型人才培养的硬件课程教学

摘 要 ：针对日益严峻的就业形势下如何提升计算机专业毕业生的实践能力和综合素质,分析现有硬件课程相关教学计划的优缺点,提出培养学生的计算机硬件课程相关的实践和创新能力的基本思路,为导向创新型课程教学和实践进行有益探索.

关 键 词 ：计算机硬件技术；教学实践；实验教学；教学改革

0.引言

随着国家信息化步伐的加快和高等教育的发展,社会对于计算机专业人才的需求呈现一种加速增长的态势,各级高校都建立起较为完善的计算机人才的培养体系,社会上的各种培训机构也针对当前社会对于计算机需求的热点问题提供培训服务.但随着计算机行业从业人员的增多,国家对计算机人才的需求不仅体现在数量的增加上,更多体现在质量的提高上.培养具有较高的研究和实践能力的高层次计算机专业人才已经成为许多重点大学计算机专业教育的主要目标,理论与实践并重对建设“研究型”大学,构建创新型社会具有重要意义.

1.现状及问题分析

计算机技术的发展日新月异,计算机专业的学生不仅要掌握系统的计算机基本理论和基本知识,更要掌握最新的软硬件技术,拥有较强的实际动手能力,来满足企业用人单位的岗位技能要求,实现真正意义上的人才培养与岗位需求“零距离”.而要想让学生真正掌握计算机专业知识,达到熟练应用的目的,就必须加强实践环节,努力培养学生的实践能力.

如果教学计划顾此失彼,不能突出专业特色,学生择业难度就会加大.因此,高校计算机专业要想面向企业培养出合格人才就必须改变传统的教学理念,明确并围绕实用型人才的培养目标,调整课程体系结构,注重实践技能的培养,改革旧的教学设置,加大实践环节,重新设置教学计划,加强实验室、实习基地建设,开展校企合作,提高师资队伍整体素质,为完成实用型人才培养制订切实可行的计划,确立人才培养的模式.

汇编语言程序设计是计算机软件技术和硬件技术的接口和桥梁,是高等院校计算机软硬件及应用专业学生需要学习的核心课程之一,它是直接面向CPU的效率最高的语言,也是能够利用计算机所有硬件特性并且能够直接控制硬件的一门语言.在某些场合,只有使用汇编语言才能达到目的,如系统的引导控制、软件的加密与、病毒剖析、代码优化、CPU核心编程、软件疑难问题分析等.然而,由于它的内容十分丰富,知识量大,概念抽象,被认为是一门“教师难教、学生难学”的课程.

微机接口技术是与计算机硬件技术联系最密切的一门课程,掌握微机接口技术能使学生充分了解和运用微机领域内的先进技术,尤其是涉及CPU与外部设备进行的有关控制、传输等的技术.该课程中的Windows操作系统保护模式内容也是操作系统、编译原理等课程的先修知识.但由于该课程与硬件技术联系最密切,而计算机专业的本科生又缺少计算机硬件实践的锻炼,使得学生在学习该课程时普遍反映难度较大,很难完全掌握相关知识,尤其涉及芯片级的硬件技术时,更是难以深入认识.

针对上述课程问题,为提高学生实践能力,加强实验课程建设,结合了汇编语言程序设计和微机接口技术相关知识的实践性课程――汇编与接口课程设计被引入了教学计划.该教学计划试图在这些课程的基础上探索一条提高学生专业实践能力的新道路.

汇编与接口课程设计是计算机类专业本科生的一门必修课,是对汇编语言程序设计、计算机接口技术和计算机组成原理等计算机硬件类必修课程的必要补充和延伸.通过该课程的改革和发展,使学生从硬件类相关课程中学到的知识得以巩固和深化,培养学生对计算机硬件类课程和相关研究方向的兴趣.课程将理论与实践相结合,通过大量与实际应用相关的实验来学习和掌握汇编语言和接口技术等方面的内容.

基于以上情况,以提高学生的实践能力,尤其是与微型计算机硬件相关的实践能力为导向,改变传统的教学模式,激发学生的学习兴趣,培养学生的实践和创新能力,更新教学环节、教学计划和教学设备,设计出新的实践案例是我们的研究重点.

如何通过各种实验手段使学生加深对理论知识的理解,掌握计算机硬件设计和软硬件协同设计的基本方法,训练和培养学生硬件动手能力、创新能力以及认真、严谨的科研作风,提升学生的就业竞争力是计算机专业硬件相关课程需要关注的重点.

2.待解决的问题

如何改变传统的教学模式,激发学生的学习兴趣,培养学生的实践和创新能力,是我们研究的重点.汇编与接口课程设计主要解决以下几个方面的问题.

1）密切跟踪新技术的发展,紧跟当前计算机领域热点问题.

计算机技术及相关的软硬件设计正处于高速发展过程中.然而,由于计算机相关教材中理论的整理、编写和出版的时间滞后性,学生通过书本所学到的理论知识和当前计算机、信息领域所活跃的应用技术有一定的差距.因此,如何紧跟当前的热点问题,使学生在走出校园后能够快速跟上计算机技术发展的节奏是我们要考虑的一个主要问题.

如今,移动互联网技术越来越普及,移动终端和博客、微薄和微信的结合已经成为当今计算机专业学生最大的兴趣所在.在汇编与接口课程设计中,我们将开设相关的实验设计,通过移动通信模块GPRS/3G等实现实验开发板和网络的联接.通过该实验设计,学生不仅可以掌握相关的理论知识,还能掌握底层硬件基础上的实践能力,当学生走上工作岗位后能快速投入到项目中,实现高校和企业的无缝连接.除该实验外,课程设计还将开设更多与当前技术热点相关的实验.

我们还将重点针对实验课程进行课程改革,逐步改变现有的实验环境,以目前主流的嵌入式主板作为硬件实验平台,全面更新实验内容,使所设计的实验都可以在嵌入式主板及外设的框架内实现,同时采用国内独特的实验模式,更贴近目前的实际应用.

2）实现理论与实践的结合.

目前,实验课程所依托的科研团队科研成果丰硕,这些科研成果都是当前最新的技术、方法和理论,如何将这些理论与实践,特别是与实验课程相结合,也是当前教学教改所研究的重点 将科研成果引入到教学实践中,需要处理好经典与现代、理论与实践的关系,既要体现基础性、系统性、兼容性,又要注意与时俱进,还要在满足教学基本要求的前提下,注意把科研成果引入教学与实验,在实践教学中培养学生的实践能力和创新能力,促进实践型、研究型课程的教学改革.

在实施中,需要依托科研项目,注意提取科研中的相关知识点,并引入到教学实验中,提升创新型人才的培养水平.在教学与科研结合方面,课程主讲人所属的教学团队主要由计算机系统结构研究所和计算机存储技术团队教师组成,有很好的结构.主讲教师参加的研究项目中有许多与底层硬件相关,如反汇编逆向分析、程序性能优化、高级语言与汇编语言的混合编程等应用,积累了丰富的汇编语言工程开发经验.我们将注意提取科研中的相关知识点,引入到教学实验中,丰富课程实例,深入浅出地讲解,以便学生更好地理解知识,跟上时代的发展,为学生把知识转化为解决前沿科技问题奠定基础.这必将推动教学质量的进一步提高,为使学生学有所用,把所学知识转化为生产力做出应有贡献.

3）实现学生创新能力的培养.

创新型实验以设计微/小型系统软件及具有应用背景的创新实验为主,培养学生对计算机知识的融会贯通能力,如数据库管理系统设计、全屏幕编辑器设计、读取硬盘序列号、获得远程机器的控制权、硬盘DMA等.

汇编与接口课程设计是一门实践性很强的课程.课程组跟踪计算机软硬件技术的最新发展,对国内外的相关课程教学及实践进行了深入的调研,结合在科研实践中取得的部分成果,开设出一系列具有鲜明应用特色的验证型、综合型和创新型的层次实验,进一步巩固理论教学内容.验证型实验以掌握单元知识为目标,着重训练基础编程能力,如中断程序设计、线程同步、文件管理、高效数据管理系统等.创新型实验以设计具有应用背景的实验为主,培养学生对计算机知识体系的融会贯通能力,如缓冲区溢出实验、读取硬盘序列号、硬盘DMA等.汇编与接口课程设计课程组还开发了嵌入式系统51系列相关的实验设计,使学生在掌握Windows/DOS汇编语言编程技术的同时,掌握51汇编语言及51C语言编程技术.通过这些实践,不仅锻炼了学生的动手能力,也拓宽了学生的视野,为学生进行自主性和创新性实验打下了基础.

按照建构主义教育理论,基于个体的差异性,学生可以按照自己的能力和兴趣选做部分或全部实验,充分发挥了学生的主观能动性.这种强调自主学习的教学过程和方法,有效地促进了学生自我认知的发展和新知建构.通过实践环节,提高了学生的程序设计能力,为学习后续专业课程、设计硬件驱动、性能优化、代码对抗等底层系统级软件程序打下坚实基础,为导向创新型课程进行了有益的探索和实践.

在课程实验过程中,召集部分学有余力、对课程感兴趣的学生组建学习兴趣小组.教师提供一些有一定难度的汇编语言和接口技术相关的开放型课题以及预期的研究成果和目标交予兴趣小组讨论和研究.同时,教师给予积极的指导,培养学生的研究兴趣,并以此带动整个教学班的学习和研究气氛.

课程将会充分发挥学生的想象力,给学生一个创新思维的空间.我们培养的学生将来不仅是计算机的使用者,更是计算机的设计者.在学生能够熟练应用计算机及其相关技术的基础上,让学生充分发挥自己的想象,设计相关实验,给课程注入新的活力,这将锻炼学生的创新思维能力,激发学生自主学习的兴趣.

3.实验实践

重点针对课程的现状,按照本科教学合格评估标准,在现有实验的基础上开发新的综合型、研究型实验项目.按照验证型实验、案例综合型实验和创新型实验这3个层次逐渐培养学生开发与接口技术相关的应用程序和驱动程序的能力.

汇编与接口课程设计实验课程的主要内容可以分为横向和纵向两个方面.

在纵向上,课程的主要内容分为4部分：第1部分是汇编语言程序设计相关实验,包括6个验证性实验和4个设计性实验；第2部分是微机接口技术实验,以TPC-H通用微机实验系统为平台,设计了各种接口芯片实验,包括6个验证性实验、5个设计性实验和4个综合设计性实验；第3部分是汇编语言与接口技术相结合的实验,该部分主要是一些重点体现汇编语言应用于接口技术的实验,共4个实验；第4部分是一些综合性和创新性实验,如与移动互联网技术相关的网络通信实验、GPS定位实验等,共5个综合性实验.

从横向上,课程的主要内容也分为4部分：第1部分基于Pentium的Windows汇编语言程序设计,如数据库管理系统设计、全屏幕编辑器设计、缓冲区溢出实验等,共5个实验；第2部分是基于8086/ARM的16位机的相关实验,如读取硬盘序列号、双机通信等；第3部分是基于嵌入式8951/ARM的汇编实验,如实现A/D、D/A转换、计算器设计、中断控制等实验,该部分包括6个基本实验和1个综合性实验；第4部分是基于895l/ARM的C语言验证试验,该部分是在嵌入式8951/ARM环境下采用c语言实现和汇编语言相同的功能,学生通过编写51汇编语言和实现相同功能的51C语言相比较,找到C语言对应的反汇编码,分析其优劣,从而达到举一反三的效果.

和其他实践课程类似,汇编语言与微机接口技术实验课程是一门实践性很强的课程,只有通过大量的实践,才能够真正达到得心应手的效果,才能够对提高学生的动手能力有所帮助.与目前的其他实践类课程相比,本课程的教学实践力图在以下几个方面有所创新.

1）不同软件系统下的理解和实践能力培养.

由于汇编语言和接口技术本身的特点,学习这些实践技术离不开实际的计算机软件系统.因此,本课程既要兼顾以DOS环境为主的16位模式程序设计,以满足目前大部分控制硬件的程序要求,也要体现时代性,介绍以Windows为主的32位保护模式下的接口技术相关程序设计,授课内容和实验环节能更好地与目前主流计算机系统相吻合.

除此之外,课程设计改革还考虑到在单片机和嵌入式实时操作系统下的汇编语言与接口技术相结合的实践能力培养,给学生以充分的选择余地. 2）不同的CPU架构下的实践能力培养.

众所周知,在CPU方面,Intel系列已经经历了从16位的8086/8088/80286到32位80386/80486/Pentium（II、III、IV）,

直到64位的Itanium.本实践课程的一部分选择当今广为流行的Intel 80X86及Pentium为CPU的微型计算机系统及其兼容机作为硬件平台,另外一部分选择了以8951/ARM为代表的单片机和嵌入式系统作为编程的主要硬件环境,深入学习和实践汇编语言程序设计与接口技术的相关内容.通过895l/ARM/8086/Pentium一系列的汇编语言和接口技术的实践,使学生能够充分了解汇编语言在不同的CPU架构下的编程规范以及掌握汇编语言具有CPU依赖性的特点,使学生在未来的应用中能够快速掌握不同体系、不同架构下的CPU的汇编语言程序设计.

3）更高的着眼点.

目前,很多高校的计算机课程只注重在一些应用层面上对学生进行培养,然而,我们认为计算机科学与技术一级学科本科专业培养目标应该将着眼点放在将学生培养成计算机的设计者而不是计算机的使用者上.

目前,社会上对于计算机专业人才的需求非常旺盛,很多信息类、机械类甚至管理类的学生毕业后都选择了投身于计算机与信息行业.如果我们将培养目标仅仅定位于计算机的合格使用者上,那么计算机科学与技术学科毕业生相比其他专业学科的毕业生毫无专业竞争力.计算机专业的毕业生不仅要会编写程序,还要知道为什么这样编写程序,更要知道计算机底层是如何对这些程序进行编译、解释和执行的.而要了解这些知识,就需要充分地接触、了解和掌握汇编语言和接口技术相关的知识,课程中开设的一些综合性实验在硬件上涉及8951、ARM、8086和Pentium系列CPU,软件上涉及汇编语言、C语言和51C语言,从横向和纵向两个方面加深学生对计算机内部运行机制的理解,对相关课程知识间的融会贯通起到促进作用.同时,实验课程中还需要学生动手连接各种接口芯片的线路,以直观的方式向学生展示计算机程序运行的步骤,充分了解各种接口芯片的工作机制、运行方式等,打通学生从底层硬件技术到顶层软件技术了解计算机的通路,提供了很好的将学生培养成合格计算机设计者的途径.

4.结语

我们的目标是培养计算机学科高水平研究型人才,并以此积极开展实践型学习的教学思想研究,提高教学质量,在教学中体现现代教育思想,符合科学性、先进性和教育教学的普遍规律,恰当运用现代教育技术与方法,建设具有特色和一流教学水平的实践型、创新型课程.通过相关课程的学习,培养学生设计和编制不同体系、不同架构下汇编语言程序的能力；熟悉和掌握时效性要求高、直接控制硬件等与接口技术相关的程序设计基本方法；掌握调试工具,准确分析程序错误,甚至剖析、优化用其他语言书写的可执行程序的关键代码；加深学生对计算机内部运行机制的理解,并对相关课程知识间的融会贯通起到促进作用等.我们的最终目标是根据课程本身的特点,调动学生的自主学习能力,改进教学方法,充实教学内容和实践环节,培养学生灵活运用知识能力,为实现高水平研究型大学培养目标服务.