計算機硬件基礎課程實驗改革與實踐

肖娟　龔德良　陸武魁　張雯霧

摘要：計算機硬件基礎課程主要包括數(shù)字邏輯和計算機組成原理兩門課程。文章以湘南學院計算機科學系所開設的計算機硬件基礎課程為例，分析目前這兩門課程的實驗環(huán)節(jié)所存在的問題，提出一種多元化、一體化、循序漸進的實驗改革方案。

關鍵詞：硬件基礎課程；實驗改革；多元化；一體化

0.引言

計算機硬件基礎課程是所有計算機類或通信類專業(yè)所必修的專業(yè)基礎課程。當然不同的院校對于計算機硬件基礎課程的開設都不盡相同，但是一般都會包括數(shù)字邏輯（或稱數(shù)字電路）和計算機組成原理這兩門課程。以湘南學院計算機科學系為例，該系設有計算機科學與技術、計算機科學與技術師范、網(wǎng)絡工程、通信工程4個專業(yè)。對于不同的專業(yè)，硬件基礎課程的開設也有所不同，例如，通信工程專業(yè)還會開設電子與電路這門硬件基礎課程，而網(wǎng)絡工程專業(yè)會加開匯編語言課程，而數(shù)字邏輯與計算機組成原理卻是所有專業(yè)都必修的硬件基礎課程。因此，針對這兩門通用的硬件基礎課程的實驗環(huán)節(jié)，筆者提出了教學改革方案。

1.硬件基礎課程實驗改革的必要性

湘南學院是地方應用型本科院校，其培養(yǎng)目標是培養(yǎng)適應地方經濟和社會發(fā)展需要的基礎扎實、專業(yè)突出、實踐創(chuàng)新能力強的應用型高級專門人才。實踐能力與創(chuàng)新能力以及應用型人才的培養(yǎng)在課程的教學過程中主要是注重實驗課程的實踐教學。

實踐出真知，創(chuàng)新源于實踐。如何在實踐教學中培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新能力與動手能力一直是各高校關注的問題，也是計算機及其相關專業(yè)迫切需要解決的問題，而且也直接關系到學生的就業(yè)與發(fā)展。

目前IT產業(yè)技術日新月異，知識的更新?lián)Q代比起其他學科更加迅猛。雖然目前從重點本科院校到地方性本科院校，從職業(yè)技術學院到中等專科學校都有開設計算機相關專業(yè)，但是不管哪種層次的計算機類專業(yè)的畢業(yè)生，與目前新興IT企業(yè)人才需求之間都或多或少存在一定的差距，這個差距主要來源于實踐動手能力。如何盡量地縮短這個差距，讓學生一畢業(yè)就能上崗，是實驗教學培養(yǎng)中的一個主要目標。

計算機類學科中的一個基礎就是硬件基礎，在硬件的基礎上才能開發(fā)各種軟件，在硬件的基礎上才能有各種網(wǎng)絡或者通信方面的應用，因此學好硬件的基礎課程是整個專業(yè)的基石。而如何進一步理解枯燥的硬件基礎知識，如何提高學生對硬件基礎課程的興趣與愛好，如何在硬件基礎課程中培養(yǎng)學生的動手實踐能力與創(chuàng)新能力，都需要從硬件基礎課程的實驗中去尋求答案。為了適應時代的需求，培養(yǎng)出具有實踐創(chuàng)新能力的應用型人才，對于計算機專業(yè)中的硬件基礎課程的實驗改革勢在必行。

2.硬件基礎課程實驗現(xiàn)狀分析

實驗教學是計算機硬件基礎課程教學不可或缺的重要組成部分。實驗課程是理論課程的重要補充。對于一些難以理解的理論知識，通過實驗可以讓學生更好地掌握。但是目前，硬件基礎課程的實驗環(huán)節(jié)還存在著許多的不足，不能滿足課程培養(yǎng)目標的要求，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）實驗課時不足。對于計算機硬件基礎課程，根據(jù)硬件技術的發(fā)展對于每門課程所能開設的實驗課程數(shù)量相對于以前都有所增加，但是實驗課時卻一直沒有變化，顯然課時不足已經影響實驗內容的更新。

（2）實驗內容單一。在傳統(tǒng)的實驗課程中，實驗項目大多是驗證型實驗，設計型和綜合型實驗相對較少，學生只需要根據(jù)實驗指導進行操作，然后觀察實驗結果即可，無法調動學生的積極性與創(chuàng)造能力。

（3）實驗方式單一。在傳統(tǒng)的實驗課程中，大多數(shù)的硬件實驗課程都是在已經固化好一些所需芯片的實驗面包板上進行的，所有的實驗過程與實驗結果都是固定的，學生能自己更改的部分很少。對此，目前有部分院校在硬件基礎實驗課中引入了基于EDA+PLD（電子設計自動化+可編程邏輯器件）技術的實驗方式。這種實驗方式不僅需要仿真軟件，而且需要掌握某種硬件描述語言，實驗過程相對比較復雜，但比傳統(tǒng)的實驗箱更能發(fā)揮學生的設計能力和創(chuàng)新能力，對學生的要求相對比較高。

（4）各門硬件基礎實驗課之間缺少相互的聯(lián)系。計算機類專業(yè)課程之間都有著或多或少的聯(lián)系，特別是硬件課程之間都有著比較緊密的聯(lián)系。例如，數(shù)字邏輯主要介紹構成器件的基本部件門電路，以及組合電路時序電路等的分析與設計，而計算機組成原理主要介紹計算機的組成部件及其相關原理。計算機組成部件的本質都是一些組合電路或時序電路。因此這兩門課程間有著一些必然的聯(lián)系，而在傳統(tǒng)的實驗課程中，這兩門課程的實驗課根本沒有聯(lián)系起來考慮，實驗課程設置上也都是各上各的，沒有考慮到相關性。

3.硬件基礎課程實驗改革方案

考慮到上述計算機硬件基礎課程實驗環(huán)節(jié)的各種不足，筆者提出從實驗內容和實驗方式兩個方面對硬件基礎課程實驗環(huán)節(jié)進行改革實踐。

1）實驗內容方面。

（1）在硬件基礎課程的實驗項目設置上，減少驗證型的實驗項目，增加設計型與綜合型的實驗項目；在實驗課時上，保證設計型與綜合型實驗的課時量。湘南學院計算機科學系2011版的培養(yǎng)方案中對各門功課的實驗項目都做了一定的調整，并要求保證設計型和綜合型的實驗占所有實驗課時的40%。調整后的培養(yǎng)方案保證了一定數(shù)量設計型與綜合型的實驗，有利于提高學生自身的設計能力與綜合應用所學理論知識的能力。例如，在數(shù)字邏輯課程的實驗項目設置中，共有16個實驗課時，其中14個為實驗課時，2個為實驗考核課時；在14個實驗課時中，設置了5個實驗項目：實驗一——門電路、實驗二——譯碼器與編碼器、實驗三——半加器與全加器、實驗四——觸發(fā)器、實驗五——計數(shù)器。其中實驗一、實驗二和實驗四3個實驗項目都是驗證型實驗，并且都只有2個課時；實驗三是組合電路的設計型實驗，給出一定的門電路和特定實驗要求，讓學生自己設計完成一個半加器和全加器的組合電路，占4個課時；實驗五是一個時序電路的綜合性實驗，給出一定的實驗要求，讓學生自己綜合所學知識設計一個計數(shù)器，也占4個課時。在計算機組成原理實驗項目設置中，共有16個實驗課時，其中2個為實驗考核課時，而其余的14個課時分給了5個實驗項目，實驗一——運算器，實驗二——存儲器，實驗三——微處理器，實驗四——基本模型機，實驗五——復雜模型機。其中前3個實驗都是單元實驗，也都是驗證型的實驗，每個實驗都只占2個課時；而第4個實驗，是要運用前3個實驗，組合成一臺簡單的有基本計算機功能的模型機，是屬于設計型的實驗，占4個實驗課時；第5個實驗，是在第4個實驗的基礎上，增加一些復雜的計算機功能，組成一臺復雜的模型機，此實驗是綜合型的實驗，占用4個實驗課時。endprint

（2）在現(xiàn)有實驗課時的基礎上，增加各門硬件基礎課程的課程設計環(huán)節(jié)，以課程設計作為實驗課的一個有利補充和綜合運用。而課程設計的命題可以緊跟當下IT技術的新發(fā)展，在課程設計中盡量讓學生接觸最新的技術與應用，也可以讓學生自主選擇感興趣的相關命題，指導其設計與實現(xiàn)。例如，數(shù)字邏輯課程設計中可以綜合所學的知識，結合實際應用，設置汽車尾燈控制器、簡單交通燈控制器、電子密碼鎖、智力競猜?lián)尨鹌鞯仍O計課題供學生選擇學習；計算機組成原理課程設計中可以設置多功能ALU設計、RAM故障診斷設計、使用硬連線控制器的CPU設計等綜合應用型的課題供學生選擇。

2）實驗方式方面。

（1）實現(xiàn)實驗方式的多元化。把單一的、傳統(tǒng)的用實驗箱做實驗的方式變?yōu)槎喾N實驗方式結合，實現(xiàn)實驗方式的多元化。例如，驗證型的實驗，用實驗箱實現(xiàn)，直觀易懂，而復雜些的設計型和綜合型實驗，試驗箱就有了一定的限制，不能充分發(fā)揮學生的自主設計能力。這時，可以考慮使用其他方式來實現(xiàn)。例如，前面介紹的EDA+PLD方式，當然這種方式實現(xiàn)起來比較復雜，還可以考慮用更加方便的電子設計軟件，如Multisim。Multisim是美國國家儀器有限公司（NI）推出發(fā)布的NI電路設計套件，是目前最先進、功能最強大的EDA軟件之一，它可以實現(xiàn)對電路原理圖形輸入、分析、仿真、測試等應用，是一個完整的電路設計和仿真工具軟件。應用Multisim實現(xiàn)數(shù)字邏輯實驗課程中的設計型和綜合型實驗是比較簡便和易操作的，而應用Multisim實現(xiàn)計算機組成原理實驗課程中的實驗相對來說比較復雜些，但也是可操作的，文獻中有相關敘述。而對于非常復雜的、綜合型較強的計算機組成原理中的整機實驗，可以應用自主開發(fā)的實驗平臺根據(jù)需求進行設計開發(fā)實現(xiàn)。例如，湘南學院計算機科學系在VS平臺上開發(fā)了基于瀏覽器客服端技術實現(xiàn)的計算機組成原理的虛擬仿真實驗平臺，這個平臺在2013年上半年已投入試運行，極大地增加了學生對計算機組成原理實驗課程的興趣與自主設計創(chuàng)新能力，從實驗課程的效果來看，比較理想。應用多元化的實驗方式，有利于提高實驗課程的吸引力，進一步提高學生對實驗課程的興趣。不同實驗方式的比較也可以讓學生從不同的方面更好地理解理論知識，進一步提高學生的設計創(chuàng)新能力。

（2）相關硬件基礎課程實驗一體化。由前文分析可知，硬件基礎課程之間是有一定聯(lián)系的，在設計實驗項目時，應該考慮到相關課程實驗項目之間的聯(lián)系和銜接，讓學生體會到相關的專業(yè)知識是一個整體，從而能更好地、前后聯(lián)系地學習相關的專業(yè)知識。例如，數(shù)字邏輯課程中的某些實驗可能會在計算機組成原理課程中有所應用，這時就不要重復設計相同的實驗項目，只需在設置實驗項目時把數(shù)字邏輯與計算機組成原理當作一門整體硬件基礎課程看待，進行一體化設置，便能避免相同知識的重復設置，又體現(xiàn)出?！I(yè)知識結構本身的規(guī)律，有利于學生對知識的整體理解和把握。同時在統(tǒng)一設計實驗項目的時候要遵循從簡單到復雜、從部分到整體、從驗證型到設計綜合型，這樣一個循序漸進的過程，在實驗過程中慢慢地增加實驗難度，這樣做更加有利于學生對知識的理解與接受。

4.結語

為了培養(yǎng)適合市場需求的具有實踐創(chuàng)新能力的應用型人才，在高校教學方面應該注重實驗教學的改革。筆者對于計算機硬件基礎課程的實驗進行改革，調整實驗內容，實現(xiàn)實驗方式多元化、實驗結構一體化的改革方案，并部分得到實踐，從實踐效果可以看出，新的實驗方案對提高學生的實驗興趣、激發(fā)學生的設計創(chuàng)新能力有一定的效果。我們下一步努力的方向是進一步完善本實驗改革方案并推動其實踐。endprint