計算機(jī)工程創(chuàng)新意識研究

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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(shí)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(yùn)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(yùn)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(shí)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?！皡R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(shí)際應(yīng)用背景，教學(xué)目標(biāo)無法完全實(shí)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(shí)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(shí)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MipsCPU和Cache；斯坦福大學(xué)也有相似的課程和實(shí)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(yùn)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(shí)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(shí)際應(yīng)用結(jié)合緊密的特點(diǎn)，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(shí)踐領(lǐng)域和芯片設(shè)計領(lǐng)域運(yùn)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(shí)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(diǎn)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(shí)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(shí)踐的內(nèi)容，也可考慮再單獨(dú)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(diǎn)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(shí)際應(yīng)用和實(shí)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(diǎn)。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(shí)踐教學(xué)，目前相關(guān)課程的實(shí)驗教學(xué)的實(shí)驗項目及內(nèi)容固定，大多為驗證性實(shí)驗，實(shí)驗步驟程式化，許多同學(xué)按教學(xué)實(shí)驗計劃做完實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)驗設(shè)備可以進(jìn)行32位的相關(guān)實(shí)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(shí)際案例進(jìn)行討論，可以為同學(xué)們模擬實(shí)際應(yīng)用的場景，獲得近似于實(shí)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(shí)時性，必須是實(shí)踐中的典型應(yīng)用實(shí)例。在實(shí)踐中應(yīng)用的幾率高，具有普遍意義，這樣的實(shí)例在教學(xué)過程中值得花費(fèi)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(shí)際工程背景，學(xué)生可以面對具體的實(shí)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(shí)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(shí)例。這樣就保證了案例的典型性、實(shí)時性及工程背景。在教學(xué)實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)，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(diǎn)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)。

4總結(jié)

為實(shí)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(shí)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(yùn)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(shí)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(shí)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(shí)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。