基于虛擬仿真技術(shù)的計算機系統(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)代計算機工程呈現(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，這就要求計算機工程技術(shù)人才必須從系統(tǒng)的高度多維度地研究與構(gòu)思， 綜合運用多種知識進(jìn)行工程實施， 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算機專業(yè)人才的培養(yǎng)方面，主要有以下兩個部分：

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

（2）在實踐過程中缺乏工程訓(xùn)練，在訓(xùn)練時，項目的難度和規(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，可以利用計算機仿真技術(shù)，對電路、微機原理與接口技術(shù)和嵌入式等硬件課程進(jìn)行仿真平臺搭建，并將實體實驗進(jìn)行虛擬仿真、調(diào)試，通過計算機網(wǎng)絡(luò)硬件平臺和電子仿真軟件以及虛擬實驗教程，構(gòu)建了一個設(shè)備先進(jìn)的虛擬實驗室[2]。 虛擬實驗室的本質(zhì)就是以虛代實、以軟代硬。

1 虛擬仿真融入計算機系統(tǒng)能力的需求

1.1 計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的意義

近幾年，在高校計算機類專業(yè)中推動系統(tǒng)能力培養(yǎng)的重大課題由教育部高等學(xué)校計算類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會提出，系統(tǒng)能力是指能理解計算機系統(tǒng)的整體性、關(guān)聯(lián)性、層次性、動態(tài)性和開放性，掌握計算機硬軟件協(xié)同工作及相互作用機制，并綜合運用多種知識與技術(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)生都成為計算機系統(tǒng)的設(shè)計者和研究者，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算機系統(tǒng)，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定了堅實的基礎(chǔ)。 針對我校計算機專業(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現(xiàn)對計算機知識的系統(tǒng)性理解，具有成本低、易實現(xiàn)、符合學(xué)生認(rèn)知水平等特點，有助于豐富計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)[4]。

1.2 我校計算機硬件課程開設(shè)現(xiàn)狀

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

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

1.3 虛擬仿真一體化實驗平臺建設(shè)

通過多年的實踐教學(xué)，發(fā)現(xiàn)對于我校計算機專業(yè)的學(xué)生來說，畢業(yè)后從事專業(yè)的計算機硬件相關(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，計算機硬件的相關(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)課程的實驗教學(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)行虛擬仿真實踐教學(xué)體系的構(gòu)建

2.1 基于Proteus 的硬件課程實驗體系的實施方案

配合原計算機電路實驗室的改建工作，重點修訂數(shù)字邏輯電路、 計算機電路基礎(chǔ)課程新的實驗大綱與實驗指導(dǎo)書。 修訂計算機組成原理、微機原理、單片機技術(shù)等課程的實驗方案， 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 仿真的計算機硬件實驗實施的統(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)建硬件課程實驗體系。 基于Proteus 的虛擬實驗項目在進(jìn)行過程中,可以使原理圖設(shè)計、元器件選擇、性能測試、功能動態(tài)仿真、 結(jié)果分析和實驗報告集成在一個工程項目完成。

2.2 在統(tǒng)一實驗平臺上進(jìn)行多課程融合

電路知識計算機硬件的基礎(chǔ)知識， 組成原理在基礎(chǔ)電路知識的基礎(chǔ)上介紹了普適的計算機硬件組成知識，微機原理則以具體的CPU，介紹計算機軟硬件結(jié)合的相關(guān)知識， 單片機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)計虛擬實驗項目時， 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)合理地制定實驗項目，加強各門課程實驗之間的聯(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)一的仿真實驗平臺很重要。 以Proteus 仿真軟件為基礎(chǔ)，完成多課程的實驗，促進(jìn)課程之間的融合， 加強學(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 計算機系統(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)生的計算機系統(tǒng)能力。 可以在仿真平臺上實現(xiàn)從基本電路設(shè)計，到集成芯片連接，再到組成微型計算機、單片機最小系統(tǒng)，通過接口連接簡單外設(shè)，實現(xiàn)編程控制。 通過這樣一個自底向上的搭建過程，使學(xué)生對計算機的硬件基礎(chǔ)有一個更為具體的認(rèn)識，幫助學(xué)生更好理解計算機的工作過程，并能和計算機軟件開發(fā)相結(jié)合，培養(yǎng)更有競爭力的計算機從業(yè)者。

3 虛擬仿真實踐教學(xué)體系的特色

3.1 促進(jìn)課程融合、增強課程體系的系統(tǒng)性

計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)是一個系統(tǒng)性工程，涉及多個學(xué)期的多門課程，如數(shù)字電路、微機原理、組成原理、單片機、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，也有對各自不同側(cè)重點。 利用Proteus 仿真平臺，可先以實驗為紐帶，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 鍛煉師資隊伍、促進(jìn)人才培養(yǎng)

目前， 教學(xué)團(tuán)隊的建設(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算機系統(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，少量實驗驗證板即可滿足課程需要。 軟件的維護(hù)費用極低，能有效減少原有實驗教學(xué)方式對耗材的消耗和設(shè)備的折損，節(jié)省實驗成本。 教師可以基于仿真軟件，自主開發(fā)更多綜合型實驗， 新的實驗項目設(shè)計好后，可以長期使用，如有需要，變更起來也很方便。