计算机硬件教学内容的体系结构研究.doc

计算机硬件教学内容的体系结构研究刘 超，敬志强，胡全连（江西师范大学计算机信息工程学院，江西南昌，330022）摘要：教学内容是知识体系与课程体系之间的桥梁，设计教学内容的体系结构是制订教学计划的基础，教学内容的执行是教学管理的主要环节。以系统科学的理论与方法为指导，在充分认识计算机硬件教学内容中存在问题的基础上，依据一般高等院校计算机科学与技术及其相关专业的培养目标，分析了计算机硬件知识体系的结构及其构建的方法，提出了设计计算机硬件教学内容的基本思想，设计了计算机硬件教学内容的体系结构，阐明了计算机硬件教学内容之间的层次关系。关键词：计算机硬件；教学内容；知识体系；设计；构建The System Structure Studiesof the Teaching Content on Computer HardwareLIU Chao，Jing Zhi Qiang，HU Quan lian(College of computer Information and Engineering JNU, Nanchang 330022, China)Abstract：The teaching content is a bridge between the knowledge system and the course system,The system structure of designing the teaching content is the basis of drawing the teaching program,and its implement is the main tache of teaching administering. On the basis of fully recognizing the existing problem of the teaching content of computer hardware and its knowledge system characteristics,taking the theory and method of system science as guid,and according as the computer science and technology and its cultivating aim of relating speciality on commonly high acaderny,this paper analyzes the knowledge system of computer hardware and its constructing method,put forward the basis thinking of its teaching content.In addition,it also designed the system structure of its the teaching content,and summarizes the arrangement relationship between its the teching content.Key words: computer hardware；the teaching content；the knowledge system；designing；constructing0 引言教学內容是影响培养目标实现与教学质量的关键因素之一，如何设计教学內容的体系结构是教学改革的一个重要问题。传统的思想是由培养目标决定课程类别和课程体系，通过课程体系来框定教学內容，这必然会导致教学內容重复、系统性差等问题的出现，难以使学生的知识构成一个完整的、层次有序的知识体系。随着科学技术的发展、“知识的爆炸”， 教学內容的体系结构设计应由培养目标来构建出一个完整的、层次有序知识体系的结构，根据知识体系的结构来设计教学內容的体系结构，才能有效地优化教学內容，使教学內容科学合理。1 计算机硬件教学内容中存在的问题目前计算机硬件的本科教学中，尽管硬件课程的设置己与欧美等计算机发达国家基本接轨，但基金项目：江西省教学改革研究项目计算机硬件教学内容体系结构的研究（编号：20059542）作者简介：刘超（1963），男，江西瑞金，教授，研究方向：计算机系统结构与复杂系统建模仍然存在着许多问题。主要体现在：急功近利的思想而导致重软轻硬的教学12、硬件知识的感观性与直接应用性差使得教学的目标模糊、硬件组成结构的不可见性与CAI课件的模拟仿真性的溃乏难以取得良好的教学效果、硬件实验条件差且实践环节相对缺乏34、滞后且认知性而非设计性的实验设施难以激发学生的学习积极性、硬件学科理论基础课程的缺失而使学生硬件的分析理解能力受到一定限制34等等。但从计算机硬件教学内容来看，则主要存在以下几个方面的问题。1.1 教学内容的重复现象比较严重目前，各高校一般都是根据课程教材来确定教学内容，而教材所涉及到的内容只注重本身的完整性，并不会关注其它教材或课程所涉及到的内容，教材间内容重复现象比较严重，从而导致各课程教学内容的重复性大45。比如：数据信息的编码与表示，在“数字逻辑”、“汇编语言程序设计”和“计算机组成原理”等课程教学中都会进行讲授6 7 8；存储系统与虚拟存储器，在“操作系统”、 “微型计算机原理及其接口技术”、“计算机组成原理”和“计算机系统结构”等课程教学中都会出现891011；等等。1.2 教学内容的系统性不够计算机硬件的知识体系具有很强的系统性和连续性，知识之间关系紧密、层次性强45，这与软件的知识体系不同。硬件知识的关系是基础性的、结构方法性的，软件知识的关系是认知性的、思维性的。比如：没有“数据结构”的知识，对“操作系统”的知识学习不会有太大的影响；但没有“数字逻辑” 的知识，就难以开展“计算机组成原理” 的知识学习；等等。教材的内容往往只注重本身的逻辑性与特殊性，而不会考虑整个计算机硬件技术的系统性构建，不会考虑其它课程对本课程知识的依赖性14。比如：总线、接口和指令系统等在“汇编语言程序设计”中就要涉及到，但它们只有在“计算机组成原理”中才进行全面地论述。教授的内容多是以课程为中心来开展，而不是以计算机硬件系统的整个体系结构为主线，从而导致知识的缺失或弱化，教学内容的重点连续性不强，学生难以完整全面地了解计算机硬件系统的组成、结构及功能。比如：“汇编语言程序设计”往往把重点放在用汇编语言来进行程序设计7，而弱化了认识机器外特性的基础上如何通过指令来连续使用机器；等等。1.3 教学内容过于抽象理论化硬件教学与软件教学不一样，硬件教学要突出硬件“有形”的特点，以“形”加深理解。但计算机硬件知识的可视性与直观性差，教材内容一般与实际联系不够紧密，往往只注重概念性结构而非逻辑性结构，实用性差，从而显得理论性太强1312。比如：在“计算机组成原理”中，除运算器有些逻辑性结构外，存储器、控制器和输入输出系统中的接口一般都是通过概念性结构来论述相应的组成与原理，即使在“接口技术”中涉及到具体的硬件芯片时仍然如此89；等等。为了增加“有形”性，教师一般会通过多媒体课件，利用图形、图像、动画和实物照片等形式来描述，但看到的一般都是芯片外部，看不到芯片内部的逻辑结构，从而显得比较抽象1312。1.4 教学内容的知识相对落后计算机硬件技术发展非常迅猛，虽然计算机硬件的基本原理和工作过程没有太大的变化，但性能得到了极大的提高。提高计算机性能的硬件因素主要有两个：微电子器件和结构组织10。八十年代以前主要依赖于微电子器件，属于微电子技术的范畴；近二十多年主要依赖于结构组织，属于计算机硬件技术的范畴13。而目前多数高校的主要教学内容和现有的教材基本还停留在九十年代初期的水准，基本是以16位的8086 及其系列微处器为主体，而很少涉及64位的Pentium系列的微处理器2314。另外，欧美等国一般以Motorola、Alpha或MIPS等处理器作为对象平台，从技术的先进性上讲，它比Intel系列的微处器要强315；等等。2 计算机硬件知识体系的结构框架学科技术知识体系是高等院校构建教学内容的基础，只有在分析与认识计算机硬件知识体系的基础上，才能科学合理地设计出计算机硬件教学内容的体系结构。2.1 构建计算机硬件知识体系的依据构建计算机硬件知识体系的依据包括培养目标和研究内容两个方面，两者相互相成，相互支撑，共同作用而使计算机硬件知识构成一个完整的体系。培养目标是构建计算机硬件知识体系的基础，其作用在于确定知识体系的界限范围；研究内容是构建计算机硬件知识体系的方法，其作用在于确定知识体系的基本框架。目前计算机硬件知识的教学目标有三个层次，一是为掌握计算机软件与网络知识奠定基础，二是掌握在底层直接使用机器，三是掌握嵌入式系统的设计方法与技术。计算机硬件的研究内容分为分析与设计两个方面，分析包括工作原理和组成结构，设计包括应用编程（底层）和技术方法。2.2 计算机硬件知识体系的结构框架及其实施建构序列随着计算机硬件技术的不断发展，计算机硬件知识体系在不断地扩展，但从体系层次综合来讲，计算机硬件知识体系可分为四个体系、每个体系包含四个实施建构序列，如表一所示。工作原理知识体系应依据“从理论到实现”的思想来建构，它主要包括了“计算机组成原理”和“计算机系统结构”中的有关知识。组成结构知识体系应依据“从部分到整体”的思想来建构，它主要包括了“数字逻辑”、“计算机组成原理”和“计算机系统结构”中的有关知识。编程应用知识体系应依据“从基础到应用”的思想来建构，它主要包括了“汇编语言程序设计”、“ 微型计算机原理及其接口技术”和“计算机系统结构”中的有关知识。技术方法知识体系应依据“从抽象到具体”的思想来建构，它主要包括了“计算机组成原理”、“ 微型计算机原理及其接口技术”和“计算机系统结构”中的有关知识。表一 计算机硬件知识体系的结构及其实施建构序列体系名称建构方法实施建构序列工作原理从理论到实现计算模型 过程驱动 指令执行 操作控制组成结构从部分到整体逻辑元件 逻辑器件 功能部件 机器系统编程应用从基础到应用特性结构 指令系统 汇编语言 应用编程技术方法从抽象到具体功能指令 概念结构 逻辑结构 物理结构3 计算机硬件教学内容的体系结构3.1 计算机硬件教学内容设计的基本思想由于计算机硬件知识之间关系紧密、逻辑性强，教学内容量大、课时又偏少，一般高等院校是以培养基础厚、能力强的技术应用研究人才为目标。因此，必须以“精理论、重技术、强应用、多实践、求创新”为指导思想5，坚持 “四个统一”的基本原则，才能设计出符合人才培养目标、满足知识体系构建、解决存在问题的计算机硬件教学内容。一是先进性与适用性相统一。根据硬件新技术、新产品的不断出现，适时跟踪学科技术发展、更新教学内容是必要的；但作为课程教学，特别是技术基础性课程的教学，更应注重教育教学的规律和特点，保持教学内容的基础性与系统性、教学过程的相对稳定性、硬件技术的兼容性和基本原理的不变性16。二是基础性与应用性相统一。教学内容既要突出基本理论、基本原理和方法技术，也要有利于培养学生应用开发能力、利用计算机硬件技术处理问题的智力思维1416。三是系统性与重点性相统一。教学内容要系统，才有利于构建起完整的计算机硬件知识体系，以培养学生认识问题、分析问题的逻辑思维能力；但不能一概而论，应根据培养目标、指导思想和技术发展，更新教学内容的重点。四是优化性与规律性相统一。教学内容应有时效性，必须不断减少和取消一些陈旧过时的内容，增加新的比较成熟的技术和成果，并补充一些特别有实用价值的知识1216；但也要考虑到教学内容规律性、逻辑性、学科的内涵及联系和人的认知规律1617。3.2 计算机硬件教学内容的体系结构及其分析根据计算机硬件知识体系、教学内容设计的基本思想、教学内容间的逻辑关系，形成了计算机硬件教学内容的体系结构，如图一所示。其中有三个部份的内容与一般教材作了很大的调整。一是计算机及其硬件技术导论包计算机组成概论、总线、接口的基本概念、数据信息的表示及其方法和指令系统及其寻址方式等内容；二是计算机系统结构概论包括计算机系统结构的基本概念、并行性及其实现的技术途径、计算机系统的分类、计算模型及其驱动方式和数据流计算机的原理结构等内容；三是计算机系统结构设计的技术方法包括系统结构设计的基本方法、实现指令级并行的技术方法、指令调度的技术方法、软件可移植性的技术方法、数据表示的优选技术、指令集格式与功能的优选技术和存储保护与检验的技术方法等内容。汇编语言及其程序设计计算机及其硬件技术导论I/O系统及其控制方式逻辑代数与逻辑电路实现基础微处器的体系结构及其指令集逻辑电路及其分析与设计方法控制器及其设计运算器及其设计存储器与主存储器的设计存储系统及其组织技术微机中存储系统的实现微机中中断系统与I/O接口的实现可编程接口芯片及其应用实用的总线与I/O接口计算机系统结构概论系统结构设计的技术方法时间重叠技术互连网络技术指令级高度并行处理机阵列处理机多处理机系统Intel系列高性能微处器的体系结构单片机原理及其应用计算机检测与控制系统嵌入式系统可编程控制器及其应用概念基础层结构原理层物理实现层技术应用层 图1 计算机硬件教学内容的体系结构计算机硬件的教学内容可划分为四个层次，一是作为学科基础的概念基础层，主要内容来自于“数字逻辑”和“汇编语言程序设计”两门课程；二是作为专业主干的结构原理层，主要内容来自于“计算机组成原理”和“计算机系统结构”两门课程；三是作为硬件技术应用基础的物理实现层，主要内容来自于 “计算机系统结构”和“微型计算机原理及其接口技术”两门课程；四是作为硬件技术应用方向的技术应用层，主要内容来自于 “单片机原理及其应用”、“嵌入式系统”、“计算机检测与控制系统”等课程。结束语 依据计算机硬件知识体系及其构建方法设计出的教学内容体系结构及其层次关系，是设置科学课程体系、课程内容和重点的理论基础，是开展课程教学的基本思路。反过来，据此来开展计算机硬件课程的教学，有利于知识体系构建，有利于教学质量的提高，有利于培养目标的实现。参考文献：1 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