計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)方法改革的思考

沈澍　李鵬　劉大勇

摘 要：文章針對(duì)“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代計(jì)算機(jī)硬件課程的現(xiàn)狀，分析了該類課程在新時(shí)代所面臨的挑戰(zhàn)，從而提出了必須注重硬件課程相互之間的融通以及硬件課程與其他類別課程的聯(lián)系；同時(shí)要注重加強(qiáng)以參與科研項(xiàng)目和學(xué)科競(jìng)賽為主要形式的課外實(shí)踐訓(xùn)練，關(guān)注學(xué)生硬件與軟件能力協(xié)同發(fā)展的觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)+；計(jì)算機(jī)硬件課程；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2017）07-0045-02

隨著中國社會(huì)進(jìn)入“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，在“萬眾創(chuàng)業(yè)，大眾創(chuàng)新”的大環(huán)境下，IT領(lǐng)域中各項(xiàng)新興技術(shù)層出不窮，例如應(yīng)用于各領(lǐng)域的智能電子設(shè)備、可穿戴設(shè)備、人工智能等。這些新興技術(shù)又都與計(jì)算機(jī)硬件緊密聯(lián)系，于是社會(huì)對(duì)當(dāng)前的計(jì)算機(jī)硬件類專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了新要求。以人工智能為例，國家發(fā)改委、科技部等幾部門聯(lián)合發(fā)布的《“互聯(lián)網(wǎng)+”人工智能三年行動(dòng)實(shí)施方案》中明確提出，“培養(yǎng)發(fā)展人工智能新興產(chǎn)業(yè)”、“推進(jìn)重點(diǎn)領(lǐng)域智能產(chǎn)品創(chuàng)新”和“提升終端產(chǎn)品智能化水平”等三點(diǎn)目標(biāo)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)方案實(shí)施的關(guān)鍵是大量的“互聯(lián)網(wǎng)+人工智能”專業(yè)人才。由此可見，時(shí)代的發(fā)展方向正要求對(duì)計(jì)算機(jī)硬件課程進(jìn)行調(diào)整，勢(shì)必會(huì)引領(lǐng)計(jì)算機(jī)的軟硬件課程的協(xié)同發(fā)展，開展新一輪的計(jì)算機(jī)教學(xué)內(nèi)容的整合和教學(xué)方法的改革。

一、計(jì)算機(jī)硬件類課程現(xiàn)狀

（一）計(jì)算機(jī)硬件課程設(shè)置現(xiàn)狀

從計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生的培養(yǎng)計(jì)劃可見，軟件類課程仍占據(jù)主導(dǎo)地位，而硬件類課程則相對(duì)較少。筆者以南京郵電大學(xué)信息類各專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃為例，將與計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)的課程整理在表1當(dāng)中。根據(jù)各專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃的具體要求不同，課程會(huì)放在不同學(xué)期進(jìn)行授課。

表1 計(jì)算機(jī)硬件類課程的設(shè)置

（二）計(jì)算機(jī)專業(yè)現(xiàn)有培養(yǎng)模式的特點(diǎn)

通過長期對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生在教學(xué)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中的表現(xiàn)的調(diào)查和研究[1-3]，筆者發(fā)現(xiàn)“欺軟怕硬”的現(xiàn)象很普遍。所謂“欺軟怕硬”，是指學(xué)生對(duì)軟件類課程的學(xué)習(xí)熱情和掌握情況要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于硬件類課程。由此形成了學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)選題時(shí)對(duì)軟件類題目趨之若鶩，而硬件類題目則無人問津的局面。通過與學(xué)生的交流和教學(xué)過程中的思考，同時(shí)借鑒了相關(guān)文獻(xiàn)的研究經(jīng)驗(yàn)[4-5]，筆者認(rèn)為目前的局面是由現(xiàn)有的培養(yǎng)模式?jīng)Q定的，其特點(diǎn)可以總結(jié)如下。

1.想法可以快速實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證，因此大多數(shù)學(xué)生更喜歡軟件。2.相較于軟件類課程，硬件類課程內(nèi)容顯得較枯燥。3.不同的硬件課程采用不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不便于學(xué)生貫通式地掌握系統(tǒng)化知識(shí)。4.硬件類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)際開發(fā)有較大區(qū)別，實(shí)驗(yàn)技能往往無法直接用于實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)。5.教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法為教師的科研項(xiàng)目提供支撐，教師將科研與教學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的熱情不高。6.實(shí)驗(yàn)室人員需要花費(fèi)大量時(shí)間維護(hù)各種硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

二、“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代計(jì)算機(jī)硬件課程面臨的挑戰(zhàn)

“互聯(lián)網(wǎng)+”是將互聯(lián)網(wǎng)作為當(dāng)前信息化發(fā)展的核心特征，提取出來，并與工業(yè)、商業(yè)、金融業(yè)等服務(wù)業(yè)全面融合。其核心是創(chuàng)新，只有創(chuàng)新才能讓這個(gè)“+”真正有價(jià)值、有意義。在分析了目前市場(chǎng)上的各種“互聯(lián)網(wǎng)+智能硬件”后，筆者認(rèn)為對(duì)計(jì)算機(jī)硬件課程發(fā)展的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

（一）個(gè)體化向網(wǎng)絡(luò)化的轉(zhuǎn)變

目前的計(jì)算機(jī)硬件課程基本都是面向個(gè)體化設(shè)備的，無論是“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”課程中側(cè)重對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)，還是“計(jì)算機(jī)組成原理”課程中著重于運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、指令系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)和組成，抑或是“微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)”課程中關(guān)注的CPU工作原理和常用外設(shè)與主機(jī)的連接方法等，無一例外是在單一設(shè)備上進(jìn)行。而“互聯(lián)網(wǎng)+”所倚重的物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)則需要網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備進(jìn)行分布式的協(xié)同工作。這是傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件課程在教學(xué)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中比較欠缺的。

（二）功能化向智能化的轉(zhuǎn)變

學(xué)習(xí)了計(jì)算機(jī)硬件課程后，學(xué)生大多能熟悉和了解對(duì)于實(shí)現(xiàn)特定功能的硬件系統(tǒng)的開發(fā)流程。但是目前的“互聯(lián)網(wǎng)+智能硬件”已經(jīng)不僅僅局限于實(shí)現(xiàn)某個(gè)或某幾個(gè)簡單的功能，而是更多地強(qiáng)調(diào)可以進(jìn)行“隨機(jī)應(yīng)變”的智能化屬性，這就要求學(xué)生不僅要學(xué)好硬件類課程，還需要對(duì)人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、云計(jì)算等相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)有廣泛的涉獵。

（三）低成本至高性價(jià)比的轉(zhuǎn)變

在以往的硬件開發(fā)中，特別是在對(duì)價(jià)格較敏感的某些應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)者往往更重視對(duì)硬件成本的控制。隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，各芯片及相關(guān)的外設(shè)和傳感器的價(jià)格不斷降低，如今人們對(duì)成本的要求已經(jīng)不像以往那么嚴(yán)苛了，人們往往更注重性能或者說是性價(jià)比的提升。目前的硬件課程中介紹的芯片大都是很久以前的產(chǎn)品，如何使課程與時(shí)俱進(jìn)是課程改革中需要關(guān)注的問題。

三、計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)方法改革的策略

（一）注重課程間的聯(lián)系與融通

課程之間的聯(lián)系其一是指計(jì)算機(jī)硬件課程之間的，其二是指硬件類課程與其他類課程的。首先來看計(jì)算機(jī)硬件課程之間的聯(lián)系，這里仍以表1中所列的幾門課程為例。前文已經(jīng)提及這幾門課程的側(cè)重點(diǎn)不同，但是各課程的主要內(nèi)容又互為依托，是學(xué)習(xí)其他課程的有效載體。如果學(xué)生能夠先學(xué)好其中的一門課，那么對(duì)后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)會(huì)有很大幫助，達(dá)到事半功倍的效果。另外，假設(shè)教師能夠?qū)@幾門課程中的核心內(nèi)容進(jìn)行一定的梳理并加以整合，不僅可以節(jié)約出一定的課時(shí)，還可幫助學(xué)生理清楚各門課程之間的關(guān)系，有針對(duì)性地進(jìn)行學(xué)習(xí)。其次來看硬件課程與其他類課程之間的聯(lián)系。在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，硬件類課程與軟件類課程、網(wǎng)絡(luò)類的課程的聯(lián)系必然越發(fā)緊密。比如，在“匯編語言程序設(shè)計(jì)”課程中，因?yàn)閷W(xué)生已經(jīng)有了“高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)”和“算法”課程的編程基礎(chǔ)，所以在該課程中教師才能夠把主要精力放在對(duì)指令集的講解上，通過與高級(jí)語言編程的對(duì)比也有助于學(xué)生理解匯編語言編程的特點(diǎn)。另一個(gè)例子是關(guān)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程與硬件課程的聯(lián)系，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)里位于下三層通信子網(wǎng)的路由器等硬件設(shè)備，本質(zhì)上可以看成是一種具有多輸入輸出端口的專用計(jì)算機(jī)，其結(jié)構(gòu)可以在“計(jì)算機(jī)組成原理”這門課程里得到深入理解。

（二）注重與科研競(jìng)賽的結(jié)合

因?yàn)椤皩?shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，“興趣是最好的老師”，所以合理有效地安排好學(xué)生的課外實(shí)踐活動(dòng)，并制定出適合的成長目標(biāo)是至關(guān)重要的。筆者通過在教學(xué)過程中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大學(xué)生參與課外實(shí)踐的形式主要是參與科研項(xiàng)目和學(xué)科競(jìng)賽。

1.硬件課程與科研項(xiàng)目的結(jié)合。筆者將大學(xué)生可以參與的科研項(xiàng)目分為兩類：一類是以學(xué)生為主導(dǎo)的項(xiàng)目，另一類則是以教師為主導(dǎo)的科研項(xiàng)目。前者最典型的是大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（STITP）。以南京郵電大學(xué)為例，學(xué)校和各學(xué)院對(duì)硬件類的STITP項(xiàng)目格外重視，特別鼓勵(lì)教師和學(xué)生申報(bào)硬件類課題，并且明確規(guī)定了硬件類項(xiàng)目申報(bào)數(shù)必須達(dá)到的最低比例。通過申報(bào)和參加此類項(xiàng)目，學(xué)生可以在教師的指導(dǎo)下自主地進(jìn)行選題、查資料、撰寫申請(qǐng)書、制定研究方案的步驟。由于申請(qǐng)項(xiàng)目是學(xué)生主動(dòng)意愿的體現(xiàn)，所以可以在一定的程度上避免課堂教學(xué)中學(xué)生的被動(dòng)性。后者一般是教師所承擔(dān)的各種科研項(xiàng)目。這些科研項(xiàng)目以教師為主導(dǎo)，而且很多是對(duì)國際或國內(nèi)前沿科研與技術(shù)領(lǐng)域的積極嘗試，對(duì)本科高年級(jí)的某些優(yōu)秀學(xué)生的自我提升會(huì)有非常大的幫助。通過參加這些科研項(xiàng)目，學(xué)生可以拓展視野，鍛煉團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。更重要的是通過完成項(xiàng)目計(jì)劃中的既定目標(biāo)，提高了自信心和求知欲，對(duì)今后的科研或工作是大有裨益的。

2.硬件課程與學(xué)科競(jìng)賽的結(jié)合。大學(xué)生參與實(shí)踐的另外一個(gè)重要形式是參加學(xué)科競(jìng)賽。相較于以“全國大學(xué)生數(shù)模競(jìng)賽”為代表的軟件類競(jìng)賽，硬件類競(jìng)賽也是很豐富的。其中最重要的一項(xiàng)競(jìng)賽便是“全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽”，此外近年來還出現(xiàn)了一些與硬件課程相關(guān)的旨在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的比賽，比如“全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”、“3S杯全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用‘三創(chuàng)大賽”等。根據(jù)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)時(shí)實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)、參與科研項(xiàng)目時(shí)的完成情況，選拔和鼓勵(lì)一部分能力突出的學(xué)生參加競(jìng)賽。在這個(gè)過程中，學(xué)生勢(shì)必要能夠熟練掌握競(jìng)賽涉及的計(jì)算機(jī)硬件類課程的相關(guān)知識(shí)，這樣可以加深對(duì)所學(xué)課程的理解，鍛煉解決實(shí)際問題的綜合能力，從而增加項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。若他們能在競(jìng)賽中取得好成績，還會(huì)對(duì)自身培養(yǎng)科研興趣和增強(qiáng)科研信心有好處。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈澍，韋偉，鄒志強(qiáng).“學(xué)研賽”并重的計(jì)算機(jī)類雙創(chuàng)型人

才培養(yǎng)模式探索[J].計(jì)算機(jī)教育，2016，（7）.

[2]沈澍，鄒志強(qiáng)，劉風(fēng)娟.本科生學(xué)習(xí)導(dǎo)師制的探索與實(shí)踐

[J].黑龍江教育：高教研究與評(píng)估，2016，（2）.

[3]鄒志強(qiáng)，馬玲玲，沈澍.面向計(jì)算機(jī)專業(yè)的遞進(jìn)式實(shí)踐教

學(xué)改革研究[J].計(jì)算機(jī)教育，2015，（13）.

[4]馬漢達(dá)，鮑可進(jìn).計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，（10）.

[5]陳輝，李敬兆，詹林.計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程教學(xué)改革探索

[J].計(jì)算機(jī)教育，2014，（5）.

[責(zé)任編輯 包玉紅]