計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)硬件課程教學(xué)改革與實(shí)踐

墻威　曹蕙

摘要：分析目前的教學(xué)現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外高校相關(guān)教學(xué)工作，提出以“微機(jī)接口技術(shù)與應(yīng)用”課程作為切入點(diǎn)，在教學(xué)內(nèi)容和方式、實(shí)踐環(huán)節(jié)、課程考核和課外活動(dòng)等方面進(jìn)行教學(xué)改革，探討適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步和學(xué)科均衡發(fā)展的教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)；教學(xué)改革與實(shí)踐；硬件課程教學(xué)；微機(jī)接口技術(shù)與應(yīng)用

0.引言

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)是發(fā)展變化較快的領(lǐng)域之一，這對(duì)于該方向的高等教育產(chǎn)生了重大而深遠(yuǎn)的影響，學(xué)科的內(nèi)涵和外延都在迅速地?cái)U(kuò)大。目前已有的課程體系已經(jīng)跟不上技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)法滿(mǎn)足相關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)的需要，這一點(diǎn)在計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)課程的開(kāi)設(shè)和教學(xué)實(shí)踐中表現(xiàn)得尤為突出。隨著嵌入式技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，軟硬件融合和軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)日益成為未來(lái)計(jì)算機(jī)發(fā)展的重要方向之一。然而，在目前計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的本科生教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，往往強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的算法設(shè)計(jì)和程序開(kāi)發(fā)能力，對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用卻沒(méi)有給予足夠的重視。從長(zhǎng)期看，這不僅不利于整個(gè)學(xué)科的均衡發(fā)展，也會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)本科畢業(yè)生的就業(yè)產(chǎn)生影響。

1.目前教學(xué)模式中存在的問(wèn)題

在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)中，與計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)的課程主要包括數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、微機(jī)接口技術(shù)與應(yīng)用、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。這些課程包括了計(jì)算機(jī)硬件各個(gè)層面的基礎(chǔ)知識(shí)，而且安排了相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)，對(duì)于本科教學(xué)是十分必要的。但是，隨著計(jì)算機(jī)學(xué)科的發(fā)展，這樣的教學(xué)安排并不能反映技術(shù)進(jìn)步對(duì)于人才培養(yǎng)的要求。雖然在上述專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)過(guò)程中，可以根據(jù)當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展加入新的教學(xué)內(nèi)容，然而這些內(nèi)容往往分散在各門(mén)獨(dú)立的課程中，沒(méi)有形成有機(jī)的整體。在實(shí)踐中，這些專(zhuān)業(yè)課彼此獨(dú)立進(jìn)行教學(xué)，部分課程內(nèi)容重疊，部分課程內(nèi)容被忽略。目前以課程教學(xué)為主，加上實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)的教學(xué)模式也不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性。因此，如何對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)模式進(jìn)行改革，在教學(xué)實(shí)踐中融入最新的技術(shù)進(jìn)步，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，是一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題。

2.教學(xué)改革的切入點(diǎn)

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)硬件課程教學(xué)改革涉及多門(mén)學(xué)科基礎(chǔ)課、專(zhuān)業(yè)主干課和實(shí)踐課程，是一個(gè)十分復(fù)雜的課題。要想一次對(duì)所有課程同步改革，無(wú)疑十分困難，且充滿(mǎn)不確定因素。在計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)的課程中，微機(jī)接口技術(shù)與應(yīng)用是一門(mén)十分重要的專(zhuān)業(yè)主干課，它以數(shù)字邏輯和計(jì)算機(jī)組成原理等課程為先修課程，與匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)相互配合，形成完整的教學(xué)和實(shí)踐體系，為計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及實(shí)際應(yīng)用開(kāi)發(fā)打下基礎(chǔ)。該課程的教學(xué)實(shí)踐不僅可以綜合運(yùn)用前面學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且具有很大的可擴(kuò)展性，可以引入單片機(jī)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)和可編程邏輯器件等內(nèi)容。因此，我們選擇微機(jī)接口技術(shù)與應(yīng)用課程作為切入點(diǎn)，先從這一門(mén)課程人手進(jìn)行教學(xué)改革與實(shí)踐，在此基礎(chǔ)上總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，然后逐步向其他課程推廣。在目前的教學(xué)狀況下，以一門(mén)課程作為切入點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)改革，具有實(shí)施方便、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，避免了在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中，由于涉及因素過(guò)多，難以協(xié)調(diào)，導(dǎo)致具體的教學(xué)改革措施無(wú)法落實(shí)到位。

3.課程教學(xué)現(xiàn)狀

作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)主干課，微機(jī)接口技術(shù)與應(yīng)用課程的開(kāi)設(shè)已經(jīng)有20多年的歷史了。這期間隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，課程內(nèi)容也在不斷發(fā)展變化，使得該課程目前處于一個(gè)相對(duì)尷尬的地位。一方面，隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，微機(jī)系統(tǒng)在工業(yè)界的應(yīng)用正在減少，針對(duì)微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各種接口標(biāo)準(zhǔn)逐漸退出歷史舞臺(tái)；另一方面，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的發(fā)展要求進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)于學(xué)生在計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)應(yīng)用和軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方面的培養(yǎng)，這就為相關(guān)課程的教學(xué)改革提供了一個(gè)良好的契機(jī)。

目前微機(jī)接口技術(shù)與應(yīng)用課程的主要內(nèi)容包括：總線(xiàn)與接口標(biāo)準(zhǔn)、I/O端口地址譯碼技術(shù)、定時(shí)/計(jì)數(shù)技術(shù)、直接存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)、中斷技術(shù)、存儲(chǔ)器接口、并行接口、串行接口、人機(jī)交互設(shè)備接口等。這些內(nèi)容基本覆蓋了當(dāng)前微機(jī)接口技術(shù)的各個(gè)方面，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他接口奠定了基礎(chǔ)，但是這樣的課程安排也存在諸多問(wèn)題。第一，課程內(nèi)容中無(wú)法反映出計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的最新發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用?？紤]到單片機(jī)雖然是一個(gè)較老的技術(shù)，但由于使用簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定和價(jià)格非常便宜等優(yōu)點(diǎn)，仍然廣泛應(yīng)用在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，同時(shí)，以ARM等處理器為核心的嵌入式設(shè)備正日益成為當(dāng)前的主流技術(shù)，可編程邏輯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用，這些內(nèi)容在目前的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)硬件課程體系中都沒(méi)有得到很好的反映。第二，教學(xué)內(nèi)容與先修課程存在重疊的情形。例如，總線(xiàn)接口標(biāo)準(zhǔn)、存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)方式等內(nèi)容已經(jīng)包括在計(jì)算機(jī)組成原理課程中，雖然教學(xué)的側(cè)重點(diǎn)有所不同，但重復(fù)的內(nèi)容無(wú)疑會(huì)占用寶貴的學(xué)時(shí)，降低學(xué)生的興趣。第三，部分教學(xué)內(nèi)容在先修課程中被忽略了，在后續(xù)課程中也沒(méi)有得到很好的體現(xiàn)。例如，在計(jì)算機(jī)組成原理課程中強(qiáng)調(diào)CPU的一般工作原理，而缺少對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中廣泛存在的80x86系列CPU芯片的工作模式和外部特性的講解，這一點(diǎn)尚不及在其他非計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的微機(jī)原理與接口技術(shù)課程，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)微機(jī)接口技術(shù)與應(yīng)用課程時(shí)，存在先修課程的知識(shí)空白，很大程度上影響了教學(xué)效果。

4.教學(xué)改革的思路

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微處理器從8位發(fā)展到64位，單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)和可編程邏輯器件等技術(shù)逐漸成為主流，如何適應(yīng)技術(shù)的進(jìn)步成為教學(xué)改革首要解決的問(wèn)題。在國(guó)內(nèi)，針對(duì)微機(jī)接口技術(shù)與應(yīng)用的課程教學(xué)和實(shí)踐，很多高校都進(jìn)行了有益的探索。根據(jù)從國(guó)家精品課程網(wǎng)獲得的資料，大多數(shù)重點(diǎn)高校都從自身的實(shí)際情況出發(fā)，在以下幾個(gè)方面不斷地對(duì)課程進(jìn)行調(diào)整：第一，采用以32位微處理器為核心的微機(jī)系統(tǒng)和接口技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，在教學(xué)過(guò)程中，跟蹤微處理器技術(shù)的最新發(fā)展，包括64位微處理器、多核處理器和并行編程技術(shù)。第二，在教學(xué)中不再包括單片機(jī)的內(nèi)容，而將其歸人課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)。第三，將以ARM等處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)容加入到現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容中。第四，在課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)中加入可編程邏輯器件的內(nèi)容。這些措施對(duì)于豐富課程教學(xué)的內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力都具有十分重要的意義，并取得了一定成效。然而，由于學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)條件的限制，這些做法在很多高校難以全面推廣，只能根據(jù)具體情況，選擇部分內(nèi)容實(shí)施。

在國(guó)外，由于本科生的培養(yǎng)模式與國(guó)內(nèi)的高等學(xué)校不同，課程設(shè)置也與國(guó)內(nèi)有較大差異。與國(guó)內(nèi)的教學(xué)大綱和課程安排不同，國(guó)外高校的課程設(shè)置更加靈活，特別是在一些著名大學(xué)，沒(méi)有特別細(xì)致的課程劃分，更注重學(xué)生的學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力培養(yǎng)，一門(mén)課程往往包含十分廣泛的內(nèi)容，雖然不過(guò)分關(guān)注于每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，但是強(qiáng)調(diào)對(duì)基本設(shè)計(jì)理念和技術(shù)本質(zhì)的把握。這賦予了教學(xué)極大的靈活性，不僅對(duì)教師的教學(xué)工作提出了很高的要求，也給學(xué)生的自學(xué)留下了廣闊的空間。麻省理工學(xué)院開(kāi)設(shè)的相關(guān)課程包括Principles of Compeer Systems和Introductory Digital Systems Laboratory，主要包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本工作原理的介紹，以及數(shù)字系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)。加州理工學(xué)院開(kāi)設(shè)課程Principles of Microprocessor Systems，著重講解微處理器系統(tǒng)的基本原理，把技術(shù)細(xì)節(jié)和學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)放到與之相關(guān)的實(shí)驗(yàn)Microprocessor Systems Laboratory和課程設(shè)計(jì)Microprocessor Proiect Laboratory中。哈佛大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)專(zhuān)業(yè)不僅開(kāi)設(shè)了Computing Hardware和Compeer Architecture課程，其中包括計(jì)算機(jī)硬件和體系結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)，而且還開(kāi)設(shè)了大規(guī)模集成電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程Design of VLSI Circuits and Systems，這為國(guó)內(nèi)的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)硬件課程教學(xué)改革與實(shí)踐提供了參照。

5.教學(xué)改革的實(shí)施

針對(duì)上述提出的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)硬件課程教學(xué)改革思路，選取微機(jī)接口技術(shù)與應(yīng)用作為教學(xué)改革的切入點(diǎn)，結(jié)合目前課程教學(xué)的實(shí)際情況，改革具體措施包括教學(xué)內(nèi)容和方式、實(shí)踐環(huán)節(jié)、課程考核和課外活動(dòng)等方面。

5.1教學(xué)內(nèi)容和方式

我們將課程教學(xué)內(nèi)容和方式分為4種不同的類(lèi)型：第一，按傳統(tǒng)方式教學(xué)的部分，主要針對(duì)貫穿整個(gè)課程的基本概念和設(shè)計(jì)思想，以及典型的接口芯片實(shí)例，內(nèi)容包括總線(xiàn)與接口標(biāo)準(zhǔn)、I/O端口地址譯碼技術(shù)、ARM系列嵌入式微處理器簡(jiǎn)介。第二，采用學(xué)生自學(xué)和課堂討論的方式進(jìn)行教學(xué)的部分，主要針對(duì)重要的接口芯片及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)，內(nèi)容包括定時(shí)/計(jì)數(shù)技術(shù)、中斷技術(shù)、并行接口、串行接口等。第三，布置學(xué)生自學(xué)的重要內(nèi)容，這些內(nèi)容對(duì)于理解計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)思想和接口技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用都具有重要的意義，學(xué)生在一些先修的課程中已經(jīng)有所了解，內(nèi)容包括80x86系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)資源軟接口、直接存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)、存儲(chǔ)器接口、人機(jī)交互設(shè)備接口等。第四，在實(shí)踐環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)的內(nèi)容，這些內(nèi)容實(shí)踐性強(qiáng)，不占用課堂教學(xué)時(shí)間，留給學(xué)生自學(xué)并完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容包括D/A和A/D轉(zhuǎn)換接口等。對(duì)于課堂討論的內(nèi)容，預(yù)先布置討論的題目，在課堂上檢驗(yàn)學(xué)生自學(xué)的效果，對(duì)于學(xué)生自學(xué)的內(nèi)容，以作業(yè)和報(bào)告的形式督促學(xué)生完成。

5.2實(shí)踐環(huán)節(jié)

教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)包括實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)一些具體的接口芯片的應(yīng)用，內(nèi)容包括I/o端口地址譯碼、掃描式鍵盤(pán)、數(shù)碼LED顯示、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、D/A和A/D轉(zhuǎn)換等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，具體實(shí)驗(yàn)方案可以由學(xué)生自主設(shè)計(jì)，并以個(gè)人或小組為單位進(jìn)行演示。課程設(shè)計(jì)考查學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，注重培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。布置給學(xué)生若干不同難度系數(shù)的題目，學(xué)生按照自愿的原則形成設(shè)計(jì)小組，根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇設(shè)計(jì)題目，也可以根據(jù)所學(xué)的知識(shí)自行決定設(shè)計(jì)題目。實(shí)踐環(huán)節(jié)是課程教學(xué)改革與實(shí)踐的重要組成部分，也為學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和充分發(fā)揮創(chuàng)造力提供了機(jī)會(huì)。實(shí)驗(yàn)條件是實(shí)踐環(huán)節(jié)的物質(zhì)保障，主要包括三種類(lèi)型：第一，傳統(tǒng)的可配置綜合實(shí)驗(yàn)箱，主要用于在專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)箱有地址譯碼電路模塊，將實(shí)驗(yàn)箱上的接口芯片地址映射到計(jì)算機(jī)的地址譯碼系統(tǒng)，通過(guò)PCI插卡或USB總線(xiàn)與計(jì)算機(jī)連接，就可以直接對(duì)相應(yīng)的接口進(jìn)行讀寫(xiě)操作。第二，虛擬仿真軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)軟件仿真，實(shí)現(xiàn)各種硬件設(shè)計(jì)功能，在實(shí)踐上具有很大的靈活性，不受實(shí)驗(yàn)室條件的限制，而且不會(huì)有設(shè)備損壞、折舊等問(wèn)題的困擾，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，還可以在課堂討論中使用。目前各類(lèi)虛擬仿真軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)很多，常用的工具軟件包括用于單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)仿真的Proteus軟件，以及用于FPGA設(shè)計(jì)和仿真的ModelSim和Quartus II軟件等。第三，獨(dú)立的單片機(jī)/ARM系列嵌入系統(tǒng)/FPGA開(kāi)發(fā)板，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，這類(lèi)獨(dú)立的開(kāi)發(fā)裝置價(jià)格越來(lái)越便宜，市場(chǎng)上還出現(xiàn)了Raspberry Pi等各種類(lèi)型的產(chǎn)品，為計(jì)算機(jī)教育提供了巨大的便利?？梢栽谡n程教學(xué)的開(kāi)始，將課程設(shè)計(jì)任務(wù)布置下去，同時(shí)以小組為單位為學(xué)生提供這類(lèi)開(kāi)發(fā)裝置，讓學(xué)生隨時(shí)有機(jī)會(huì)動(dòng)手實(shí)踐，還可以在課堂上演示設(shè)計(jì)作品。

5.3課程考核

課程考核是教學(xué)改革的重要組成部分，傳統(tǒng)的閉卷考試方式不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性?？梢詫⒄n程考核的成績(jī)分為課堂表現(xiàn)、平時(shí)作業(yè)、實(shí)驗(yàn)完成情況、設(shè)計(jì)作品演示等組成部分，采用加權(quán)平均的方式給出最終的成績(jī)。這樣將學(xué)生的考核成績(jī)與平時(shí)的學(xué)習(xí)表現(xiàn)和設(shè)計(jì)作品的水平聯(lián)系起來(lái)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，避免了在傳統(tǒng)課程考核模式下，學(xué)生考前突擊的學(xué)習(xí)方式。

5.4課外活動(dòng)

在課程教學(xué)結(jié)束后，選出優(yōu)秀的作品，指導(dǎo)有興趣的學(xué)生繼續(xù)開(kāi)展工作?？梢栽谠凶髌返幕A(chǔ)上完善和發(fā)展，也可以根據(jù)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行新的設(shè)計(jì)。對(duì)于創(chuàng)新性強(qiáng)的作品，還可以指導(dǎo)學(xué)生申請(qǐng)專(zhuān)利以及參加包括全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、挑戰(zhàn)杯全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽等各種科技活動(dòng)。在這些活動(dòng)中，學(xué)生可以為自己兩年后的畢業(yè)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備，教師也可以選擇優(yōu)秀的學(xué)生參加到自己的科研工作中來(lái)，形成互利共贏的局面。

6.結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)硬件課程教學(xué)改革是計(jì)算機(jī)學(xué)科快速發(fā)展變化的必然要求。改革成功與否的關(guān)鍵在于能否從學(xué)校和學(xué)生的實(shí)際情況出發(fā)，找到合適的切入點(diǎn)，解決目前教學(xué)工作中存在的問(wèn)題。教學(xué)改革的措施必須具有可行性，從大處著眼，小處人手，創(chuàng)造互利共贏的局面，不能成為教師和學(xué)生的負(fù)擔(dān)。一個(gè)良性循環(huán)的教學(xué)模式，必然使教育者和受教育者都在教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中受益，并且得到發(fā)展和提高。

（編輯：郭田珍）