计算机硬件教学设计篇（1）

一、抛锚式教学法

建构主义教学理论认为，学习者完成对所学知识的意义建构，最好的办法是让学习者到现实环境中去体验。建构主义中的抛锚式教学法，主张课程要建立在有感染力的真实事件或真实问题的基础上，确定这个真实事件或问题被比作“抛锚”。

抛锚式教学法由创设情境、确定问题、自主学习、协作学习、效果评价五个环节组成。

二、抛锚式教学法在计算机硬件系统教学设计中的应用

笔者通过前期分析、教学目标、教学策略、教学过程、教学评价、总结和反思六部分按照前文中提到的抛锚式教学法来设计计算机硬件系统这部分课程。

（一）前期分析

1.学习内容分析

本节课主要讲述计算机硬件系统，主要包括主机系统、输入输出设备，主机内部重要的部件主板、CPU、内存以及各种接口等为本节课的重点。

2.学习者分析

多数学生对计算机的组成有一定的了解，但是对其各部分零件的实物及对应的功能不太清楚，所以将本次课设计成动手实践课，由学生自己打开机箱，通过自学课本、上网查阅资料以及相互讨论的方法来学习本节课的内容。

（二）教学目标

1.知识与技能目标

在动手实践的基础上对计算机硬件系统有直观的认识，主机内部主要认识主板及主板上安装的若干芯片接口卡槽、CPU、内存、各类存储器以及各种总线与接口等，掌握各部分主要功能，实现概念和实物的对接。培养学生通过浏览资源网站，获取信息、加工整理信息能力。

2.过程与方法目标

通过学生交流、师生交流、人机交流等形式，培养学生概括语言表达能力。通过查阅课本、网上搜索资料的过程，锻炼学生独立解决问题的能力和信息素养。

3.情感态度与价值观目标

通过小组协作研究的活动，培养学生合作学习意识、计算思维和研究探索精神。

（三）教学策略

学习方法包括自主学习、合作学习：教学方法运用了建构主义教学方法中的抛锚式教学法：教学资源包括计算机主机若干、网络教学环境。

（四）教学过程

教学过程参考建构主义教学方法中的抛锚式教学法，整个教学过程按照抛锚式教学法创设情境、确定问题、自主学习、协作学习和效果评价五个环节来实施。

1.创设情境

教师活动：利用台式机的主机，给学生们创设一个实践探究的情境；学生活动：观察主机内主要硬件设备，思考各部分功能；设计意图：创设情境，使学习能在和现实情境中发生，激发学生的好奇心和学习兴趣。

2.确定问题

教师活动：分配主机，布置本节课任务：通过自学查阅课本或网上搜索相关资料熟识计算机硬件系统各部分构成及其作用；就近3人结组，小组内竞赛，分别轮流对照主机指出计算机硬件设备的组成各部件的名称与实物的对应，并说出各部件的作用，看谁用时最短；学生活动：按照老师布置的任务开始拆卸主机，认真观察内部组成，积极思考主机内部重要部件、CPU、内存条等重要组件的实物识别等问题：设计意图：此过程中培养了学生动手、观察、思考的能力：学生在情景中主动、积极的接受任务。

3.自主学习

教师活动：维持基本的课堂秩序：学生活动：首先通过自学课本知识进行计算机硬件系统基本构成和主要功能的学习。然后通过在网上查阅相关图片或者视频资料来解决问题；设计意图：培养学生自主学习能力。

4.协助学习

教师活动：维持基本的课堂秩序，对小组内无法解决的问题进行指导答疑；学生活动：对个人仍然存在的疑问进行小组讨论，小组内无法解决的问题找老师答疑；开始小组内竞赛；设计意图：培养学生的语言交流和表达能力。通过不同观点的交锋，加深每个学生对当前问题的理解，最终完成对所学知识的意义建构。

5.效果评价

教师活动：指导学生互评和自评；学生活动：按照学习过程中同学表现进行互评和自评；设计意图：通过自评和互评，帮助学生见贤思齐，见不贤而内自省。

（五）教学评价

计算机硬件教学设计篇（2）

本文中的计算机硬件设备主要是指主机箱内的硬件,该部分教学在中学是一个难点,对初中生尤其如此。如果处理不好,学生会出现以下几种情况:硬件实物与名称对不上、对主要硬件设备的作用和基本组成结构认识模糊。造成这种情况的主要原因如下:

一是跟学生的感性经验有关:随着计算机的普及,虽然现在的中学生已有了更多接触和使用计算机的机会,但同时受各方面条件的限制,只有相当少的学生有自己打开机箱装机的经历,因此对主机箱内的硬件缺乏感性认识。

二是与安全和经济条件的制约有关:绝大多数中学出于对学生安全的考虑,以及学校本身经济条件等的制约,很少能有机会让学生在真实的装机情境中学习该部分内容。

一、本方案的可行性分析

1.什么是虚拟现实技术

虚拟现实技术(Virtual Reality,VR)又称幻境或灵境技术。它是在综合计算机图形学、计算机动画模拟与仿真、传感技术、显示技术等许多计算机学科的基础上发展起来的一种计算机应用新领域,它在用户眼前生成一个虚拟的环境,使人感到像真实存在的一种技术。它有非常优秀的人机交互界面,在军事、医疗、建筑、教育等多个领域都有很好的应用前景。目前,在教育上的应用受到越来越多的关注。

2.虚拟现实技术对教学产生的可能性影响

虚拟现实技术的特征可以表示为3I特征:Immersion (投入)、Interaction(交互性)、Imagination(构想),它对教学产生的可能性影响主要有:

(l)提高学生的学习兴趣:投入(Immersion)是VR系统的核心特点,它使用户投入到由计算机生成的虚拟场景中,让用户在此场景中有“身临其境”之感。根据建构主义的观点,学习是从学习者对感觉经验的选择性注意开始的,学习成功的关键在于主动性,社会性和情景性。虚拟现实技术的“投入”性特点恰恰为学习者提供了一种有利于其知识建构的情景性。因此,在教学中运用虚拟现实技术将能够更好地引起学生的学习兴趣,并有利于加深对问题的认知和理解。

(2)提高学生的学习主动性和有效性:虚拟现实技术“交互性”的特点,指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力,是人机和谐的关键性因素。利用虚拟现实技术来解决教学重点和难点问题,学习者可以根据个人特点选择最佳认知策略,迅速掌握所学知识的精华。虚拟现实的这种自主性是其它媒体形式所无法比拟的。

(3)培养学生的创新思维能力:“构想”是虚拟现实技术的又一特点。它不仅仅是一个用户与终端的接口,而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识,提高感性和理性认识,从而产生新的构思。在新课程改革的背景下,学生创新思维的培养日益受到重视,虚拟现实技术无疑也为培养学生的创新思维能力提供了一个可行的途径。

3.适用于中学教学的虚拟现实技术

目前,实际应用的虚拟现实系统大致分为四类:

(1)沉浸虚拟现实系统:使用头盔显示器把用户的视觉、听觉及其他感觉封闭起来,产生一种身临其境的错觉。

(2)分布式虚拟现实系统:它建立在沉浸虚拟现实系统和分布式交互仿真(distributed interaction simulation)的基础上,多个用户通过计算机网络连接在一起,同时参加一个虚拟空间,共同体验虚拟经历,这就是分布式虚拟现实系统。

(3)增强现实系统:增强现实性的虚拟现实系统不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界,而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受,也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。

(4)桌面虚拟现实系统:也称窗口中的VR,它利用个人计算机和低级工作站进行仿真,将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互,这些外部设备包括鼠标、追踪球、力矩球等。它要求参与者使用输入设备,通过计算机屏幕观察360°范围内的虚拟境界,并可以操纵其中的物体。

前三种虚拟现实技术由于对硬件设备等的要求很高,所以目前运用到中学教学的可行性较低。第四种“桌面虚拟现实系统”的特点是:参与者不能完全沉浸其中,因为它仍会受到一些现实环境的干扰,但由于其成本也相对较低,在个人电脑上就可以实现,因此,已经逐渐在中学教学中得到运用。下文中所提及的虚拟现实主要指的就是这种类型。

二、用桌面虚拟现实技术重构计算机硬件设备教学的比较分析

本文中所指的计算机硬件设备主要是指计算机主机内部的主要硬件,例如:主板、内存条、声卡等。相对于计算机的外设而言,这些平时存放在主机箱内的各“零部件”对绝大多数中学生而言是好奇而又陌生的。

好奇是因为:计算机对大多数孩子而言,是一个高级的“玩具”,相对于软件应用知识,中学生普遍缺少对硬件的了解,因此对新生事物向来就有好奇心的青少年当然对此也不例外。陌生是因为:大多数的中学生虽然过去曾从各种途径或多或少地听说或看到过这些硬件的名称或实物,但对其作用还是知之甚少。因此一旦打开机箱,看到这么多不认识或似曾相识的“零部件”时,难免会心生畏惧,觉得自己还是不能了解它们。因此,该部分内容对初学者来说,是一个难点。该部分的教学如果处理得当,学生会在最初的好奇心的驱动下,逐步发展为自主学习,从而达成学习目标;反之,也很有可能会挫伤学生学习的积极性。下面将分别从传统的处理方法和用虚拟现实技术的处理方法两方面来比较分析。

1.传统的计算机硬件设备教学的难点处理方法

(1)教师边播放硬件资料图片,边讲解

通常做法:教师预先准备一些硬件设备的图片,在上课过程中边播放图片边讲解其名称、作用及其安装方法。

该方法的主要优点:操作难度低、教师在教学过程中可视学生的具体情况选择详讲、略讲等。

该方法的主要缺点:直观性较差,因为学生往往看到的只是硬件设备的某个侧面;对安装方法这样的动态过程的教学,更是很难仅用图片就可以表达清晰。整个学习过程以老师讲授为主,学生缺少学习主动性。

(2)实物展示讲解

通常做法:由于经济条件、安全等多方面因素的限制,绝大多数中学不可能给每位学生配备一台主机作为实验学习之用,甚至只有非常少的学校按小组的方法分给学生主机进行实验学习。通常情况是:教师在讲台上拆开一台计算机主机用于讲解和演示。

该方法的主要优点:直观性强,比图片更能吸引学生,也方便展示设备和演示安装方法。

该方法的主要缺点:后排学生很难看清教师的演示过程。因为缺乏让学生也动手摸一摸、试一试的操作环节,教师实物演示的最终效果也会大打折扣。

(3)播放视频录像

通常的做法:播放一段关于机器组装的视频片段,让学生通过观看该片段来学习各部件的名称和安装方法。

该方法的主要优点:对硬件的安装过程观看得比较清晰。

该方法的主要缺点:这是一种线性结构的交互方式,教学过程预设性强,缺少与学生的互动性。

(4)Flas

通常的做法是:Flas具有动感、交互性强的特点。目前,最常见的是用Flas制作表示计算硬件设备工作原理的动画。

该方法的主要优点:与学生的交互性较强,并且可以设置一些反馈性的文字练习。

该方法的主要缺点:Flash属于二维平面动画,显示的硬件设备只能是某一侧面,不利于学生形成对硬件外观的整体性认识,而且由于二维动画的局限,较难表现硬件的安装过程。

综合上述的具体分析,不难看出用传统的多媒体课件在处理该部分内容时,都或多或少地存在不足,若仅用其中一种多媒体课件很难达到。

2.传统多媒体课件与虚拟现实技术课件的效果比较

与传统媒体课件相比,用虚拟现实技术制作的课件主要有以下两大优点:

(1)具有三维立体效果,且学习者可以按意愿选择观察的角度和侧面,可以远观,也可以近看,更可以进入机箱内部对其结构进行考察,这无疑会极大的调动学习者的积极性和主动性,使其迅速掌握计算机主机内部主要硬件的外观特点及其安装位置,有效提高学习者的学习效率和兴趣。

(2)具有互动性,在学生学习过安装过程后,还可以在电脑屏幕上,进行一次虚拟装机实验,具有很好的反馈与强化作用。

因此,我们可以发现运用虚拟现实技术制作该部分内容的课件,将有其它多媒体课件无法比拟的优势。

三、应用方案设计

1.常见的虚拟现实软件

3D虚拟现实技术是以3D多边形为基础的3D技术,它是实时建模和渲染的结果,有很强的真实性。适合一般中学计算机设施配备情况的3D桌面虚拟现实软件大致有以下几种:

(1)VRML

VRML(Virtual Reality Moduling Language)是虚拟现实建模/造型语言。它可以直接接入互联网以创建3D网页与网站,实现三维动画效果以及基于三维对象的用户交互。由于文件量小,易于网络传输,同样适合在校园网内构建虚拟3D社区。

(2)Viewpoint

Viewpoint由Viewpoint Scene Builder、Viewpoint media publisher、Viewpoint Media Player三个部分组成。用户可以通过鼠标控制,任意旋转、缩放和移动屏幕上的物体。

(3)cult3D

cult3D是近年来被广泛使用的又一个网上三维产品展示软件。它由cult3D Designer、cult3D Exporters和cult3D Viewer组成。它可以通过编程,设置动作演示和交互,同时技术难度也相对较低,因此比较适合本课件的制作。它的程序界面如图1所示:

2.本设计的主要步骤

(1)课件的制作目的

以教学目标为指导,分析课件的具体表现形式和结构,设置虚拟的反馈练习任务,例如:虚拟装机。

课件目的:让学习者在认识各主要硬件的外观和作用的基础上,了解各硬件在主机箱中的安装位置等,并可以进行虚拟装机的反馈性练习。

课件表现形式和结构:需要认识的主要硬件设备有主板、硬盘、内存条、显卡、声卡等。一方面,这些硬件设备都可以通过鼠标和键盘改变观看的视角。另一方面,不仅可以进行装机的动画虚拟演示,还可以进行自己动手的虚拟装机演示,并会对学习者的操作做出即时反馈。

(2)创建模型

按照教学要求,创设主要硬件设备的外形特征(如尺寸、颜色等信息)在3D Studio MAX中建立三维模型,部分设备还要收集图片作为模型的纹理,保存时注意选择能够在cult3D软件中可以导入的格式“.C3D”,必要时还要对模型进行优化处理。

(3)场景制作

在该cult3D软件中导入第二步生成的模型,并对场景进行美化修饰。

(4)设计交互

按第一步的分析结果,在场景内添加交互功能,使其能够符合虚拟装机实验的要求。

(5)集成

计算机硬件教学设计篇（3）

一、当前中职学校计算机硬件教学存在的问题

中职学校计算机原理与数字电路课程作为计算机课程的重要组成部分，对于学生素质的培养是至关重要的。但是从当前的教学课程设置来看，对于这个部分的关注度显然是不够的，特别是硬件相关课程是难点，其大概的原因不外乎以下三点。

1.计算机硬件的技术和设备水平发展异常迅速，导致当前的课程和教材及实验设施都无法跟上其速度。处理器的技术、存贮的技术及网络的发展都是迅速而日新月异的。因而这种快速的发展便造成了期间的关联程度降低。

2.计算机的体系结构体现强系统性，但是相关教学活动却没有与之对应，缺乏足够的实践性和操作性。目前，中职学校的计算机硬件课程大多是以课程大纲要求为标准，而不是以计算机的整个体系结构为主线，因而这种现象亟待改革。

3.计算机科学的教育所针对的对象是需要具备软件和硬件的设计能力的学生，对于软件的掌握，是较容易实现的，但是对于硬件的掌握则是较难的，因而在教学中这个部分的效果很差。并且当前的实验设备大多是由实验箱组成，无法体现出硬件的设计思想。因而对于计算机硬件的充分学习，对于其原理进行掌握，并且结合计算机的硬件技术的发展，学习计算机技术的系统性和实践性，是我们需要着重突破的问题。

二、计算机硬件教学的系统性与实践性

1.推动科学的教材体系建设。当前情况来看，计算机及应用专业的硬件课程面临两个问题。一方面是教材的内容划分混乱，内容严重重复，形成学生重叠学习的情况，一个简单的例子在于微型计算机基本原理的内容几乎频繁出现。另一方面，教材的内容的逻辑性的依据在于依照计算机科学的逻辑来发展，但是没有依照计算机的硬件技术的系统性。应当依据发展的观点分析整个计算机的硬件体系。在计算机的技术发展的阶段里，其计算机的原理和工作过程是变化较小的，但是其硬件设置的性能有巨大变化。一方面是电子元件性能的发展，所谓计算机的发展阶段就是依照电子元件的发展阶段来区分的。另一方面的性能就在于，流水线及各种处理系统的不断完善和完备。计算机的指令系统是计算机硬件技术中不变性，所以其变化性比较微小。

从前文的分析可以知道，有必要按照这个逻辑重新进行计算机硬件课程体系的设置，将课程的开展分为三个层次，前两个层次以基本原理的教学为主，到第三个层次则体现对计算机计算的发展。具体操作来看，可以这样理解：（1）数字逻辑，对于数字逻辑的理解，应当更加突出对于电路设计逻辑的讲解而不是当前的重点关注器件的理解。除了之前的教学内容里有关数字电路的内容之外，还应当增加对于EDA的理解。（2）计算机的基本原理和编程语言的理解。基本原理的内容本身是作为一个先导性的内容，因而其内容的设置以语言的需要为依据，不要过于冗杂，否则便会丧失其简洁性。（3）计算机系统的组成与运作原理。计算机的硬件管理课程主要包括对于计算机的组成部分，比如各个硬件设施的原理，更要突出强调系统的设计。（4）微机的接口和外设，从应用层面，可以给予扩展，并在安排教学计划的时候，可以预留相关的课时。（5）高性能的计算机系统结构。这个部分与计算机的组成与设计是一脉相承的，主要在于计算机的基本组成在性能上的提升，与计算机技术发展的前沿紧密相关，因而要体现在课程教学上。

2.注重课程的内容设计，追求连续性。对计算机的硬件和软件进行设计，是计算机专业的学生所必须具备的能力，中职学校较注重对软件的设计能力的培养，在学校的课程当中较多涉及此部分内容。但是对于硬件部分的教学却显得较为稀少，因而在课程设计部分的改进路径在于，加强对硬件教学的发挥，使得学生真正理解计算机的结构的系统性，并保证相关的设计能力。在教学过程中要较多地针对能力的培养，教导学生对于关键因素的关注，比如时序、频率、干扰等。

根据传统的数字电路一般都是根据集成电路进行装联的，但是根据布线和连线等问题的影响，对于其效果也是千差万别。但是不断发展的EDA实际上解决了上述问题。因而在课程的设计上要适当地加入EDA的内容，特别是ISP的技术大大提高了设计效率。另外，还要传授学生明白软件编程与硬件编程之间的相通之处。所以课程的内容不仅要包括对于单一的软件或者硬件的知识的传授，还要包括软件和硬件互相转化的机制。很多硬件的功能可以通过软件的发展给予替代。因而对于指令和语言及相关的传输系统的设计就显得尤其重要。良好的系统不仅会使得设计的效率大幅度提高，更会使得整个计算机的硬件和软件及辅助系统体现更多的系统性。高度的系统性和实践性正是高性能计算机的固定追求。合理的课程和教学会大大增强学生的创造能力。

三、根据计算机硬件的系统性构建硬件实验室

出于对于计算机硬件的实践性的追求，硬件实验室是必不可少的。这是计算机硬件教学的实践性和系统性的要求。对于计算机硬件实验室的建设来说，首先要考虑的因素在于对于计算机硬件技术的基本原理的不变形，其系统性及技术的渐变发展特性这些因素，与此同时，要兼顾相关的软件程序的配套性。实验室从核心到，从简单到复杂，从单机到多机要同时构建，并且辅助以配套的指令程序系统、微程序及驱动程序的设计。具体而言包括如下几个方面：（1）运算器、微程序控制器、寄存器及指令系统的设计等构造CPU。（2）存储器和相应的数据、地址及控制总线的设计等构造存储系统。（3）外设、接口、中断、DMA及相应的接口驱动程序的设计等构造I/O系统。上述部分是计算机系统的基本组成，后面部分是从指令系统和体系结构等方面提高计算机的整体性，为计算机硬件技术的发展留下扩展的空间。在实验室，学生一方面要完成硬件课程所要求的验证性实验及设计性的课题，另一方面要使学生理解计算机硬件的系统性及性能提升的方法，理解计算机系统的进化史。

四、结语

所谓计算机硬件结构的系统性在于计算机技术发展的基础性资源，对于计算机的硬件教学来讲，要调整思想，坚持对系统性和实践性的追求，不但要使得学生掌握好计算机硬件的基本原理，而且要学会计算机的设计理念。要让学生主动探索计算机技术的发展和研究方法，启发创造性思维并产生良好产品。

参考文献：

计算机硬件教学设计篇（4）

现阶段我国各级院校在计算机硬件教学方面都存在着比较多的问题，从教师的角度来说，过度的强调理论，而忽视了实践，这对计算机专业教学而言，是一种本末倒置的行为，而从学校的角度来说，并没有计算机硬件这一学科，因此安排的课时比较少，聘请的相关教师也不够专业，而从学生的角度来说，并不喜欢这一学科，因此其学习热情并不高，综上原因导致了计算机硬件教学的如今的现状。

1 计算机硬件教学现状

计算机硬件教学是计算机课程中作为重要的教学内容，但是也是教师最容易忽略的教学内容，因此我国的计算机硬件教学现状问题突出，其中体现在以下几点：

1.1 过度强度理论知识

因为计算机硬件主要讲授的是计算机的各个硬件，因此需要学生首先要认识这些各个硬件，之后才能依据其性能特点来学习其与之相关的理论知识，这样能够达到良好的教学效果。但是大部分计算机硬件教师往往都首先进行理论知识的讲解，将大部分时间都分配给理论知识，要求学生死记硬背下相关的硬件理论，这使得学生厌烦心理也越来越强烈，不愿意上这门课。但是实际上，计算机硬件教学应该更多的偏向操作实践，计算机专业的学生的就业能力也主要体现在实践能力方面，因为教师没有注意到这一点，因此很多学生并不懂得基本的的操作，甚至学习的相关理论与计算机硬件无法对应上，这严重影响了学生们的就业前景。

1.2 教学内容没有得到及时的更新

信息化时代，计算机的有关技术更新换代非常快，而计算机硬件教学内容还停留在最初的阶段，或者其更新的速度远远低于技术更新的速度，这为提高学生的能力非常不利。也正是因为如此，计算机硬件教学与现实企业需求才出现了严重的脱节现象，学生毕业之后，进入企业往往需要重新学习，重新培养，这是社会资源的一种严重浪费。同时对于刚刚入职的学生来说，也会对其自信心造成很大影响。除此之外，教学设备也十分落后，难以满足现实的要求。

1.3 课程体系不健全，教学缺乏系统性

计算机技术的系统性较强，是由硬件技术和软件技术构成的庞大系统。在当前的教学中整体缺乏系统性，忽视教学内容和知识之间的有效衔接。一个问题是课程体系不健全，由于师资力量的不足和教学资源不足等特点，存在自身课程体系缺乏特色和忽视学生学习能力和学习特点等问题，存在课程名称种类繁多，但是变动性大，稳定性不强等诸多问题，另一个问题是教学缺乏系统性，计算机硬件技术和软件技术本应是一个完整的系统，知识内容是相互交叉和互补的，但是由于课程体系缺乏系统性，导致这些知识内容缺乏有效衔接，学生无法建立完整的知识体系。在教学过程中由于教学衔接不够，知识点重，缺失现象严重，这些导致了学生对于计算机硬件的结构缺乏完整认识，学生缺乏持续学习的耐性、也缺乏学习的兴趣和积极性。

2 计算机硬件教学水平提高的对策

正是由于计算机硬件教学还存在着比较多的问题，因此教师、学校以及相关部门都有责任采取措施，提高计算机硬件教学水平，以此增加其课堂教学的有效性。针对上述问题，其采取的措施如下：

2.1 注重实践教学

计算机硬件教学的最终目标是通过教学能够提高学生的实践操作能力，对计算机硬件能有一个整体的把握，与此同时，培养学生分析以及解决问题的能力。但是因为现阶段计算机硬件教师并没有将重点放在实践中，因此上述目标并没有完全的实现，为此，教师应该注重实践教学，教师布置作业时，要求学生以实践的方式完成，在学生作任务时，教师可以从旁协助，在适当的时机进行适当的指导，如果学校有条件，教师可以带领学生进行社会实践，进入到企业或者公司中参与实践，这样学生对计算机硬件会有更深入的了解，同时教师也可以根据企业或者公司所需，适当的调整教学内容，以此确保教学与社会需求接轨，这为学生更好的就业提供帮助。

2.2 加强课程体系的建设

积极建设计算机硬件教学的课程体系，能够有效实现教育教学的实用性和创新性。加强课程体系的建设，可以从以下几方面入手：一是选择合适教材。二是加强实践课程的教学。在教学过程中，要将基础知识学习和实践课程学习结合起来，实践教学的内容可分为验证性实践、设计性实践、综合性实践三个方面，验证性实践是根据实验要求和实验步骤开始试验，测试所需数据，并验证数据的合理性和正确性，这是在学习基础知识之后走向实践的第一步，这是学生学习的基础；二是设计性实践，是通过学生通过将所学的基础知识运用到实践过程中，学生自行设计试验方面，形成初步的分析问题和解决问题的能力；三是综合性实践，即学生在炎症性实践、设计性实践的基础上，灵活的运用所学计算机技术创新性的进行学习的过程。

2.3 灵活运用多种教学方法

灵活多样的教学方法能够充分发挥学生的主体作用，有效提升教学质量，因此，在实际的教学过程中要注重运用多种教学方法，使学生较好掌握计算机硬件的知识和技能。一是运用计算机辅助教学。通过运用软件的建模能力，对比真实实物建模建立计算机中主板、硬盘等核心硬件，同时完成内部构造，这样能够方便教师授课，同时方便学生使用，使其真正的服务于计算机教学。二是建立虚拟化计算机硬件课程，教师可以根据学生的能力和水平，设计具有不同层次，不同难度的教学实验，以及综合课程设计，为老师和学生提供一个跨越空间和时间的实验平台，即在基于构件化的虚拟实验室系统中，学生只需实现核心算法的构件即可。

结束语

综上所述，可知信息时代的大背景下，做好计算机硬件理论十分重要，为了达到良好的学习效果，设置该课程的院校，应该构建出一个优良的课程体系，教师应该端正自身的教学态度，为学生做一个好榜样，教师只有认真的教学，学生才能认真学习的可能，虽然我国在计算机硬件教学方面存在一些的问题，有些问题甚至比较严峻，相关院校以及教师应该正视这些问题，采取必要的手段，争取在一段时间内，获得良好的效果。

参考文献

[1]李继灿，郭麦成，沈疆海，张红民.“计算机硬件”教学与教材同步改革的思考[J].高等工程教育研究，2003（3）.

计算机硬件教学设计篇（5）

针对以上问题，我们对大学计算机硬件基础教学作如下探讨：

1、先进的教材

随着计算机硬件技术的飞速发展，计算机硬件的教材也应该是先进的、能反映目前微机领域内硬件新技术、新成就的知识，应该体现出知识性、先进性和系统性。计算机硬件的知识应涵盖目前世界上微机领域内最先进的技术及知识，包括新近出现的技术，像分支转移预测技术、超标题执行技术、微机流水线操作技术、高速缓冲存储器技术、虚拟存储器技术、浮点数据处理技术、高速总路线传输技术等。这些技术为微型计算机提供了卓越的性能，也为计算机软件提供了优质的载体。同时，计算机硬件知识的先进性就表现在启迪学生的想象力、创造力方面，摒弃那些沉旧的、落后的内容，教材内容就紧跟世界计算机技术潮流，给求知欲强的学生以最先进的知识，让学生享受掌握新知识的乐趣。

2、优化相关课程体系的组织

计算机硬件相关课程的设计上，首先以基本原理教学为主，而后的课程中体现计算机技术的发展。数字电子技术，该课程应弱化器件，强化逻辑电路的设计，除了数字电路的基本内容之外，还应加入与EDA有关的内容。微机原理与汇编语言，该课程中微机原理实际上是汇编语言的一个先导内容，其内容的设置应以汇编语言的需要为原则，不必涉及太多，否则会与后面的课程产生交叉。计算机系统设计，该课程主要讲授计算机的基本构成，即CPU、存储系统、输入输出系统、系统总路线等，其中强调的是学生的系统设计能力。微机接口，主要从应用的角度，按照技术的发展进行扩展，在计算机的基本组成上进行性能的提升，内容上与计算机硬件技术的发展前沿紧密衔接，因此在课程上要体现计算机新技术的发展。

3、强化课程设计

计算机教学目的是培养学生软、硬件综合设计的能力。在很多高校，只是注重了学生软件能力的培养，课程设计也能够体现科学性与连续性，而且学生学习兴趣较高，因此软件能力提升较快。因此，在硬件课程的教学上也应保证培养学生的硬件设计能力，使学生深入了解硬件系统的构成及基本原理，透彻掌握相关知识，具备相当的硬件能力。

数字电子技术课程的设计内容是整个课程体系的基础，通过该设计学生能正确且直观地了解硬件设计和软件编程的差别。在硬件设计中需要考虑诸多因素，如时序、频率、干扰等。同时，设计还使学生了解到软硬件的相通之处。汇编语言是使学生掌握计算机最底层的编程方式，直接对存储空间以及寄存器等进行操作，使学生对计算机的存储、运算、控制等功能的实现有着比较透彻且直观的认识。计算机接口与设计体现的是在计算机外部设计的应用，计算机外设是计算机部件的外部扩展，因此它也是计算机系统设计一个必不可少的组成部分，其设计能使学生明确设计的方向，激发学生的创造能力。

4、加强实验教学

对于计算机硬件课程，有着抽象、难以理解的特点，因此通过实验，给学生一个直观的认识就显得尤为重要。因此在课时安排上，计算机硬件技术基础课程应安排1/3左右的实验课时。在验证性实验教学中应着重培养学生以下三种能力：

(1)培养学生的实验能力。要求学生在尽短的时间内掌握各种仪器设备的性能、配置及使用方法，提高独立使用实验设备的能力。通过实验，使学生得以尽快熟悉实验基本原理，操作程序和注意事项，培养学生独立完成实验的实际动手能力。

(2)培养学生的观察能力。观察是思考的前提，是发现问题的必经之路。要求学生在实验的过程中，认真观察实验现象，认真记录实验结果，以便思考实验中遇到的问题，总结实验经验，更好地完成实验报告。

(3)培养学生的思维能力。思维能力是一个人在事业上能否有成就的标志之一。实验就是要培养学生在实验过程中遇到问题，并且自己通过思考解决问题的能力。通过长期的训练，学生就会形成整套的思维方法，为其今后分析问题、解决问题提供一定的基础。

5、结语

计算机硬件结构的系统性是学习计算机硬件技术的基础，在计算机硬件的教学中应始终贯穿系统性的思想，使学生明确硬件学习的发展方向和研究方法，从而能够开发思想，调动学生的创造力，从而成为计算机行业的优秀人才。

计算机硬件教学设计篇（6）

信息系统工程教育论坛我院计算机科学与技术本科专业始建于1987年，历经20年的发展，为油田及相关企事业单位培养了大量的计算机应用人才。“具有良好的科学素养，系统地、较好地掌握计算机科学与技术包括计算机硬件、软件与应用的基本理论、基本知识和基本技能与方法，能在科研部门、教育单位、企业、事业、技术和行政管理部门等单位从事计算机教学、科学研究和应用”是本专业的培养目标。基于这个培养目标，结合目前计算机硬件技术最新发展现状及趋势，提出本硬件系列课改方案。

一、硬件系列课改的目的及意义

当前，计算机在信息社会中充当了重要角色，也是发展最为迅速的一门学科。随着这门学科的不断发展，目前，计算机核心技术愈来愈集中在集成电路芯片设计和软件设计这两项技术中，其中CPU和OS设计技术是最核心的两项技术，特别是高性能计算机技术一直是衡量国家实力的一个重要标志。在硬件系列课程里，培养学生CPU及相关硬件的设计能力，培养学生自主创新并能够设计出拥有自主知识产权的计算机部件的能力，是当前计算机硬件课程重要的改革方向，也是目前社会迫切需要的计算机硬件人才[1]。因此，适应当前计算机硬件技术的发展及社会对计算机硬件人才的需求，及时调整硬件系列课程的培养方向，既有利于学生及时掌握最新的计算机硬件技术，又有利于学生及时把所学知识转化为社会生产力，对扩大我院学生就业，树立我院计算机科学与技术专业学生良好的社会形象意义深远。

二、硬件系列教学的国内外发展现状及趋势

由于我国的制造业比较落后，一直以来，计算机硬件的核心技术未能被国内掌握。相应地，在计算机硬件教学中，像计算机组成和计算机体系结构等重要硬件课程，传统上仅仅以讲授、分析原理为主，且内容不能适应现代计算机技术的发展[2]。国外一些知名大学非常重视计算机硬件的教学，美国的许多高校本科计算机专业中都无一不是安排了CPU设计方面的课程和实验内容。例如麻省理工学院计算机专业的一门相关课程是《计算机系统设计》，学生在实验课中，须自主完成ALU、单指令周期CPU、多指令周期CPU乃至实现流水线32位MIPS CPU和Cache等的设计。Stanford大学计算机系的本科生也有相似的课程和实验。随着计算机硬件技术的不断发展，国内开展硬件设计技术的条件已逐渐成熟，这主要得益于计算机硬件发展中的两个重要技术，一是大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA的成熟，可以在一个芯片中通过编写硬件描述语言设计CPU和全部的相关硬件电路，减轻了硬件芯片间连接的复杂性，同时消除了硬件制造的限制。二是硬件描述语言的成熟，以VHDL和Verilog VHDL语言为代表的硬件描述语言，可以通过编写程序的方式来描述极其复杂的硬件电路逻辑，大大降低了以前采用手工方式设计硬件电路的复杂性。国内的一些知名大学，在最近几年里，也相应地增加了硬件电路设计在教学中的比重，据我们了解，清华大学、电子科技大学、哈工大、哈理工等一些学校，已经修改了计算机组成原理及计算机体系结构等方面的课程教学内容，把利用CPLD/FPGA和硬件描述语言设计CPU及其相关硬件电路作为重要内容加入到课程体系里，取得了良好的教学效果，大大加强了学生对计算机工作原理的理解及计算机硬件的设计能力，逐步实现了与发达国家高校计算机本科教育的接轨。

三、目前我院硬件系列教学现状及不足

计算机科学与技术本科专业硬件系列主要课程设置始于20年前，期间虽经过部分调整，但基本教学内容依然延续20年前的知识体系。按授课先后次序排列，这些课程包括：《数字逻辑与数字电路》、《计算机组成原理》、《数字系统设计自动化》、《计算机体系结构》、《单片机原理及应用》、《嵌入式系统》、《硬件课程设计》等7门。基于当前硬件课程系列教学现状，我们认为存在以下的不足：1.从整体上看，硬件系列教学内容过于强调基本原理和基本方法，缺少能够验证原理、实际实现这些原理及方法的手段，导致学生缺少动手能力，对原理和方法认识模糊，会说不会做的现象比较严重，创新能力较弱。2.《数字逻辑与数字电路》和《数字系统设计自动化》，这两门课之间存在较大的联系，在内容上存在承上启下的关系，前者是讲述数字电路的基本概念、组合及时序电路的传统分析设计方法，后者则介绍组合及时序电路的现代分析设计方法，基于目前的教学实际情况，可以合并成一门课讲述。3.《计算机组成原理》和《计算机体系结构》是计算机科学与技术本科专业非常重要的两门课，通过这两门课的学习，应使学生能够设计简单的CPU及相关的硬件电路，从而加深对基本原理、基本方法的理解，增强实际动手能力。基于现在的教学内容及教学手段还无法达到上述目的。4.《单片机原理及应用》和《嵌入式系统》两门课存在较大的内容交叉。这两门课都是讲述特定计算机在控制及嵌入式产品中的应用，《单片机原理及应用》这门课介绍的是8位机MCS-51的原理，《嵌入式系统》这门课介绍的是32位机ARM的原理，鉴于目前嵌入式领域的发展现状及趋势，建议取消《单片机原理及应用》这门课，以避免课程内容重复。5.《硬件课程设计》作为硬件系列的最后一门硬件设计课，学生已掌握了较丰富的软硬件知识，因此应该具备设计较复杂的硬件电路的能力，目前的设计内容较简单并与《数字逻辑与数字电路》课程实验存在一定交叉，建议选择有一定复杂度并较实用的设计内容。从而培养学生综合运用硬件知识及硬件设计能力。

四、硬件系列教学新课改方案

针对我院计算机科学与技术专业的实际情况，在保证总的硬件教学学时不变的前提下，对硬件系列教学提出如下建议：1.课程合并：《数字系统设计自动化》是计算机组成原理等的先修课，为保证能及时开课，同时该课和《数字逻辑与数字电路》这门课有密切的联系，合并为一门课，仍称为《数字逻辑与数字电路》，并适当增加学时，建议在大二上学期开课，取消《数字系统设计自动化》这门课。2.《计算机组成原理》：这门课改为《计算机组成及设计》，增加CPU及相关硬件电路设计内容，在讲清楚组成原理的基础上，以设计为重点，建议在大二下学期开课。 3.《计算机体系结构》：适当增加设计内容，原学时保持不变，建议在大三上学期开课。4.《单片机原理及应用》：本课程取消，鉴于目前嵌入式系统涉及软硬件知识较多，难以在一门课程中全面系统学习，因此另开设一门《嵌入式软件开发》课程，重点讲述如何设计编写嵌入式软件程序，建议在大三下学期开课。5.《嵌入式系统》：这门课作为《嵌入式软件开发》的先修课，重点讲述嵌入式系统的基本概念及方法、ARM处理器的硬件工作原理、接口、汇编语言等，而相关操作系统及其程序设计等知识暂不涉及，建议在大三上学期开课。6.《硬件课程设计》：在设计题目中，引入嵌入式系统、FPGA及计算机组成等知识，适当增加设计的综合性和复杂性，建议在大四上学期开课。基于新的硬件系列课程体系，能够有效理顺课程之间的先后关系，并把硬件课程均匀分散到大学四年的学习中，同时对重要的课程及相关的知识进行了加强，例如数字电路设计贯穿在整个硬件系列课程中；舍弃了过时的技术，增加了新技术的份量，例如去掉了单片机，加强了嵌入式系统。因此，我们认为：调整后的硬件系列课程是较合理的，它吸收了当前先进的硬件设计技术，保证了知识的实用性，有一定的前瞻性。

五、结束语

高等教育是为学生提供专业技能和生存本领、服务社会的最后一站，教学内容及方法直接关系到学生的未来发展。通过不断教学改革，保持教学的先进性和实用性一直是高教课改的目标之一。通过这次课改，理顺了我院硬件系列课程的教学关系，增强学生未来服务社会的竞争力，因此很有实际意义。

作者:李军 崔旭 李建平 单位:1.东北石油大学 2.大庆市萨东第二小学

计算机硬件教学设计篇（7）

文章编号：1672-5913（2013）03-0050-04

中图分类号：G642

计算机硬件系列实验课程主要从逻辑和应用两个方面对计算机硬件的基本原理、应用方法进行教学，其目的是在学生学习硬件抽象理论的同时，通過教师演示或学生亲自动手实验，直观地验证计算机硬件的基本原理和工作机制，培养学生在应用技能方面的实践创新能力。因此，计算机硬件系列实验课程在高校计算机教学中占据非常重要的位置。

1 问题分析

当前，计算机硬件实验课程教学主要存在以下几个方面的问题：

1）思想上“重软轻硬”。不少学生认为硬件实验课程只是验证计算机硬件的工作原理，对学习软件知识，进行软件开发没有帮助；或者认为硬件实验完成的多少无碍大局，因此在硬件实验课程上缺乏主动性。

2）实验教学内容陈旧。当今计算机硬件技术飞速发展，而硬件理论和实验教材均稍显落后，实验设备老化，实验内容陈旧，很多新理论新技术没有融入到实验课程中。

3）实验课程体系缺乏系统性和科学性的规划。由于计算机硬件实验课程包含了众多的基础知识、基本思想、基本方法，课程之间不仅存在前后衔接的层次关系，而且存在着相互渗透的交叉关系，计算机硬件实验课程之间和课程知识点之间内容衔接比较紧密。但各门课程的任课教师按照教学大纲独立授课，過分强调某一门课的完整性和独立性，忽略了课程之间的内容衔接和整体优化，内容重复的现象时有发生。加之有些课程的先修课并未放到培养计划中，造成前导知识断层，致使学生的硬件知识体系不系统、结构不健全、实验技能不全面，无形中给学生学习计算机硬件课程和软件课程制造了障碍，影响了学生的学习积极性。

4）对创新性实验认识不足。计算机硬件实验不能仅仅停留在通過基础类实验验证计算机硬件的工作原理这一最低要求上，还要通過综合类实验让学生完成一些综合性系统设计，更需要拓展视野，完成一些开创性的设计，培养科学探索精神和素养。

5）实验室的开放程度不高。目前国内多数高校的计算机硬件实验室为限制性集中管理，学生进行集体实验，不能满足学生个人实验需求，实验设备共享和利用程度不高。传统的实验教学存在时间和空间的限制等问题，这些都严重影响了硬件实验课程教学效果的提高和专业人才培养的质量，限制了学生完成硬件实验的能力，降低了实验兴趣。

6）缺乏科学的实验、实训成绩评价方法。计算机硬件实验、实训成绩過度依靠教师现场观察进行打分，导致实验指导教师工作量繁重，实验抄袭现象时有发生，缺乏统一评价标准，降低了考核成绩的公正和客观性。

针对以上问题，计算机教育专家们提出了许多计算机硬件实验课程改革创新性的建议，但多倾向于从某一侧面解决问题。计算机硬件实验教学改革需要统筹规划，兼顾课程体系、实验平台、实践模式和评价方法各个方面。

计算机硬件实验课程的重要性不言而喻，它对于培养学生实际动手能力、工程实践能力及开发创新能力具有特别重要的意义。随着电子技术和社会经济的发展，计算机科学与技术和电子科学技术相互渗透和融合，硬件软件化和软件硬件化日益普遍，尤其是ARM、SoC、SOPC等技术的出现，计算机软、硬件的融合日益显著和成熟，加强计算机硬件实验课程的建设、硬件课程体系新的实验平台的建设显得越来越重要和必要。为了培养创新型人才，有必要对计算机硬件实验课程体系进行更系统、更深层次的教学改革。

2 融合各门计算机硬件实验课程

传统的计算机硬件实验课程的主要任务是验证计算机的工作原理，以配合对应的计算机硬件理论课程，忽略了各实验课程间的融合性，而且课程内的各个实验之间的融合也不够紧密，而技术的发展需要软硬结合、软件硬化或交融。硬件实验课程教学任务不但要学生了解计算机结构、工作原理，而且要掌握计算机维护技术，能用硬件描述语言进行部件及应用系统的设计；结合软件知识，能够设计计算机应用系统。尤其是嵌入式系统的应用日益普及，应用范围迅速扩大，要培养学生综合设计能力。

因此，计算机硬件实验课程群应以“培养应用型、创新型人才，注重计算机实践能力培养”为核心进行建设。按照计算机科学与技术专业培养方案的要求，将课程群中各门课程的授课、讨论、实践、考核、教材等教学环节作为一个整体进行统筹优化，融合各课程的学习内容，形成一个完整的体系。这样就能使学生较容易地理解和掌握课程的重点内容，理解课程间的连续性，使所学的知识形成一个完整的体系。

按照培养方案，对课程群内各课程的安排顺序、授课内容、授课重点、授课计划等按照计算机科学与技术专业培养方案的要求和社会对人才的需求进行调整和整合，形成包含基础层、系统层和应用层的层次化课程体系（如图1所示，其中标*的课程为核心课程）。修订教学大纲，协调各门课程的内容，避免同一内容在多门课程重复讲授；适当引入新概念、新技术；注重课程之间的内容侧重和无缝衔接。

在基础层，讲授模拟电路和数字电路分析与设计，让学生掌握电路的基本知识和现代设计方法，能够设计一般的数字逻辑部件及简单的数字系统。在系统层，让学生掌握现代计算机组成结构、工作原理、实现方式和设计方法，能够再现和设计简单指令系统、CPU和完整的计算机硬件系统。在应用层，让学生掌握计算机应用系统（包括硬件电路、应用软件）设计方法，能够设计实际的嵌入式应用系统。

3 建设共享和开放的计算机硬件实验平台

当前，计算机硬件实验主要通過集体实验来完成。由教师布置，学生准备，在固定时间集中到实验室完成，最后提交实验报告。这种途径不能充分满足学生的个性化实验需求。

此外，一些实验室采用分散预约和集体实验相结合的实验方式，学生可以在任何地点、任何时间通過网络进入实验网站进行预约，提前准备实验内容，写好实验报告的“静态”（实验项目、原理、内容、设备等）部分后，再到实验室开始做实验；在实验過程中完成实验报告的“动态”（实验调试過程、出现的问题、解决方法、实验结果、分析等）部分。这种方式较为灵活，一定程度上提高了实验室的利用率和实验效率，但在实验资源有限的情况下依然不能解决供需矛盾。

近年来，利用多媒体技术、网络技术和虚拟现实技术进行虚拟教学和虚拟实验已经成为业内研究的一个热点。虚拟教学可模拟进行演示、探索、游戏。利用简易型虚拟现实技术表现某些系统（自然、物理、社会）的结构和动态，为学生提供一种可供体验和观测的环境。虚拟实验室概念是由美国弗吉尼亚大学教授William Wolf于1989年首先提出的，它描述了计算机网络化的虚拟实验环境，致力于构筑一个综合不同工具和技术的信息化、网络化的集成环境。在这个环境里，实验员可以非常有效地利用世界上分布的各种数据、信息、仪器设备及人力等资源。利用虚拟现实技术构建基于网络的虚拟实验，将有效缓解很多院校在经费、场地、器材等方面普遍面临的困难和压力，而且开展网上虚拟实验教学能够突破传统实验对“时、空”的限制，无论是学生还是教师，都可以自由地、无顾虑地随时随地上网进入虚拟实验室，操作仪器，进行各种实验，有助于提高实验教学质量。

4 改革创新计算机硬件实验和实训

计算机硬件实验教材中对一些重要原理的有关实验大多是验证性的，即先通過教师演示，然后学生再现计算机硬件各个器件的工作。目前的计算机硬件实验仪器生产厂商多提供这种封闭性实验仪器，虽然利于教学，但是仅支持基础类实验，实验内容固定，实验目的单一，扩展性不足，不利于学生创新能力的培养。

针对以上验证性基础类实验的问题，综合类实验也纳入到了计算机硬件实验模式中。这类实验需要综合多个知识点，对所学内容的综合运用，一般作为考试型或课程设计实验项目安排，目的在于充分发挥学生的潜在能力，拓展思维空间，考查学生运用综合知识，进行规划、设计、组织以及调试运行的能力；也可以作为学生课外开放实验的选题项目，一定程度上满足学生开展课程设计和课外创新实践活动的需要。

对任何一所大学来说，本科教育始终是学校办学的主体和基础。在有条件的大学开展本科生科研，培养本科生的科研意识，鼓励本科生及早进入研究领域，是培养具有实践能力和创新能力的本科人才的一个十分重要的途径。因此，创新成为实践环节的更高要求，其实现途径成为实验模式研究的新课题。

5 建立完善科学的计算机硬件实验成绩评价机制

在高校计算机课程教学過程中，实验成绩是学生实践能力的综合反映，也是一个综合评价问题。在教学实验中如何科学地、合理地判定学生的实验成绩，有效地提高学生的学习主动性和积极性，发现和挖掘学生在教学实验中的潜能是从事实践教学的高校教师所探讨的课题。

计算机硬件实验成绩的评价不同于软件，需要结合具体的实验设备进行考核，其考核形式包括单项实验验收式、实验报告验收式、综合实验考试式等，考核教师的工作量巨大。考核過程中，成绩的评定人为因素较严重，過分依赖于考核教师。另外，实验考核中也存在抄袭现象，仅仅通過实验报告形式考核欠科学公正。因此，计算机硬件实验成绩的考核需要规范化、量化。

为了减轻考核教师的工作负担，可以用“优秀”“良好”“中等”“及格”“不及格”来分等级衡量。等级制成为首选的评定方法。但该评价标准较为模糊，而评价学生实验成绩的因素是多元的，并没有完全客观的标准，通常难以定量衡量。如果直接进行定量分析，如仅给出一个成绩，很难科学合理地反映学生的综合能力及水平，也就难以对其学习进行正确的评价。

指标制则对等级制进一步细化，将考核指标化，如表1所示。

计算机硬件教学设计篇（8）

一、EDA技术的基本特征研究

现代EDA技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力，具有开放式的实际环境以及丰富的元器件模型库等；硬件描述语言输入是EDA系统的主要输入方式，由于现代社会电子系统规模日渐增大，硬件描述语言输入逐步取代了之前传统的原理图输入设计方法，其优势在于能够进行逻辑综合优化，使设计者在比较抽象的层次上对设计的结构和内部特征进行描述。

二、传统计算机硬件设计存在的问题

（一）硬件设备短缺，开发周期较长

早期的计算机由于工作环境、硬件材料等方面因素的影响，随着时间的延长，计算机硬件设备的损耗量相对较大。为了保证计算机硬件设备正常运转，管理人员不得不花费较多的人力、物力和财力进行修复和管理。同时，受当时技术水平的制约，计算机硬件设备的开发周期较长，而对于相关专业的任课教师来说，从理论知识的学习到最终熟练进行知识的讲解，中间还需要经历长时间的计算机硬件设计分析和试验，因此，计算机硬件设备的周期非常漫长。而对于高校的计算机实验室来说，如果坚持与时俱进的进行计算机硬件设备更新换代，虽然能够保证各项计算机教学试验正常开展，但是高频率的计算机硬件设备更新必然会造成较大的经济压力，不利于高校的综合性建设；而如果长时间不进行计算机硬件设备的更新，又起不到教学应有的效果。

（二）硬件与试验脱节且不够系统化

计算机专业的硬件类课程是一门实用性很强的学科，学生不仅要掌握计算机系统设计的基本方法和理论知识，而且要学会计算机系统的设计技术和计算机的控制运用。但是从现阶段高校计算机硬件设计教学来看，许多高校专业教师仍然没有从根本上转变教学方法，课堂理论知识讲解的比重过高，学生独立思考和独立设计的时间偏少，由此导致计算机硬件的理论教学与实践相脱节。除此之外，即便是在教师的带领下开展了计算机硬件实验课程，由于缺乏规范化的组织和系统化的安排，学生的自主动手和实验能力也得不到有效的发挥，多数情况下只能按照教师所讲解的内容进行模仿设计，学生计算机应用能力和硬件设计能力没有得到真正的提高。

（三）教学内容相对固定，缺乏创新性实验

计算机硬件设备的设计要满足与当前社会的发展需要，这就要求其设计理念必须紧跟市场发展形势，不断的进行自我更新和完善。但是作为高校的一门学科，计算机硬件设计要受到多种因素的制约，例如其硬件开发不仅受高校实验室硬件设备的影响，还与实验人员的整体素质有关。而有些高校为了降低计算机硬件设计的开发成本，对某个实验室的设计功能进行了限定，这种方法虽然能够降低硬件设计成本，但是不利于实验室功能的延伸，并且专用实验台的故障率较高，后期投入维修的花费也大。因此，计算机硬件教学内容难以实现与时俱进的更新，缺乏创新意识，是制约其硬件设计的主要根源。

三、基本设计思想和EDA技术

开发利用EDA平台进行计算机系统部件及主机系统设计，其实质是利用运行在计算机上软件所提供的虚拟实验环境，设计人员利用该系统所提供的各种元器件和芯片仿真模型，根据实验需要设计逻辑电路，进行系统布线和调试运行。由于整个实验过程都是在虚拟环境下进行，因此可以反复操作和多参数调控，而不必担心系统设计的成本问题。同时，设计者还能随时进行存档，将当前设计的系统、线路进行保存，并在再次使用时随时调用。在此基础上，可以针对自己设计出的部件及系统进行编译、模拟仿真测试，以验证自己逻辑设计的正确性。课程设计结束后，可以将存储的设计图及结果提交给检查者。使用EDA技术，解决微指令时序控制时逻辑与非门电路比较复杂的问题：时序设计分一个周期完成一条机器指令或是二个周期完成一条机器指令，对于后者，时序控制逻辑就比较复杂。

四、基于EDA技术开展计算机硬件的优势

（一）提高学生自主学习能力，丰富课程内容

EDA技术的优势之一在于其应用范围的广泛性，在电子信息工程专业和计算机技术专业专业领域内，学生都需要进行不同深度的EDA课程学习。同时，EDA技术还是一门辅助教学能力较强的课程，学生在掌握基础的理论知识和熟练的EDA技术操作后，能够为继续进行相关方面的专业学习提供极大便利。例如，EDA技术要求学生动手进行线路设计和按照操作，对于提升学生的动手操作能力和团队合作能力有积极帮助。而今后学生在学习系统编程时，也离不开这两种能力。因此可以说，EDA技术对于丰富学生专业课程内容，提高学生自主学习能力有极大的帮助。

（二）弥补条件的不足，节约课程投入

以往的电子相关课程以理论讲解为主，学生虽然有机会参与到实践操作中，但是许多技术方面的问题得不到及r解决，容易影响下一步的知识学习。而EDA技术则能够在很大程度上避免类似问题：首先，EDA技术以计算机和电子技术为支撑，学生在教师讲解完相关的课堂知识后，能够立即在计算机上完成实践联系，包括设计电路、调整参数、系统运行以及模型分析等。其次，利用计算机上的这些仿真软件，能够随时进行设计修改和多参数调试运行，而不用担心成本问题。而在以往的实验室操作教学中，如果学生操作不当，很容易出现器材损坏、元器件丢失等问题，给实验室造成一定的经济损失。因此，EDA技术的使用，间接的节省了实验开发成本。

参考文献：

计算机硬件教学设计篇（9）

2005年，ACM（美国计算机机械协会）和IEEE/CS（国际电气电子工程师协会计算机学会）联合提交了CC2005，该报告从学术的视角，将计算学科分为计算机科学（CS）、计算机工程（CE）、软件工程（SE）、信息技术（IT）、信息系统（IS）等5个专业学科，并针对本科生的教育，提出相应的知识领域、知识单元和知识点，给出相应的参考教育计划和课程设置[2]。课题组以此为蓝本，结合学院的实际情况，确定了计算机硬件课程体系中的主干课程：（1）电子技术；（2）数字逻辑；（3）汇编语言；（4）计算机组成原理；（5）微机原理与接口。计算机系统结构课程群：（1）单片机原理与嵌入式技术；（2）计算机系统结构；（3）多核程序设计；（4）嵌入式程序设计。

整合课程内容，优化课程体系

课题组在计算机专业硬件课程体系建设的过程中发现，硬件系列课程之间存在着很强的逻辑关系。从知识结构上看，计算机硬件系列课程是构成计算机系统知识中物理结构及体系结构的完整知识模块。从教学角度上看，需要从全局考虑，将其作为一个整体统一安排，而在体系内部，可以按照知识单元和知识点进行更深程度的细化和分类，并逐一整合。这样既可以更好地明确各门课程之间在教学上的协调，又保证了硬件课程体系的整体性和系统性。以“计算机组成原理”这门课程为例。在运算器基本原理部分涉及“数字逻辑”课程中所讲授的组合逻辑电路、时序逻辑电路；在存储系统部分涉及“操作系统”的虚拟存储器的知识；在指令系统部分涉及“汇编语言”的知识；在控制器部分涉及“计算机系统结构”中关于流水线的知识；在I/O系统部分涉及“微机原理与接口”的中断技术的知识。如果不将课程设置方案具体落实到知识点的整合和重组，任课教师就无法把握好教学的重点，学生也不能真正从整体的层次上把握系统的构建和各个部分的设计方法、原则。课题组根据目前的社会需求和学院的实际情况，以课题梯队为核心，重组了计算机硬件系列课程体系，由主讲教师负责组织课程梯队教师的集体研讨，修订教学大纲，对教学及课程实践内容进行定位，对相互重叠、重复、交叉的教学内容进行整合优化之后，基本做到了课程之间的无缝衔接，即前导知识无断层，同时也避免了课程内容重复讲授的现象，形成了一套衔接合理、重点突出、层次分明的课程体系。

加强实践教学，拓展学生能力

围绕计算机专业硬件课程体系，课题组系统地整理了计算机专业硬件课程的内在联系，从实验结构角度出发，整体考虑计算机系统设计和控制应用的要求，设计出阶段性、模块化、系统化、递进层次的实验教学内容。课题组采用EDA技术，就计算机专业硬件实践课程的特点以及EDA技术的优势，改革现有实验方式，结合QuartusⅡ软件，利用VHDL语言和VerilogHDL语言，除完成计算机专业硬件基础课程之外，还支持FP-GA设计（Field-ProgrammableGateArray，现场可编辑门阵列），使计算机专业硬件课程实践教学方式发生质的变化，极大程度地减小了软件系统对硬件系统扩展性的制约，减少了软件系统对硬件系统的依赖，为计算机专业硬件课程体系的建设提供了平台支持，打下了坚实基础。

计算机硬件教学设计篇（10）

计算机硬件类专业人才是计算机行业所需的专业人才类型之一，其主要是培养熟悉计算机内部结构、计算机内部工作原理、操作系统、计算机网络等，具有独立承担计算机硬件的设计、应用的应用型人才，但是长期以来各高校中计算机硬件类专业发展明显落后于软件类专业，在培养目标、课程体系、教师教学等各个环节中都存在着一定的问题，因此有必要对当前计算机硬件类专业人才现状进行分析，以更好地指导实践中人才培养。

1当前各高校计算机硬件类人才培养现状

计算机硬件类人才培养是高校计算机专业人才培养的重要方向2_--，也是适应当前社会发展的现实需要，但是当前各个高校在硬件类人才培养的过程中普遍地存在着一些问题，这些问题的存在也较为严重地影响了硬件类专业人才培养质量的进一步提高，主要表现于以下几点。

1.1培养目标模糊，缺乏特色

高校中培养的计算机专业人才一般分为2类：一类是软件方面的专业人才，主要从事相关的计算机软件开发与维护、程序编写等偏软件人才，如各类软件工程师等。另一类是偏硬件方面的专业人员，主要从事计算机硬件方面的结构、工作原理、计算机硬件方面的设计与开发工作。当前我国高校在计算机硬件类专业人才的培养目标的制定上人才定位模糊，专业特色不明显，在实际的人才培养过程中“广而不精”，学生在硬件方面的专业知识不足，尤其是实际动手能力较差，不能很好地胜任计算机硬件方面的专业工作。

课程设置缺乏科学性和针对性。培养目标的不明确直接导致硬件类专业的课程设置缺乏科学性和针对性，计算机相关专业是一门发展较快的专业门类，其课程体系的设置应时刻紧跟计算机软硬件方面的技术而不断更新和发展，以便更好地服务于专业人才的培养。当前各高校中的计算机硬件类课程体系更多地面向计算机类的相关专业，如软件开发、计算机通信、自动控制等等计算机专业中的各个相关专业，而缺乏专门针对硬件类人才的计算机硬件课程体系的设置，使得硬件类专业的课程体系缺乏针对性和科学性，同时不少高校的硬件类课程内容较为陈旧庞杂，课程与课程之间在知识结构、内容等方面缺乏联系和衔接，没有及时更新现有的硬件类课程内容，课程脉络较为模糊，影响了硬件类人才培养质量。

1.2学生硬件动手能力不足

计算机硬件类专业所学的知识理论性较强，应用范围广，与实践联系十分紧密，因而对学生的实际动手能力要求极高，硬件类专业要培养的就是有较强的硬件设计、开发等方面的实际技能的应用型人才，硬件类专业的人才培养特点决定了其需要在相关实训设备、人员配备、资金等方面有较大的投入，为提高学生的动手实践能力奠定基础，然而当前高校在硬件类专业人才的培养过程中或多或少地忽视了学生实际动手能力的培养，突出表现在实验室设备不足、相关的人员不到位、理论教学和实践教学体系协调性缺失等情况，较为严重地限制了学生硬件方面实际动手能力的提高。

1.3师资不足，尤以“双师型”教师紧缺

制约高校计算机硬件类专业人才培养的另一因素是师资因素，没有高素质的教师就不可能有高素质的学生。硬件类人才培养过程中对学生实践动手能力的高要求需要有一支既精通理论又拥有硬件动手操作能力的教师队伍，然而当前高校中硬件类专业的教师大多来自各高校毕业的硕博人员，其特点是理论知识丰富却缺乏相关的实践动手能力，这也在一定程度上影响了教师对学生实践动手能力的指导，长期的理论灌输也使得学生的专业热情降低，影响了培养质量。虽然不少高校也注意到了应培养和招聘更多的计算机类“双师型”教师，但是受制于工资待遇、教师编制等现实性因素，高校硬件类专业教师师资建设依然任重而道远。

2改进高校计算机硬件类专业人才培养的措施

面对当前计算机硬件类专业人才培养过程中存在的突出性问题，有必要采取有效措施进一步改进当前硬件类专业人才培养现状，提高培养质量，笔者认为应着重从以下几个方面着手。

2.1明确培养目标

培养目标作为高校教育活动的出发点和归宿，不仅深刻地影响教育者和受教育者个人，而且也影响到整个高校和社会的发展，对课程设置、教学活动等方面具有直接的指导作用和统筹作用，因此改进高校计算机硬件类专业人才培养现状应首先从培养目标入手，应对当前高校中计算机硬件类专业人才培养目标模糊不清、缺乏特色的问题予以清理，明确硬件类专业人才的培养目标是培养熟悉计算机内部工作原理，专业从事计算机硬件类的设计、技术开发、维护等方面的实际工作的人才，要和软件类人才区别开来，明确硬件类专业人才培养定位，使得学生毕业之后可以独立从事硬件类方面的专业工作，拥有较高的实践动手能力。

2.2根据硬件类专业人才培养目标优化和改进课程设置

课程设置作为学生学习本专业知识的重要载体，其科学性、针对性如何，直接关系到培养目标能否顺利实现。面对当前计算机硬件类专业课程设置不合理、针对性不足、结构冗余、内容落后的现状，应根据计算机硬件类的最新发展趋势和硬件类人才培养目标来重构硬件类专业课程体系，设置覆盖硬件类专业内容从基础课程、核心课程到创新课程的纵向分层体系，明确基础课程、核心课程和创新课程各自的功能和内容，形成3类课程之间相互协调、相互促进的课程体系；在课程内容方面，依据计算机硬件方面的最新发展趋势和硬件类专业人才培养的总要求，合理充实现有的硬件类课程体系的内容，促使课程内容紧跟时展，夯实硬件类专业人才培养的课程基础。完善后的计算机硬件类课程体系大致如表1所示。

2.3完善现有的硬件类实践课程教学体系

完善实践教学体系应成为今后硬件类人才培养改进的重点，因其在硬件类人才培养质量的过程中有着核心和基础性的作用，在实践教学过程中，教师应坚持促进学生在知识、能力以及创新素养等协调发展的理念，以培养学生实际的动手能力为核心，在实际的教学环节中，由于种种主客观方面的原因，实践教学在硬件类人才的培养过程中的重要性被降低甚至有所忽略，因此在今后应着力于推进硬件类人才培养的实践教学改进，培养具有扎实的实践动手能力、创新意识和创新能力强的硬件类专业人才。高校应积极采取措施，推进硬件类专业学生积极参加各种校内外实训计划、顶岗实习等，实行工学结合、校企合作、顶岗实习的人才培养模式，从校内和校外2个方面提高学生实践动手能力。校内方面，加大对学生硬件类实验硬件建设的投入、师资配备，在课时分配、课程评价等方面向实践教学倾斜，鼓励学生积极参加各类硬件类的竞赛活动等；校外方面，积极与相关企业建立合作关系，拓展校外学生实训基地，鼓励学生利用寒暑假等时间进入企业进行顶岗实习等，因地制宜地提高学生的实际动手能力。

2.4加强师资建设，扩大“双师型”教师队伍在计算机专业教师队伍中的比例