計算機硬件課程新型實驗教學體系改革初探

摘要:對目前計算機硬件實驗課程教學的現狀展開分析與研究，針對所存在的問題，從如何建立科學合理的實驗體系、實驗平臺以及考核方式等方面對計算機專業硬件實驗教學進行了探索。

關鍵詞:硬件實驗;實驗體系;計算機專業

中圖分類號:G424文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2010)11-2694-02

Researching on Architecture of Computer Hardware-experimentation Teaching

ZOU Yi， XU Yu-ming， WEI Shu-di， LI Lang， JIAO Ge

(Hengyang Normal University， Hengyang 421008， China)

Abstract: Analyzing and researching the current status of computer hardware experimental teaching， then explored and proposed the way to how to establish a scientific and rational experimental architecture， experimental platform and evaluation methods in terms of teaching of computer hardware experimentation for the current existing issues.

Key words: hardware-experimentation; experimental architecture; computer teaching

計算機實驗教學是計算機專業一個重要的教學內容之一，實驗教學的質量與人才培養的質量有著密不可分的關系。合理的實驗體系是高質量實驗教學的關鍵。高質量的實驗設計，綜合性和創新的實現，都需要對實驗體系進行梳理。本文從我校計算機硬件實驗課程教學的現狀出發，對計算機硬件實驗教學體系進行初步的研究與探索。

1 當前計算機硬件實驗教學存在的問題分析

目前，國內大多數高等院校在實驗教學模式和手段上，主要存在以下幾個方面的問題:

1) “教師課堂演示，學生分組實驗”的教學模式根深蒂固。這樣不利于調動學生的積極性，而且學生分組實驗時，又形成一名組員動手，其他成員觀看的局面，更不利于大多數學生動手能力的鍛煉。

2) 實驗內容陳舊，與實際應用脫節;具體實驗的過程嚴格按照教材進行，缺乏靈活性;另外學科本身的特點也給學生的學習帶來一定困難。

3) 針對每門具體課程單獨設置實驗及單獨提供實驗環境。一方面很難使學生對其前導課程所完成的基礎能力做要求，同時也很難兼顧到其后續課程。各門課程各自為戰，實驗設置缺乏連貫性、整體性、系統性，相互間缺少有效的貫通;另一方面實驗環境重復建設，實驗資源得不到充分利用。

計算機技術不斷進步與發展，如果硬件實驗教學仍停留在傳統的實驗教學模式和實驗平臺上，那么要實現開設自主性、綜合性、創新性實驗的目標將只能成為空談。計算機學科的課程內容具有很強的交叉性和相關性，特別是硬件課程，因而計算機硬件實驗課程更是面臨著諸多問題。比如，硬件設備投入高，項目開發周期長的問題。硬件實驗平臺的建設需要大量的資金投入，而且硬件類實驗消耗很大，需要持續的資金投入做保障。此外，硬件課程建設周期也較長，硬件實驗項目開發也非一蹴而就，實驗教師需要完備的理論知識和扎實的電子學知識，而且需要反復的實驗和長期的實踐，才能自如的設計實現，這一過程比掌握一門計算機語言或一種計算機軟件開發工具要難得多和慢得多。同時，實驗設備的更新速度及實驗項目長周期開發難以滿足新技術、新方法的更新步伐。

另外，教學實驗設計針對性強，硬件線路相對固定，實驗內容受硬件設計的制約的問題。很多教學實驗臺的設計針對性強，是針對某門課程而開發設計的，硬件線路部分相對固定，其擴展性很有局限，更新實驗內容受硬件設計的制約。硬件實驗設備的高投入和實驗器件的大消耗，在沒有足夠資金投入的情況下，在現有硬件設備上進行實驗內容的更新，開設自主性、綜合性、創新性實驗難以實現。

其次，硬件實驗教學彼此脫節，缺乏系統化的實驗體系的困難。計算機專業硬件類課程必修課程一般包括數字邏輯、計算機組成原理、單片機原理、計算機體系結構，選修課程一般包括計算機接口與通信技術、嵌入式系統設計等。這些課程之間彼此存在內在的聯系，學生通過這些課程的學習，應當能逐步建立起整個計算機系統設計的概念，掌握計算機系統的設計技術，掌握計算機的控制應用。但在具體課程和實驗安排中，卻往往忽略并割裂了這種內在聯系，實驗內容沒有從模塊化、系統化的角度整體考慮計算機系統設計和控制應用的要求。

綜上所述，分析這些課程之間的內在聯系，設計階段性、模塊化、系統化的實驗教學內容，建立計算機硬件實驗教學體系，對于培養學生的計算機系統設計能力和應用設計能力十分重要且必要。

2 構建科學完整的硬件課程實驗體系

2.1 硬件課程實驗體系

首先從教學計劃入手，在現已構建的硬件課程體系基礎上展開研究。新構建的課程體系由必修課程、選修課程及實踐課程三部分組成。必修課包括“匯編語言”、“數字邏輯”、“微機原理”、“組成原理”、“單片機原理”、“系統結構”等基礎課程，另外，為適應社會需求，在選修課除原有的“微機故障診斷與維護”課程外，增加“嵌入式系統設計”等社會需求較強、實用價值較高的應用性課程，同時計劃將 “硬件課程設計”實踐課程的開設時間提前至大三下學期，以保證課程體系的有效性、實用性、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“數字邏輯” 、“匯編語言”與“組成原理”，在第三學期結束前開設。“數字邏輯”課程是計算機硬件系統的技術基礎，是必修的前續課;“匯編語言”作為硬件編程的基礎語言，是硬件設計的根本;“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;其中匯編語言與組成原理均開設課內實驗，在學習整機構成的同時，強化學生的硬件動手能力。

應用層為“單片機”、“微機原理”等必修課程，以及“接口技術”等選修課程，可開設在第四學期到第六學期間，通過 “單片機”介紹單片機的組成和特點，以及應用領域，使學生了解單片機技術的發展趨勢;“微機原理”介紹微型計算機體系結構以及微型計算機各個組成部分等內容;并以“接口技術” 、“硬件課程設計” 等實用性強的課程作為選修課，每門課程都配有相應的實驗，強化學生對基礎知識的掌握和應用。

提高層為“系統結構”等課程，在第六學期到第七學期間開設。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。同時展開“嵌入式系統設計”實踐課程，從整體上強化學生的理論知識與綜合應用能力。

因此，在硬件課程實驗體系構建過程中，突出強調課程體系的系統性和完備性。從第2學期到第7學期硬件實驗層次逐步提高，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。

2.2 計算機硬件實驗平臺

在硬件開發平臺的設計上綜合各個階段的不同需求，構建多層次的實驗環境，提高實驗效率，促進學生的創新思維，進行創新式構建實驗。兼顧對畢業設計的實驗環境以及本科生創新性研究活動實驗體系的支持，結合軟件設計的方法和手段(即硬件設計軟件化)構建靈活多樣的硬件實驗平臺。此外，實驗平臺設計要具有層次性，并且考慮課程間內容交叉和互補。

傳統的實驗裝置支持相對簡單的連線類的實驗，這類實驗只能使用中小規模的集成電路器件。設計大規模的實驗幾乎是不可能的，因為大規模的實驗用中小規模的芯片來實現費時、費力，且受面包板等空間和實驗裝置能提供的電源限制。使用HDL 語言，如AHDL、VHDL 和Verilog 等，通過EDA 工具軟件設計各種規模的數字電子系統是目前工程師的設計潮流。通過EDA 和CPLD/FPGA 仿真器能完成計算機硬件課程的各類實驗。

根據我院實際情況，現采用一款低成本綜合實驗裝置，該實驗板是基于一個支持實時仿真的16/32位的ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，可實現各種工業控制、醫療系統等方面的應用，通過擴充板可以滿足大部分的實驗要求。

2.3 多形式的實驗考核體制

為了更好地展開硬件實驗教學，對學生的實驗設計展開情況進行檢查和考核，需要有相應的科學合理的實驗考核方法對應。在文中所建立的實驗體系中，實驗的考核主要通過以下幾種形式。

1) 動態考核:對實驗過程中的主要環節進行跟蹤、記錄、評價，并作為最終成績考核的主要依據。這就改變了傳統的根據實驗結果和報告打分的體制，更能反應學生的實際能力。

2) 實驗報告:實驗結束后，要求學生撰寫實驗報告，以總結個人實驗結果，明晰實驗思路，實現知識的融合、升華和再學習。通過實驗報告的撰寫可以培養學生對科技活動的總結能力，科技論文的寫作能力，使學生的科研素養得到初步鍛煉。

3) 答辯機制:對于綜合設計型，特別是創新研究型實驗，前兩種考核機制存在明顯的不足，因此需要引入新的機制來評價學生所做工作及取得的成績。可通過學生講解、演示，教師提問和回答，課程設計報告撰寫三個步驟來進行考核。

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