基于虛擬仿真技術(shù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)

劉 麗 陳 松

（安徽新華學(xué)院大數(shù)據(jù)與人工智能學(xué)院，安徽 合肥 230088）

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)工程呈現(xiàn)出系統(tǒng)整體規(guī)模日趨龐大、 子系統(tǒng)數(shù)量日趨增長且交聯(lián)關(guān)系日趨復(fù)雜等特征，這就要求計(jì)算機(jī)工程技術(shù)人才必須從系統(tǒng)的高度多維度地研究與構(gòu)思， 綜合運(yùn)用多種知識進(jìn)行工程實(shí)施， 并在此過程中反復(fù)迭代以尋求理想的系統(tǒng)平衡性要求[1]。

目前存在一些問題在于計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的培養(yǎng)方面，主要有以下兩個(gè)部分：

（1）各門課程知識體系缺乏系統(tǒng)性，大多各自為政，學(xué)生在建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀念時(shí)不能很好地將課程關(guān)聯(lián)融合。

（2）在實(shí)踐過程中缺乏工程訓(xùn)練，在訓(xùn)練時(shí)，項(xiàng)目的難度和規(guī)模也難以達(dá)到要求。

綜合以上問題，課程改革是非常必要的，可以利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對電路、微機(jī)原理與接口技術(shù)和嵌入式等硬件課程進(jìn)行仿真平臺搭建，并將實(shí)體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真、調(diào)試，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)硬件平臺和電子仿真軟件以及虛擬實(shí)驗(yàn)教程，構(gòu)建了一個(gè)設(shè)備先進(jìn)的虛擬實(shí)驗(yàn)室[2]。 虛擬實(shí)驗(yàn)室的本質(zhì)就是以虛代實(shí)、以軟代硬。

1 虛擬仿真融入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的需求

1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的意義

近幾年，在高校計(jì)算機(jī)類專業(yè)中推動(dòng)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的重大課題由教育部高等學(xué)校計(jì)算類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)提出，系統(tǒng)能力是指能理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體性、關(guān)聯(lián)性、層次性、動(dòng)態(tài)性和開放性，掌握計(jì)算機(jī)硬軟件協(xié)同工作及相互作用機(jī)制，并綜合運(yùn)用多種知識與技術(shù)完成全系統(tǒng)開發(fā)的能力[3]。 系統(tǒng)能力培養(yǎng)并非要求所有學(xué)生都成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者和研究者，而是通過連續(xù)的培養(yǎng)過程使得學(xué)生能夠更加深刻地理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 針對我校計(jì)算機(jī)專業(yè)的人才培養(yǎng)定位的差異性，系統(tǒng)能力培養(yǎng)的方法也在探索中，通過采用虛擬仿真技術(shù)，嘗試在同一仿真平臺上實(shí)現(xiàn)對計(jì)算機(jī)知識的系統(tǒng)性理解，具有成本低、易實(shí)現(xiàn)、符合學(xué)生認(rèn)知水平等特點(diǎn)，有助于豐富計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)[4]。

1.2 我校計(jì)算機(jī)硬件課程開設(shè)現(xiàn)狀

目前，我校計(jì)算機(jī)硬件課程主要在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程、軟件工程等專業(yè)開設(shè)了計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ)、數(shù)字電路、模擬電路、微機(jī)原理與接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)。 同時(shí)，由于學(xué)科的交叉性，智能制造和電子學(xué)院的多個(gè)專業(yè)也開設(shè)了電工電子技術(shù)、微機(jī)原理、單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)等課程，涉及專業(yè)包括物聯(lián)網(wǎng)工程、機(jī)電一體化等。

現(xiàn)在，相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍是各自為戰(zhàn)的。 例如計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ)、數(shù)字電路、模擬電路、計(jì)算機(jī)組成原理使用的是傳統(tǒng)試驗(yàn)箱，單片機(jī)采用的是仿真軟件PROTEUS 7.8 以下版本加實(shí)物，嵌入式系統(tǒng)采用專用試驗(yàn)箱。 其中，嵌入式系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對較為新穎，電路課程、組成原理的實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化嚴(yán)重，已在考慮實(shí)驗(yàn)室的更新建設(shè)。

1.3 虛擬仿真一體化實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)

通過多年的實(shí)踐教學(xué)，發(fā)現(xiàn)對于我校計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來說，畢業(yè)后從事專業(yè)的計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)工作的學(xué)生總體較少，大多從事軟件開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等方面的工作。 對于這些學(xué)生而言，計(jì)算機(jī)硬件的相關(guān)知識更側(cè)重于原理的理解，側(cè)重于這些知識對于軟件開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的支撐作用。 在相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中， 通過Proteus 仿真軟件仿真已能滿足大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，降低了教師的設(shè)備管理工作量，使得教師可以有更多的精力投入科學(xué)研究之中[5]。

2 硬件課程進(jìn)行虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建

2.1 基于Proteus 的硬件課程實(shí)驗(yàn)體系的實(shí)施方案

配合原計(jì)算機(jī)電路實(shí)驗(yàn)室的改建工作，重點(diǎn)修訂數(shù)字邏輯電路、 計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ)課程新的實(shí)驗(yàn)大綱與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。 修訂計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理、單片機(jī)技術(shù)等課程的實(shí)驗(yàn)方案， 側(cè)重于體現(xiàn)知識的前后關(guān)聯(lián)，課程的前后關(guān)聯(lián)。研究基于Proteus 仿真的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)實(shí)施的統(tǒng)一平臺，統(tǒng)一規(guī)范，以及在此過程中可能出現(xiàn)的各種問題及解決方案。 構(gòu)建硬件課程實(shí)驗(yàn)體系。 基于Proteus 的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在進(jìn)行過程中,可以使原理圖設(shè)計(jì)、元器件選擇、性能測試、功能動(dòng)態(tài)仿真、 結(jié)果分析和實(shí)驗(yàn)報(bào)告集成在一個(gè)工程項(xiàng)目完成。

2.2 在統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行多課程融合

電路知識計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ)知識， 組成原理在基礎(chǔ)電路知識的基礎(chǔ)上介紹了普適的計(jì)算機(jī)硬件組成知識，微機(jī)原理則以具體的CPU，介紹計(jì)算機(jī)軟硬件結(jié)合的相關(guān)知識， 單片機(jī)課程則在前面課程的基礎(chǔ)上，更加側(cè)重于知識的應(yīng)用，學(xué)生可以用單片機(jī)來解決一些較為具體的問題。 課程之間是緊密聯(lián)系的。在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)， 在考慮人才培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱的基礎(chǔ)上，針對學(xué)生的知識水平、理解能力等因素，科學(xué)合理地制定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，加強(qiáng)各門課程實(shí)驗(yàn)之間的聯(lián)系，就能幫助學(xué)生完善知識結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生能力。 因此多門課程建立統(tǒng)一的仿真實(shí)驗(yàn)平臺很重要。 以Proteus 仿真軟件為基礎(chǔ)，完成多課程的實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)課程之間的融合， 加強(qiáng)學(xué)生對課程之間聯(lián)系的理解，為培養(yǎng)應(yīng)用型人才奠定基礎(chǔ)。 融入競賽元素的優(yōu)勢。

2.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的提升及教學(xué)方法改革

以Proteus 平臺為基礎(chǔ)， 探索合適的培養(yǎng)方式方法以提升學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力。 可以在仿真平臺上實(shí)現(xiàn)從基本電路設(shè)計(jì)，到集成芯片連接，再到組成微型計(jì)算機(jī)、單片機(jī)最小系統(tǒng)，通過接口連接簡單外設(shè)，實(shí)現(xiàn)編程控制。 通過這樣一個(gè)自底向上的搭建過程，使學(xué)生對計(jì)算機(jī)的硬件基礎(chǔ)有一個(gè)更為具體的認(rèn)識，幫助學(xué)生更好理解計(jì)算機(jī)的工作過程，并能和計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)相結(jié)合，培養(yǎng)更有競爭力的計(jì)算機(jī)從業(yè)者。

3 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系的特色

3.1 促進(jìn)課程融合、增強(qiáng)課程體系的系統(tǒng)性

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)是一個(gè)系統(tǒng)性工程，涉及多個(gè)學(xué)期的多門課程，如數(shù)字電路、微機(jī)原理、組成原理、單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)等。 在這些課程的教學(xué)內(nèi)容中，有相關(guān)的知識點(diǎn)，也有對各自不同側(cè)重點(diǎn)。 利用Proteus 仿真平臺，可先以實(shí)驗(yàn)為紐帶，初步建立課程間聯(lián)系，然后拓展到理論教學(xué)，促進(jìn)課程間的融合，完善硬件課程群建設(shè)，更好地服務(wù)于人才培養(yǎng)方案。

3.2 鍛煉師資隊(duì)伍、促進(jìn)人才培養(yǎng)

目前， 教學(xué)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)仍主要以課程為單位，課程之間的聯(lián)系并不緊密。 教師所帶課程較為單一，或者缺乏系統(tǒng)性。 本課題的開展將促使教師更加關(guān)注課程間聯(lián)系，項(xiàng)目組成員嘗試貫通相關(guān)硬件課程，先從教師層面完善對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體性理解，才能更好地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

3.3 資源整合，節(jié)約硬件的維護(hù)成本

構(gòu)建Proteus 局域網(wǎng)版軟件，添加相應(yīng)模塊，少量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證板即可滿足課程需要。 軟件的維護(hù)費(fèi)用極低，能有效減少原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式對耗材的消耗和設(shè)備的折損，節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本。 教師可以基于仿真軟件，自主開發(fā)更多綜合型實(shí)驗(yàn)， 新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)好后，可以長期使用，如有需要，變更起來也很方便。