，學生學習完本門課程之后，無論是匯編語言程序設計還是硬件設計，都不知道應用在何處。

解決這一問題的辦法是改革課程的內容組織，做到精簡內容，突出實用［1］。我們大膽地摒棄了那些相對獨立且面臨或已被淘汰的技術知識點，突出一些現在仍在應用的知識。如在存儲器一章中，有關存儲器的擴展知識雖然在之前的教學中一直處于較為重要的地位，但是由于現今的硬件設計中早已不再有存儲器擴展的需求，所以此類知識點應該放在自學范圍內，不必精講。而像定時器等現在仍在廣泛使用的接口芯片，應著重講述其原理知識，除了教材中的8253 定時器，應多介紹現階段廣泛使用的一些定時器芯片的用法，不應使學生拘泥于一種芯片的使用。

2.2 教學組織

“硬件技術”課程的課堂教學組織也需要進一步改革，應從傳統的理論教學逐步轉向應用教學。教師在課上，不應以講授理論知識為主，而是教會學生如何應用知識。要做到這一點，必須在教學設計上以應用任務作為驅動，采用實例教學，不應過度追求面面俱到的知識講述。

以匯編語言程序設計為例，教師在講授時可以不按部就班講授匯編指令，而是直接以某個應用任務為驅動，講解一個完整的匯編程序，遇到新的指令再對其進行深入講解，這有助于學生更好地理解匯編指令及其應用。

2.3 計算思維的應用

計算思維最早見于文獻［2］，該文指出:“計算思維不僅僅屬于計算機科學家，這種思維在不久的將來應成為每一個人的基本技能”。近年來，隨著計算思維在計算機教育界的普及，越來越多的基于計算思維的教學思想和方法應用到了計算機硬件教學中，其中層次化、模塊化的思想是最貼近計算機硬件課程的計算思維方法。無論是匯編語言程序設計還是計算機系統結構的學習，都離不開層次化、結構化的設計思想。因此，教師在教學活動中應該盡力對學生進行這種思想的啟發。例如，在匯編程序設計中，教師可以安排一個較為大型的綜合類程序設計，并由教師劃分好模塊，分配給不同的學生編寫，最終由學生進行統一的整合調試。學生在此類練習中會潛移默化地接受這種設計思想，有助于其更好地理解所學知識。

2.4 課程考核

以往的“硬件技術”課程考核均以筆試為主，近年來也有不少高校嘗試以機試方式進行考核，但考核的內容基本不變。筆者發現，現有的硬件考試題庫均是針對計算機專業學生設置的，對非電類專業學生而言題目過難，由此造成硬件課程的通過率很低。實際上，針對非電類專業學生開設硬件課程的真正意義在于使學生通過學習此課程能夠掌握一種思維方法并進行規范的實踐訓練，最終能應用其專業解決相關領域的問題。因此，“硬件技術”課程的考核也應以考核學生的應用能力為主，而不應拘泥于考查知識點的掌握程度。筆者在近年來的教學中多次采用知識點考查和應用能力考查相結合的方法，取得了較好的效果。

應用能力考查可貫穿于課程教學的始終，教師可在課后布置一些設計類任務給學生完成，任務可由一個小組共同完成。教師對所有的任務進行評分以記錄成績，并針對完成度高的作品進行點評。學生收到這樣的反饋后會在后續的任務中更加用心，持續鍛煉他們解決問題的能力和團隊合作精神，并同時強化了模塊化的設計思想。

3 課程實踐部分改革

3.1 軟件仿真輔助教學

“硬件技術”課程的很多知識比較抽象，學生難于理解。例如，學習輸入輸出與接口技術時會要求學生用匯編語言對接口芯片進行初始化，可是即使學生編寫出了正確的程序也無法驗證結果是否正確。針對非電類專業學生來說，很難配備專業的實驗箱輔助教學。我們的課程教學團隊經過多年的實踐，采用了用軟件仿真來模擬硬件的輔助教學模式，極大地提高了學生的學習積極性。

我們主要采用兩款模擬仿真軟件:一款是8086模擬器EMU8086 用于匯編語言的編輯、匯編和調試，雖然我們也同時講解命令行下的匯編器用法，但是這種IDE 環境使用更加方便，非常適合初學的學生;而電路分析與實物仿真軟件Proteus，可直接支持8086CPU 和其他課程要求的接口芯片的仿真，其Demo 版本提供的8086 仿真電路圖完全可以直接應用到教學中。因此，我們針對該電路進行了多個典型接口芯片的實驗設計［3］。圖1展示了其中一個利用虛擬儀器驗證8253 定時器程序的示例。學生在編寫完程序后可直接進行驗證，這對學生理解接口芯片的應用十分有益。

圖1 8253 定時器仿真示例

3.2 網絡平臺輔助教學

目前，充分利用網絡展開教學方法和教學技術的改革是一個重要的方向。在線學習是一種無監督的自主學習模式，教師通過共享課程，提供在線資源，學習者根據自己的知識基礎和認知習慣，自主選擇內容，完成學習過程?！坝布夹g”課程因其課程特點要完全實現自主學習還比較困難，利用網絡課程平臺來輔助課程的實踐教學是其中的第一步。

我們的課程教學團隊圍繞著在線的課程教學平臺做了大量的工作，包括教學內容的電子化、題庫的建設和作業的管理等。我們在課程資源組織上體現基于任務驅動的教學設計，遵循學習、鞏固、提高的認知規律，將教學過程分解為學習目標、學習、練習、測驗和教學支持等環節，依據此過程分類組織教學資源。此外，教師的作業布置、任務分配和隨堂測試等教學活動均是在網絡教學平臺上完成的。圖2展示了平臺支持的教學模塊。所以，網絡平臺既實現了教學資源的共享，又幫助教師完成了與學生的教學互動，極大地提高了教學的效率。

圖2 計算機硬件技術基礎教學平臺

4 結語

本文介紹了本課程教學團隊在“計算機硬件技術基礎”課程上的一些改革經驗。近三年來，我們不斷總結新的教學方法和教學觀念，核心目的在于使學生能夠通過該課程學習到計算機硬件的設計思想和解決問題的手段。教學實踐表明，遵循著上述的教學改革，學生學習本課程的積極性不斷提高，教學效果穩步提升。

［1］ 陳立剛，徐曉紅.“計算機硬件技術基礎”教學內容改革［J］.南京:電子電子教學學報，2013，35(2):30-32.

［2］ Wing J M. Computational Thinking［J］. Communication of the ACM，2006，49(3):33-35.

［3］ 焦明海等. 計算機硬件技術基礎實驗指導與習題講解(第2版)［M］. 北京:清華大學出版社，2012.