計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)改革與實(shí)踐

1、 計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)改革與實(shí)踐 肖娟，龔德良，陸武魁，張?chǎng)╇儯ㄏ婺蠈W(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，湖南 郴州 423000）摘?要： 計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程主要包括數(shù)字邏輯和計(jì)算機(jī)組成原理兩門課程。文章以湘南學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系所開設(shè)的計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程為例，分析目前這兩門課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)所存在的問題，提出一種多元化、一體化、循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)改革方案。Keys：硬件基礎(chǔ)課程；實(shí)驗(yàn)改革；多元化；一體化基金項(xiàng)目：湖南省普通高校省級(jí)精品課程（湘教通2010111號(hào)NO.134）；2012年湘南學(xué)院科研基金資助項(xiàng)目（44）；2013湖南省教育科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目（XJK013QXX003）；湘南學(xué)院院級(jí)項(xiàng)目（2010Y016）。

2、第一作者簡(jiǎn)介：肖娟 ，女，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)硬件相關(guān)課程教學(xué)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用，A。0引言計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程是所有計(jì)算機(jī)類或通信類專業(yè)所必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程。當(dāng)然不同的院校對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程的開設(shè)都不盡相同，但是一般都會(huì)包括數(shù)字邏輯（或稱數(shù)字電路）和計(jì)算機(jī)組成原理這兩門課程。以湘南學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系為例，該系設(shè)有計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)師范、網(wǎng)絡(luò)工程、通信工程4個(gè)專業(yè)。對(duì)于不同的專業(yè)，硬件基礎(chǔ)課程的開設(shè)也有所不同，例如，通信工程專業(yè)還會(huì)開設(shè)電子與電路這門硬件基礎(chǔ)課程，而網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)會(huì)加開匯編語(yǔ)言課程，而數(shù)字邏輯與計(jì)算機(jī)組成原理卻是所有專業(yè)都必修的硬件基礎(chǔ)課程。因此，針對(duì)這兩門通用的硬件

3、基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，筆者提出了教學(xué)改革方案。1硬件基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)改革的必要性湘南學(xué)院是地方應(yīng)用型本科院校，其培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)適應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需要的基礎(chǔ)扎實(shí)、專業(yè)突出、實(shí)踐創(chuàng)新能力強(qiáng)的應(yīng)用型高級(jí)專門人才。實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力以及應(yīng)用型人才的培養(yǎng)在課程的教學(xué)過程中主要是注重實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)踐教學(xué)。實(shí)踐出真知，創(chuàng)新源于實(shí)踐。如何在實(shí)踐教學(xué)中培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力與動(dòng)手能力一直是各高校關(guān)注的問題，也是計(jì)算機(jī)及其相關(guān)專業(yè)迫切需要解決的問題，而且也直接關(guān)系到學(xué)生的就業(yè)與發(fā)展1-2。目前IT產(chǎn)業(yè)技術(shù)日新月異，知識(shí)的更新?lián)Q代比起其他學(xué)科更加迅猛。雖然目前從重點(diǎn)本科院校到地方性本科院校，從職業(yè)技術(shù)學(xué)院到中等?？茖W(xué)校都

4、有開設(shè)計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)，但是不管哪種層次的計(jì)算機(jī)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(gè)差距主要來源于實(shí)踐動(dòng)手能力。如何盡量地縮短這個(gè)差距，讓學(xué)生一畢業(yè)就能上崗，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)中的一個(gè)主要目標(biāo)。計(jì)算機(jī)類學(xué)科中的一個(gè)基礎(chǔ)就是硬件基礎(chǔ)，在硬件的基礎(chǔ)上才能開發(fā)各種軟件，在硬件的基礎(chǔ)上才能有各種網(wǎng)絡(luò)或者通信方面的應(yīng)用，因此學(xué)好硬件的基礎(chǔ)課程是整個(gè)專業(yè)的基石。而如何進(jìn)一步理解枯燥的硬件基礎(chǔ)知識(shí)，如何提高學(xué)生對(duì)硬件基礎(chǔ)課程的興趣與愛好，如何在硬件基礎(chǔ)課程中培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，都需要從硬件基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)中去尋求答案。為了適應(yīng)時(shí)代的需求，培養(yǎng)出具有實(shí)踐創(chuàng)新能力的

5、應(yīng)用型人才，對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)中的硬件基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)改革勢(shì)在必行。2硬件基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)是計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程教學(xué)不可或缺的重要組成部分3。實(shí)驗(yàn)課程是理論課程的重要補(bǔ)充。對(duì)于一些難以理解的理論知識(shí)，通過實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生更好地掌握。但是目前，硬件基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)還存在著許多的不足，不能滿足課程培養(yǎng)目標(biāo)的要求，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）實(shí)驗(yàn)課時(shí)不足。對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程，根據(jù)硬件技術(shù)的發(fā)展對(duì)于每門課程所能開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程數(shù)量相對(duì)于以前都有所增加，但是實(shí)驗(yàn)課時(shí)卻一直沒有變化，顯然課時(shí)不足已經(jīng)影響實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新。（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程中，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)型和綜合型

6、實(shí)驗(yàn)相對(duì)較少，學(xué)生只需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)進(jìn)行操作，然后觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果即可，無法調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性與創(chuàng)造能力。（3）實(shí)驗(yàn)方式單一。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程中，大多數(shù)的硬件實(shí)驗(yàn)課程都是在已經(jīng)固化好一些所需芯片的實(shí)驗(yàn)面包板上進(jìn)行的，所有的實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是固定的，學(xué)生能自己更改的部分很少。對(duì)此，目前有部分院校在硬件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課中引入了基于EDA+PLD（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化+可編程邏輯器件）技術(shù)的實(shí)驗(yàn)方式。這種實(shí)驗(yàn)方式不僅需要仿真軟件，而且需要掌握某種硬件描述語(yǔ)言，實(shí)驗(yàn)過程相對(duì)比較復(fù)雜，但比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱更能發(fā)揮學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，對(duì)學(xué)生的要求相對(duì)比較高。（4）各門硬件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課之間缺少相互的聯(lián)系。計(jì)算機(jī)類專業(yè)課程

7、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(gòu)成器件的基本部件門電路，以及組合電路時(shí)序電路等的分析與設(shè)計(jì)，而計(jì)算機(jī)組成原理主要介紹計(jì)算機(jī)的組成部件及其相關(guān)原理。計(jì)算機(jī)組成部件的本質(zhì)都是一些組合電路或時(shí)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(shí)驗(yàn)課程中，這兩門課程的實(shí)驗(yàn)課根本沒有聯(lián)系起來考慮，實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置上也都是各上各的，沒有考慮到相關(guān)性。3硬件基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)改革方案考慮到上述計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的各種不足，筆者提出從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方式兩個(gè)方面對(duì)硬件基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革實(shí)踐。1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面。（1）在硬件基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置上，

8、減少驗(yàn)證型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增加設(shè)計(jì)型與綜合型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；在實(shí)驗(yàn)課時(shí)上，保證設(shè)計(jì)型與綜合型實(shí)驗(yàn)的課時(shí)量。湘南學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系2011版的培養(yǎng)方案中對(duì)各門功課的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都做了一定的調(diào)整，并要求保證設(shè)計(jì)型和綜合型的實(shí)驗(yàn)占所有實(shí)驗(yàn)課時(shí)的40%。調(diào)整后的培養(yǎng)方案保證了一定數(shù)量設(shè)計(jì)型與綜合型的實(shí)驗(yàn)，有利于提高學(xué)生自身的設(shè)計(jì)能力與綜合應(yīng)用所學(xué)理論知識(shí)的能力。例如，在數(shù)字邏輯課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置中，共有16個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)，其中14個(gè)為實(shí)驗(yàn)課時(shí)，2個(gè)為實(shí)驗(yàn)考核課時(shí)；在14個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)中，設(shè)置了5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：實(shí)驗(yàn)一門電路、實(shí)驗(yàn)二譯碼器與編碼器、實(shí)驗(yàn)三半加器與全加器、實(shí)驗(yàn)四觸發(fā)器、實(shí)驗(yàn)五計(jì)數(shù)器。其中實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)四3個(gè)實(shí)

9、驗(yàn)項(xiàng)目都是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，并且都只有2個(gè)課時(shí)；實(shí)驗(yàn)三是組合電路的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，給出一定的門電路和特定實(shí)驗(yàn)要求，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)完成一個(gè)半加器和全加器的組合電路，占4個(gè)課時(shí)；實(shí)驗(yàn)五是一個(gè)時(shí)序電路的綜合性實(shí)驗(yàn)，給出一定的實(shí)驗(yàn)要求，讓學(xué)生自己綜合所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器，也占4個(gè)課時(shí)。在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置中，共有16個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)，其中2個(gè)為實(shí)驗(yàn)考核課時(shí)，而其余的14個(gè)課時(shí)分給了5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)一運(yùn)算器，實(shí)驗(yàn)二存儲(chǔ)器，實(shí)驗(yàn)三微處理器，實(shí)驗(yàn)四基本模型機(jī)，實(shí)驗(yàn)五復(fù)雜模型機(jī)。其中前3個(gè)實(shí)驗(yàn)都是單元實(shí)驗(yàn)，也都是驗(yàn)證型的實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都只占2個(gè)課時(shí)；而第4個(gè)實(shí)驗(yàn)，是要運(yùn)用前3個(gè)實(shí)驗(yàn)，組合成一臺(tái)簡(jiǎn)單的有基本計(jì)算機(jī)功

10、能的模型機(jī)，是屬于設(shè)計(jì)型的實(shí)驗(yàn)，占4個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)；第5個(gè)實(shí)驗(yàn)，是在第4個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加一些復(fù)雜的計(jì)算機(jī)功能，組成一臺(tái)復(fù)雜的模型機(jī)，此實(shí)驗(yàn)是綜合型的實(shí)驗(yàn)，占用4個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)。（2）在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)課時(shí)的基礎(chǔ)上，增加各門硬件基礎(chǔ)課程的課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，以課程設(shè)計(jì)作為實(shí)驗(yàn)課的一個(gè)有利補(bǔ)充和綜合運(yùn)用。而課程設(shè)計(jì)的命題可以緊跟當(dāng)下IT技術(shù)的新發(fā)展，在課程設(shè)計(jì)中盡量讓學(xué)生接觸最新的技術(shù)與應(yīng)用，也可以讓學(xué)生自主選擇感興趣的相關(guān)命題，指導(dǎo)其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。例如，數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)中可以綜合所學(xué)的知識(shí)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，設(shè)置汽車尾燈控制器、簡(jiǎn)單交通燈控制器、電子密碼鎖、智力競(jìng)猜?lián)尨鹌鞯仍O(shè)計(jì)課題供學(xué)生選擇學(xué)習(xí)；計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)

11、中可以設(shè)置多功能ALU設(shè)計(jì)、RAM故障診斷設(shè)計(jì)、使用硬連線控制器的CPU設(shè)計(jì)等綜合應(yīng)用型的課題供學(xué)生選擇。2）實(shí)驗(yàn)方式方面。（1）實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)方式的多元化。把單一的、傳統(tǒng)的用實(shí)驗(yàn)箱做實(shí)驗(yàn)的方式變?yōu)槎喾N實(shí)驗(yàn)方式結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)方式的多元化。例如，驗(yàn)證型的實(shí)驗(yàn)，用實(shí)驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)，直觀易懂，而復(fù)雜些的設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)箱就有了一定的限制，不能充分發(fā)揮學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力。這時(shí)，可以考慮使用其他方式來實(shí)現(xiàn)。例如，前面介紹的EDA+PLD方式，當(dāng)然這種方式實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，還可以考慮用更加方便的電子設(shè)計(jì)軟件，如Multisim。Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器有限公司（NI）推出發(fā)布的NI電路設(shè)計(jì)套件，是目前最

12、先進(jìn)、功能最強(qiáng)大的EDA軟件之一，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路原理圖形輸入、分析、仿真、測(cè)試等應(yīng)用，是一個(gè)完整的電路設(shè)計(jì)和仿真工具軟件4。應(yīng)用Multisim實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)課程中的設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)是比較簡(jiǎn)便和易操作的，而應(yīng)用Multisim實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程中的實(shí)驗(yàn)相對(duì)來說比較復(fù)雜些，但也是可操作的，文獻(xiàn)5中有相關(guān)敘述。而對(duì)于非常復(fù)雜的、綜合型較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)組成原理中的整機(jī)實(shí)驗(yàn)，可以應(yīng)用自主開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)現(xiàn)。例如，湘南學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系在VS平臺(tái)上開發(fā)了基于瀏覽器客服端技術(shù)實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)組成原理的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)在2013年上半年已投入試運(yùn)行，極大地增加了學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)

13、組成原理實(shí)驗(yàn)課程的興趣與自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力，從實(shí)驗(yàn)課程的效果來看，比較理想。應(yīng)用多元化的實(shí)驗(yàn)方式，有利于提高實(shí)驗(yàn)課程的吸引力，進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的興趣。不同實(shí)驗(yàn)方式的比較也可以讓學(xué)生從不同的方面更好地理解理論知識(shí)，進(jìn)一步提高學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。（2）相關(guān)硬件基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)一體化。由前文分析可知，硬件基礎(chǔ)課程之間是有一定聯(lián)系的，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)該考慮到相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間的聯(lián)系和銜接，讓學(xué)生體會(huì)到相關(guān)的專業(yè)知識(shí)是一個(gè)整體，從而能更好地、前后聯(lián)系地學(xué)習(xí)相關(guān)的專業(yè)知識(shí)。例如，數(shù)字邏輯課程中的某些實(shí)驗(yàn)可能會(huì)在計(jì)算機(jī)組成原理課程中有所應(yīng)用，這時(shí)就不要重復(fù)設(shè)計(jì)相同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，只需在設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)把數(shù)字邏輯與計(jì)算機(jī)組成原理當(dāng)作一門整體硬件基礎(chǔ)課程看待，進(jìn)行一體化設(shè)置，便能避免相同知識(shí)的重復(fù)設(shè)置，又體現(xiàn)出專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)本身的規(guī)律，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的整體理解和把握。同時(shí)在統(tǒng)一設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的時(shí)候要遵循從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從部分到整體、從驗(yàn)證型到設(shè)計(jì)綜合型，這樣一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，在實(shí)驗(yàn)過程中慢慢地增加實(shí)