基于遠程網絡平臺的硬件實驗教學模式的研究

徐 翀 金潔潔 戴國駿 徐爭前

杭州電子科技大學 浙江杭州 310018

基于遠程網絡平臺的硬件實驗教學模式的研究

徐 翀 金潔潔 戴國駿 徐爭前

杭州電子科技大學 浙江杭州 310018

計算機硬件實驗課程對培養學生的動手能力，創新思維能力有重要的意義。根據目前硬件實驗教學的現狀，提出了基于網絡化硬件實驗統一平臺的新型實驗教學模式，并對該模式進行了初步探討。

硬件實驗；遠程網絡；統一

計算機專業是實踐性要求非常強的專業，高等學校的計算機教育不僅要讓學生掌握扎實的理論基礎，更要培養他們硬件和軟件開發的能力。計算機硬件課程群由數字邏輯、計算機組成原理、計算機硬件系統結構、嵌入式系統、單片機原理等眾多課程組成，硬件課程的理解和掌握，對學生進行硬件的開發和設計以及系統維護具有非常深遠的影響，而實驗課程是整個教學過程中的一個重要環節，它可以彌補課堂教學中實踐少的缺陷，其教學目標在于激發學生的學習興趣，提高動手能力，強化創新意識。筆者就目前硬件實驗課教學普遍存在的問題，提出一種基于網絡化硬件實驗統一平臺的新型實驗教學模式，并對此做了分析和探討。

1 硬件實驗課程教學現狀

1.1 學生難以實際操作

硬件實驗課程對實驗條件的要求比較高，需要專門的實驗設備，如實驗箱、示波器等，而且通常不能按學生比例配備這些實驗儀器，一般都是幾名學生一組做實驗，這樣使得學生實際動手的機會少。另外，目前的計算機硬件實驗設備，集成化程度比較高，學生在實驗中出現問題時，很難判斷是接線問題還是IC組件的問題，調試難度較大，使學生認為硬件實驗的直觀性、可操作性比不上軟件實驗，進而失去了學習興趣[1]。

1.2 實驗模式限制了學生的創新性

硬件實驗室由于其特殊性，平時一般不會向學生開放，學生只能在實驗課上使用實驗儀器，由于每門實驗課的學時有限，學生通常只能完成一些驗證型實驗，而無法進行設計型或創新型的實驗[2]。這種實驗模式一方面限制了實驗資源的共享和利用，另一方面不利于綜合型、探究型和研究型實驗的開展，對學生綜合能力的提高有一定的影響。

1.3 硬件類實驗課程的系統性較差

目前在高校教學中普遍存在課程之間聯系不強的情況，學生只能看到一個個獨立的計算機硬件，而無法從整體上理解硬件知識體系。硬件類課程通常都各自設有獨立的實驗課，所用實驗儀器也是各自獨立，實驗相對單一，各門課程的實驗設置缺乏連貫性、整體性，學生只能看到個別不夠完整的計算機硬件系統，無法全面地了解計算機硬件系統的組成、結構和功能[3]。

1.4 實驗室管理成本高，實驗儀器耗損率高

學生在實驗室做實驗，就需要對實驗場地、實驗室管理人員配備提出很高的要求，實驗電路是用電線和插座連接的，容易發生短路或者接觸不良等狀況，當電源接錯時，甚至會出現元件爆裂燒壞等不良后果，而且由于學生對實驗儀器的不熟悉，使得實驗儀器的耗損率較高，學校不得不在實驗儀器的更新中花費大量經費。

1.5 虛擬實驗實時性差

目前，有很多硬件實驗可以利用軟件仿真來實現，但虛擬實驗的實時性較差，不適用在實時性要求強的應用系統中，如在單片機實驗中，有些虛擬實驗的效果并不理想，另外，真實實驗中出現的各種誤差、元件出現故障等情況在虛擬實驗中無法體會。

綜上所述，如果硬件實驗教學還停留在傳統的實驗教學模式和實驗平臺上，那么將在很大程度上限制學生的自主性、綜合性、創新性能力的培養[4]。為了提高實驗教學的質量，適應學科發展，使學生能由淺入深、全面系統地掌握計算機硬件課程知識體系，我們對實驗教學模式進行了改革，為相關硬件類課程構建一個先進、統一的網絡化實驗平臺，集實踐性、先進性、開放性、創新性于一體，開創了以網絡為媒介的新型硬件實驗方式。

2 構建基于統一平臺的硬件實驗課程體系

計算機硬件類課程之間存在著密切的聯系，目前有數字邏輯、匯編語言，計算機組成原理、接口與通訊、計算機體系結構、單片機等課程，其中主干課程為數字邏輯、計算機組成原理、計算機體系結構。其中數字邏輯為入門課，是整個硬件課程及實驗的基礎，學生需要完成組合邏輯和時序邏輯電路的設計，通過這些實驗讓學生掌握常用數字電路的分析與設計方法，為后續課程打下良好基礎。計算機組成原理是基礎課，介紹了計算機基本組成和工作原理，讓學生認識整臺計算機的硬件環境，掌握計算機硬件組成的分析方法和設計方法，建立計算機系統整機概念[5]。學生學習計算機各個部件、數據通路及簡單整機的設計方法，通過實驗模擬設計計算機各部件，設計一臺完整的簡單計算機，使學生了解計算機硬件的設計方法、過程，增加學生對計算機底層硬件的了解，訓練學生的硬件動手設計能力。計算機體系結構則屬于硬件課程體系中的提高層。根據各門課程的內容及特點，我們構建了縱三層橫三級的實驗課程體系結構(如圖1所示)。

圖1 硬件實驗課程體系

在硬件類課程的實驗設置上，一方面，重點突出課程之間的連貫性和系統性，摒棄以前各自為主、相互獨立的狀態，幫助學生建立起完善的硬件知識體系；另一方面，考慮到學生基礎不同，掌握知識的程度不同，在具體課程實驗設置時要滿足不同程度的需要，既要讓基礎差的學生保持學習的興趣，又要為優秀的學生提供發揮的空間。主要在以下幾個方面進行了改革。

2.1 統一的實驗平臺

主干硬件類實驗課程都使用統一的實驗平臺，該平臺采用大規模集成電路FPGA為實驗核心芯片，各門硬件類課程的實驗均可在該實驗芯片上進行，學生只需要一次學習，即可在多門課程上使用，從而減少了熟悉實驗儀器的時間，可以把更多的精力投入到實驗過程和實驗設計上。

2.2 階梯式實驗設置

在具體課程的實驗設置上，我們遵循由易到難、循序漸進的方式，設置了驗證型、設計型和創新型實驗，逐步引導學生從按部就班到自主設計。其中，驗證型實驗由于難度不大，即使是基礎薄弱的學生，也能完成，從而大大增強其自信心；而對于優秀學生來說，挑戰設計型和創新型實驗更能提高自身的能力。

2.3 實驗游戲化

針對學生愛玩的心理特點，我們對單門課程中的每個實驗都進行打分，根據其完成時間、完成的正確率等規則來給出相應的分數，隨著實驗的逐個進行，分數可以不斷累積。根據每位學生的分數情況進行排名；對于有些實驗，我們借鑒游戲中通關方式，要求學生必須完成規定實驗方可繼續進行。通過這種游戲化的方式，使學生在玩中學、做中學，激發學生的學習興趣，提高學習動力。

表1～表3是數字邏輯、計算機組成原理、計算機體系結構這3門課程的部分實驗安排。

表1 數字邏輯實驗

表2 計算機組成原理實驗

表3 計算機體系結構實驗

3 統一硬件實驗平臺網絡化

針對目前存在的硬件實驗設備配比不足，實驗時間有限等現狀，有些院校自制實驗儀器，可供學生租借，但儀器數量有限，而且頻繁租借后破損情況嚴重。因此，如何既能較好地管理和維護實驗儀器，又能為學生提供方便的使用環境，成為迫切需要解決的問題。根據這一思路，我們將實驗平臺網絡化，硬件實驗平臺設備統一放置在實驗室，學生只要在個人電腦上安裝相應的客戶端軟件，即可遠程訪問實驗室里的實驗儀器。這樣，既節省了管理、維修的成本，又為學生提供了切實的便利，無論何時何地都可以通過網絡進行硬件實驗。

基于網絡的硬件實驗統一平臺從總體來講分為客戶端和服務器端兩部分。在服務器端，實驗平臺服務器通過USB接口與硬件實驗設備相連；在客戶端，學生通過PC機上的應用軟件來操作并瀏覽實驗過程，它與服務器通過因特網連接實現通訊。實驗平臺架構如圖2所示。

圖2 基于網絡的平臺架構圖

通過網絡化的實驗平臺，打破了時間和空間上的限制，學生可以充分利用課余時間，通過客戶端軟件登錄到服務器上，即可實時操作服務器端的硬件實驗設備，實時監控并顯示實驗過程和結果；學生在使用結束后退出軟件系統，硬件實驗設備就可以為其他學生提供服務，從而大大提高了設備的利用率；另外，該平臺還可以對學生的登錄情況、實驗完成情況等進行記錄，方便教師了解學生的實驗情況、學習進度，合理、科學地評估每位學生。

4 基于網絡統一平臺實驗模式的優勢

4.1 提高了硬件實驗的系統性

主干硬件課程實驗均在同一個實驗平臺上進行，循序漸進地開展實驗，從簡單邏輯電路到時序邏輯，從部件設計到CPU設計，從單流水線到超線程設計，學生一步一步地從最初的數字邏輯電路設計開始，到可以自己設計一臺計算機。

4.2 開辟了新的實驗模式，提高課內實驗質量

基于網絡的實驗平臺，讓學生能充分利用自己的業余時間，在有網絡的地方就可以進行硬件實驗，摒棄了以前做實驗一定要去實驗室的舊模式。同時，將硬件類課程實驗平臺一體化，學生無需在每門實驗課程開始時熟悉不同的實驗儀器，教師也可以從解決一些低級錯誤中解放出來，將更多的精力用于和學生溝通交流實驗內容，提高學生對知識的掌握，為創新能力的培養提供條件。

4.3 減少實驗器材的損耗，提高硬件實驗室管理效率

學生做實驗可以不再直接擺弄實驗儀器，而是在PC機上通過網絡完成，大大減少了實驗器材的損耗情況；另外，實驗設備集中管理，可以提高實驗室管理員的管理效率，降低其管理和維護的成本。

5 結束語

基于網絡的硬件實驗教學模式，打破了傳統的學生做實驗必須去實驗室的方式，解決了自制實驗儀器帶回寢室的弊端，并幫助學生構建起系統的硬件知識體系，提高學生學習硬件課程的興趣，為動手能力和創新能力的培養提供了良好的基礎。

[1] 全成斌,管曉培,李山山,等.計算機硬件實驗統一平臺設計[J].計算機教育,2008,18:3-5.

[2] 陳妍,王換招,伍衛國,等.高等學校計算機硬件實驗教學體系改革研究與探討[J].計算機教育,2008,8:125-127.

[3] 馮強.計算機硬件實驗教學初探[J].科技信息,2009,28:212.

[4] 劉新平,鄭秋梅,孫士明,等.計算機硬件課程群實驗體系的改革與完善[J].計算機教育,2008,12:117-119.

[5] 李珍香,王紅.立體化創新性的計算機硬件實驗教學體系與模式研究[J].實驗技術與管理,2009,26(10):104-106.

Research of hardware experiment teaching mode based on remote network

Xu Chong, Jin Jiejie, Dai Guojun, Xu Zhengqian
Hangzhou dianzi university, Hangzhou, 310018, China

Computer hardware lab course has important significance to cultivate students' practice ability and creative thinking ability. According to the current hardware lab teaching situation, this paper presents a novel lab teaching mode based on the unified network hardware experiment platform companied with some preliminary discussion.

hardware experiment; remote network; unif ed

2011-10-26

徐翀，碩士，講師。金潔潔，碩士，講師。戴國駿，博士，教授。

2011年杭州電子科技大學高教研究課題(編號：YB1126)；2011年浙江省教育技術研究規劃課題(編號：JB121)。