對(duì)計(jì)算機(jī)工程創(chuàng)新意識(shí)研究

1、對(duì)計(jì)算機(jī)工程創(chuàng)新意識(shí)研究 1現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 大多數(shù)高等院校計(jì)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(jì)”、“計(jì)算機(jī)組成原理”、“計(jì)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(dòng)手能力培養(yǎng),更無法有效培養(yǎng)同學(xué)們的創(chuàng)新意識(shí)。目前,作為計(jì)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(shí)序邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)方法,研究對(duì)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

2、的需要;作為專業(yè)主干課程的“計(jì)算機(jī)組成原理”、“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”,主要內(nèi)容是討論計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)、各功能部件原理及設(shè)計(jì)方法,同時(shí)介紹當(dāng)前的新技術(shù)、新方法,目的是讓同學(xué)們熟悉計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu),為以后應(yīng)用和設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)中討論的方法主要是硬布線邏輯或微程序設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)于理解計(jì)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(dòng)手能力、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)更是無從談起?！皡R編語言程序設(shè)計(jì)”課程也存在類似尷尬,討

3、論以16位個(gè)人計(jì)算機(jī)為背景的匯編語言程序設(shè)計(jì)知識(shí),適合入門和了解基本原理,但與“計(jì)算機(jī)組成原理”、“計(jì)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(jì)自動(dòng)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(gè)人計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已很成熟,多核64位計(jì)算機(jī)應(yīng)用也將逐步成為主流。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要較強(qiáng)的軟硬件知識(shí)綜合應(yīng)用能力,因此在計(jì)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(shí)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(shí)調(diào)整,如麻省理工學(xué)院非常注重學(xué)生的設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng),為此專門開設(shè)了“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程,要求學(xué)生在實(shí)踐環(huán)

4、節(jié)中自主設(shè)計(jì)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(yàn)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(jí)計(jì)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(dòng)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(shí)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(duì)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(shí)對(duì)教師的教學(xué)觀念產(chǎn)生了重大的影響。鑒于計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合緊密的

5、特點(diǎn),教學(xué)中尤其適合案例式教學(xué)。目前在國內(nèi)計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)中,案例教學(xué)還處于一個(gè)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(duì)滯后;案例陳舊,缺乏代表性等。 2以isp技術(shù)為主線改革計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容 計(jì)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(jì)”、“計(jì)算機(jī)組成原理”、“計(jì)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(shí)間上重疊,如“數(shù)字邏輯”、“匯編語言程序設(shè)計(jì)”等。由于isp、eda技術(shù)可

6、以靈活地開發(fā)出具有自主知識(shí)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(jì)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(jì)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(gè)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(jì)ip核的方法,使學(xué)生對(duì)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢有一個(gè)全面的理解,并具備基本的實(shí)踐能力;在“計(jì)算機(jī)組成原理”課程中增加計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)原理和實(shí)踐的內(nèi)容,也可考慮再單獨(dú)增加一門計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)課程以替代目前“計(jì)算機(jī)組成原理”課程設(shè)計(jì),在該課程

7、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(jì)計(jì)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(duì)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(jì)算機(jī)應(yīng)用知識(shí)入門,以討論32位計(jì)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(jì)”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(jì)知識(shí)作為入門,再對(duì)32位匯編語言程序設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)用或用戶定制的完整、高效的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要較強(qiáng)的操作系統(tǒng)原理、應(yīng)用程序設(shè)

8、計(jì)和硬件設(shè)計(jì)方面知識(shí)的綜合應(yīng)用能力,其中特別是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)遵循先易后難的原則,面向?qū)嶋H應(yīng)用,以提高動(dòng)手能力、增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)為目的。針對(duì)實(shí)踐教學(xué),目前相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容固定,大多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)步驟程式化,許多同學(xué)按教學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃做完實(shí)驗(yàn),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(dòng)手能力。更重要的是計(jì)算機(jī)技術(shù)一直處于高速發(fā)展中,高等院校的計(jì)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(yàn)教學(xué)應(yīng)適時(shí)地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。解決問題的一個(gè)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

9、課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),由于作為控制對(duì)象的外圍電路是相同或相近的,可以設(shè)計(jì)為通用模塊,而實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(jì)為基本cpu即可做“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn);控制部分設(shè)計(jì)為單片機(jī)即可做“單片機(jī)”課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn);甚至控制部分可以設(shè)計(jì)為個(gè)人計(jì)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(yàn)等。在我院的計(jì)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

10、在今年被評(píng)定為“湖北省精品課程”;在“計(jì)算機(jī)組成原理”課程中引入利用isp技術(shù)設(shè)計(jì)cpu軟核等教學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容;“匯編語言程序設(shè)計(jì)”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程中也增加了32位計(jì)算機(jī)相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)和討論,新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以進(jìn)行32位的相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(dòng)性也明顯提高了。 3采用案例教學(xué)法作為計(jì)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(yàn)。為完成設(shè)計(jì)目標(biāo),同學(xué)們自然會(huì)自己主動(dòng)學(xué)習(xí),在這一過程中掌握知識(shí),并學(xué)會(huì)應(yīng)用知識(shí),提高解

11、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(shí)。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(shí)細(xì)節(jié)上消耗時(shí)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(shí)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(jì),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(duì)具體的實(shí)際問題和特定的環(huán)境,有針對(duì)性地通過自主學(xué)習(xí)和思考進(jìn)行設(shè)計(jì),培養(yǎng)實(shí)際解決問題的能力。案例還應(yīng)該形成相對(duì)固定的案例集,并具備一定的開放性,應(yīng)定期對(duì)案例集進(jìn)行評(píng)估,剔除一些過時(shí)的案例,增加一些新的典型

12、應(yīng)用實(shí)例。這樣就保證了案例的典型性、實(shí)時(shí)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(píng)論型,給出問題和解決問題的方案,讓學(xué)生去評(píng)價(jià);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(dòng);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(jì)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(dòng)學(xué)生成為積極參與者,而不是消極被動(dòng)的聽眾,在案例學(xué)習(xí)和討論中,鼓勵(lì)學(xué)生提出

13、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(dòng)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(dòng)手能力、增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才、確定完整合理的計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”、“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”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(jì)”、“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(dòng)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)