計算機硬件課程群實驗體系的改革與完善

文章編號：1672-5913(2008)12-0117-03

摘要：本文介紹了我校對計算機硬件實驗課程體系及實踐教學環節進行的改革，建立了“基礎層－應用層－提高層”三層體系結構的硬件課程群實驗體系，并對多層次、系列化的硬件實踐教學模式及訓練模式進行了探討。

關鍵詞：硬件課程群；實驗體系；實驗內容；實踐能力

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

我校計算機專業自99級開始進行了較大規模的擴招，但由于師資力量跟不上、實驗條件和實驗內容相對落后等原因，造成計算機硬件教育存在層次單一、教學內容滯后、理論與實踐脫節等問題，學生普遍存在著“重軟怕硬”的現象，畢業后硬件設計能力差，軟件開發缺少后勁。為提高學生的硬件動手能力，增強畢業生的社會適應性，學院自2002年開始進行計算機硬件課程群建設及相應的硬件課程群實驗體系建設，包括“計算機組成原理”等九門硬件課程及5門相關的實踐課程。本文對我院計算機硬件課程群實驗體系建設及硬件實踐教學環節的改革進行了探討與總結。

1構建科學完整的硬件課程群實驗體系

在原有的課程體系下，我院為本科生開設的硬件實驗教學課程有“數字邏輯實驗”、“計算機組成實驗”、“微機接口實驗”、“單片機實驗”。由于實驗條件的限制，各課程實驗內容相對獨立，綜合性、系統性較差；尚有部分硬件主干課程沒有對應的實驗課程，如系統結構。實驗課程體系存在諸多問題。

(1) 缺乏對學生系統設計能力的培養。傳統的硬件設計和軟件設計相分離的設計方法成為阻礙設計和實現復雜、大規模系統的關鍵因素。系統平臺的搭建、軟硬件的協同設計驗證和軟硬件功能模塊的可重用性已成為現階段設計方法的熱點。培養學生具有系統設計的思想成為當務之急。

(2) 缺乏對學生可編程芯片設計能力及EDA技術的培養。可編程芯片與EDA技術是現代電子設計的發展趨勢，將可編程芯片設計及EDA技術引入實驗教學中是時代發展的需要。

(3) 缺乏綜合性的實踐課程，學生的創新能力發揮受限。由于實驗條件限制，原有的多數實驗是基于純硬件邏輯設計的，只是在面包板上用器件構建小系統，功能擴展性差；并且只能開設數量有限、技術含量較低的實驗，學生無法開展自主的綜合性設計，無法進行創新能力的培養。

為此，經過充分調研和論證，我院首先從修改03級教學計劃入手，對課程體系中的多門課程進行了調整，同時理順各門課程間的關系，構建起了新的硬件課程體系。該課程體系由必修課程、選修課程及配套實踐三部分組成。必修課包括“組成原理”、“接口技術”、“系統結構”等基礎課程。為適應社會需求，在選修課中刪去原有的“診斷與容錯”等一些過時的課程，增加“數據采集”、“計算機控制技術”、“嵌入式系統”等社會需求較強、實用價值高的應用性課程，同時新開了“模型機設計與組裝”、“硬件綜合實踐”等實踐課程。在07版教學計劃中，又新增了“DSP原理與應用”、“嵌入式系統實踐”等新課程，保證課程體系的實用性與先進性。

硬件系列課程從體系結構上劃分為三個層次：基礎層、應用層和提高層，其課程間的關系如圖1所示。基礎層為“數字電路”與“組成原理”。“數字電路”課程雖然在教學體系上不屬于計算機硬件系列課程，但它是計算機硬件系統的技術基礎，是必修的前續課；“組成原理”介紹計算機的基本組成和工作原理，解決整機概念；通過“電工電子實習”與“模型機設計與組裝”兩門實踐課程，強化學生的硬件動手能力。在應用層中，通過“接口技術”介紹應用層的外圍接口和相關外設，以“嵌入式系統”等四門實用性強的課程作為選修課，每門課程都配有相應的實驗環節，并通過“硬件綜合實踐”、“嵌入式系統實踐”強化學生對基礎知識的掌握和綜合應用。提高層為“系統結構”及“性能測試與分析”實踐課程，通過學習和實踐，能夠使學生比較全面地掌握計算機系統的基本概念、基本原理、基本結構、基本分析方法、基本設計方法和性能評價方法，并建立起計算機系統的完整概念。

在硬件課程群實驗體系建設過程中，突出強調課程體系的系統性和完備性。從第1學期到第7學期硬件實驗不斷線，層次逐步提高，實驗內容銜接連貫。注意各硬件實踐的相互次序和互補，使硬件實踐訓練層次化、系列化，以此來系統強化學生的硬件動手能力。同時調整各課程的開設順序，理順每門課與前導課和后續課之間的關系，從而保證硬件課程體系的系統性和完備性。

注：所有必修課程與選修課程均開設課內實驗，包括驗證實驗(20%)、設計實驗(80%)；實踐課程單獨開設，包括綜合實驗(80%)、探索實驗(20%)。

2改革實驗教學內容與模式

計算機硬件系列課程的重要特點之一是工程性、實踐性強。為了使學生在學過該系列課程后具備較強的實際動手能力和計算機應用系統的開發能力，應在實驗教學內容的設置上體現出基礎性、系統性、實用性和先進性，既要重視計算機硬件的基礎內容，又要結合當今電子與計算機的最新發展。為此，我們對該硬件系列課程的實驗教學內容和教學模式進行了改革創新。

2.1優化實驗內容，引進實驗新技術，提高硬件設計的效率和興趣

隨著計算機硬件技術的日益發展，各種各樣的微處理器不斷更新，功能不斷增強，以FPGA為代表的數字系統現場集成技術取得了驚人的發展，嵌入式系統設計也逐步成為主流。為了使學生跟上時代潮流，了解最新技術，需要不斷引入新設備、新技術，提高硬件設計的效率和興趣。如更新的“組成原理”和“系統結構”實驗臺，通過RS232串口與PC機相連，可在PC機上編程并向系統裝載實驗程序，還可在PC機的圖形界面下進行動態調試并觀察實驗的運行，使學生像設計軟件一樣來設計硬件，做到了硬件設計軟件化，大大提高了硬件設計的效率和興趣。“模型機設計與組裝”，將CPLD和FPGA等技術引入，用CPLD來設計復雜模型機。“匯編語言”和“接口技術”補充Windows下設備驅動程序的設計與實現，增加PCI、USB的應用等內容。“系統結構”通過局域網組建小型的微機機群，研究探索多處理機操作系統，試驗并行程序的運行與任務分配調控等功能。為適應當前嵌入式芯片的迅速普及應用，新開設了“嵌入式系統設計”課程設計。針對學生已學過多門硬件課程，但仍不能完成一個完整的、可獨立工作的計算機系統設計問題，新開設了“硬件綜合實踐”，使同學親自體會設計一臺微型計算機系統的全過程。

2.2建立“驗證型－設計型－綜合型－探索型”的多層次實踐教學模式

在實驗教學內容的改革上，本著“加強基礎、拓寬專業、注重實踐、提高素質”的方針，將實驗項目分為4類，即驗證型、設計型、綜合型、探索型，實驗項目由淺入深，循序漸進。在所有硬件必修和選修課程中，全部開設課內實驗。課內實驗由驗證實驗(20%)、設計實驗(80%)組成。所有實踐課程都單獨開設實驗，包括綜合實驗(80%)、探索實驗(20%)。這樣，課內課程中開設“驗證型”和“設計型”的實驗，在后續課程設計中，開設“綜合型”和“探索型”的實驗，形成“驗證型－設計型－綜合型－探索型”的多層次實踐教學模式，系統強化學生的綜合設計和硬件動手能力。

在驗證型實驗中，注重使學生鞏固基本理論，進一步掌握基本概念和基本技能。在設計型的實驗中，注重培養學生的創新意識、設計能力和動手實踐能力。在這一類實驗中，以學生動手為主，教師輔導為輔，只給定實驗的課題及達到的目的，中間過程需學生自己去查閱資料和設計方案，直至最后調試完成。在綜合型實驗中，注重培養學生綜合運用所學知識的能力，使學生受到更為實際、更加全面的科學研究的訓練。綜合實驗的特點是沒有現成的模式可循，學生需要獨立完成硬、軟件設計和調試。在調試過程中，學生自己動手分析解決實驗中出現的問題，雖然有一定的難度和深度，但對學生很有吸引力，能使學生從應付實驗變為主動實驗，不僅提高了基本操作技能，也發揮了學生的主觀能動性和創造性。課程設計的部分內容屬于探索型實驗，學生可以自主選擇感興趣的課題及相關開發工具，寫出設計書，交給指導教師審核后實施。在這一過程中，學生需要查閱大量的資料，培養了學生的自學能力、研究設計能力、獨立分析問題及解決問題的能力和創新能力。

2.3確立“系列化硬件實踐訓練”方案

硬件實踐訓練由“課程實驗－課程設計－綜合訓練－畢業設計”四個系列組成。課程實驗——所有硬件課程都開設。課程設計——在“嵌入式系統”、“組成原理”等重點課程中開設，在這些課程的課內實驗中進行部件或模塊實驗，在課程設計中進行綜合性、創新性設計。綜合訓練——通過“硬件綜合實踐”展開。該課程安排在大四開設，是一門綜合性設計實踐課程，也是對前面所學課程的一個全面應用和總結，在硬件課程群建設中起著“總練兵”的作用。通過讓學生親自設計一臺小型計算機控制系統，包括計算機的各個部件和功能，“麻雀雖小，五臟俱全”，旨在讓學生真真切切感受到如何設計一個可獨立工作的計算機系統，強化和提高學生的綜合實踐能力，培養學生的創新思維和創造能力。畢業設計——每年精選一定數量的硬件畢業設計題目，提供實驗場所、設備及材料，讓對硬件感興趣的同學去實現自己的設計，放飛自己的理想。學生以接近于實際應用環境，完成高質量綜合設計為訓練手段，以掌握計算機硬件結構與應用系統設計作為主要訓練目的，使學生對計算機的整個硬件系統有較全面、較系統的掌握。要求學生能夠根據需要設計出一定規模的計算機硬件應用系統實例，從模板設計、制作、總線的走向、計算機部件選取、工作原理的分析、部件在模板上的部局、部件的焊接、運算能力的調試、結果正誤的判斷分析等流程的設計到具體的制作，直至最后寫出畢業論文，使學生建立系統的概念與工程的概念。

3結束語

上述改革取得了令人滿意的效果。大學生對計算機硬件實驗課程學習的興趣增強了，實驗室開放期間，有更多的學生走進了硬件實驗室。在畢業設計時，有更多的學生選擇了與計算機硬件系統設計和開發相關的課題。學生做完硬件綜合實習和硬件畢業設計課題后，普遍充滿自豪感和成就感，感到硬件設計及底層軟件開發不再可怕。通過這樣的訓練，提高了其綜合設計能力和創新能力，同時也鍛煉了他們的團隊合作精神，步入單位就能直接勝任計算機應用系統設計、開發的工作，實現高校、學生、用人單位等各方面的多贏。同時我們也應該看到，隨著新技術的不斷發展，計算機硬件系列課程及其實驗體系的建設和實驗內容的改革是一項長期不懈的工作，需要不斷完善。

參考文獻

[1] 羅家奇，李云，葛桂萍等. 計算機硬件系統實驗教學改革的研究[J]. 實驗室研究與探索，2007，26(8):98-99.

[2] 武俊鵬，孟昭林. 計算機硬件實驗課程體系的改革探索[J]. 實驗技術與管理，2005，22，(10):107-109.

[3] 萬曉冬，王友仁，陳則王等. 計算機硬件系列課程體系改革探討[J]. 電氣電子教學學報，2007，29(2):4-6.

[4] 崔永利，李妍. 計算機硬件實驗教學改革與實踐[J]. 實驗室研究與探索，2006，25(3):361-362.