計算機硬件類課程群實驗教學改革

　　文章編號：1672-5913(2011)17-0082-03 中圖分類號：G642 文獻標識碼：B
　　摘 要：自主創新能力是國家競爭力的核心，而實現自主創新，關鍵在人才。如何培養具備基礎性思維和創新能力的適應社會需要的計算機人才，是各高校面臨的重要問題之一。本文針對計算機硬件類課程群的實驗教學現狀介紹本校改革實踐情況，并提出一個目標、兩條線路、三步走的改革方案，取得良好成效。
　　關鍵詞：創新；計算機硬件類；課程群；實驗改革
　　基金項目：湖北省教育科學“十一五”規劃立項課題“基于創新能力培養的計算機硬件類課程群建設”(2008B116)的研究成果之一。
　　作者簡介：葉雪軍，男，講師，主要從事數字邏輯、計算機組成原理和計算機系統結構的教學工作，研究方向為計算機控制技術、嵌入式系統及應用。
　　培養應用型本科生，要求各院校根據本科生的培養目標、學院擁有的教學資源和社會對人才的需求來制定培養計劃，并給予可行的實施方案，并不要求所有學校千篇一律。各學校每年都在為如何在有限的教學時間內對計算學科如此眾多的知識域進行取舍、整合，制定出一個契合培養目標的教學計劃而探索。
　　本課題在IEEE/ACM關于計算(Computing)學科本科教學參考計劃CC2005(Computing Curricula 2005)指導下，針對我國高校本科計算機專業建設的現狀，結合本校的實際情況，為了滿足當前計算機專業發展的需要，培養“研究+實踐型”的面向一線的應用型工程人員，提高學生動手能力和創新能力，針對計算機硬件類課程群實驗教學，提出了一個目標、兩條線路和三步走的建設目標和設想，并在部分課程中取得一定成果。
　　1 國內外大學相關課程的教學現狀
　　計算機硬件類課程的教學和實驗情況比較復雜，全國各高校的教學資源不同，師資水平不同，學校的重視程度不同，教學內容和實驗平臺的使用也有很大不同。
　　從國外計算機硬件課程調查報告中可以看出，國外大學的計算機硬件課程教學內容從基本的MOS管、集成電路到整個計算機系統及外圍接口電路，涵蓋了計算機電路基礎、模擬電路、數字電路、計算機組成原理、計算機系統結構、微機原理與接口技術、微機控制技術、EDA等課程內容。硬件實驗課程更強調的是仿真工具的使用，原理設計——模擬實現——最終實現。實驗提供給學生的資料大部分是元器件生產廠家直接給的技術手冊，使學生更快地適應實際工作或者實際研究。而最終實現的開發裝置多數采用自主性實驗平臺，體積較小，學生可以自主設計實驗，時間自由，只需要在教師規定的時間內上交實驗報告、參加答辯，就可以獲得實驗成績。
　　國內各高校近年來也很重視硬件課程的實驗環節，也在教學和實驗中使用大量常用的仿真軟件，如EWB、Protel、Matlab、Proteus等。實驗平臺也各具特色，有的學校使用的是廠家提供的實驗箱、有的學校是根據自己學校情況自主開發的實驗平臺。開設的實驗從驗證型到設計型、從單個分散的實驗到綜合設計，從落后原始的調試手段到可視化虛擬儀器在線測試。所以，在計算機專業的教材中，計算機硬件課程實驗教材很難找到合適的，許多高校根據自己的情況自主開發了適合學生需求的實驗開發平臺，提高學生科學實驗的興趣，讓學生在實驗中找到成就感。
　　
　　2 課程群建設情況
　　計算機硬件類課程實踐教學屬于計算機類專業教學的重要組成部分，核心課程包括計算機電路基礎、數字邏輯、計算機組成原理、計算機系統結構、單片機原理與接口技術、VHDL和計算機模塊設計、微機原理及接口技術、匯編語言、微機控制技術、嵌入式技術等課程[1]，這些課程具有理論性強、應用范圍廣且與實踐聯系緊密等特點。實驗教學是理論知識的驗證與鞏固的重要環節，采用有效的實驗教學模式，通過正確引導，可以大大激發學生的學習興趣，提高學生的動手能力，強化學生的創新意識，為學生以后走上社會，從事信息科技領域工作打下良好的基礎[1]。
　　結合我校的實際情況，總結多年來計算機專業實驗教學改革的成果，我們提出了一個目標、兩條線路、三步走的改革方案。
　　2.1 一個目標
　　針對我校計算機專業教學對象的特點和人才市場的需求，我校的畢業生定位為“研究型+實踐型”的面向一線的應用型工程人員，我們提出了培養“有思想、有能力，實踐、實用、實干”型人才的辦學目標。而真正培養“兩有三實”人才，就是要努力做好實踐教學的每一個環節。實踐教學是培養學生動手能力的重要過程，要將實驗的內容、形式進行改革，注意分析問題和解決問題能力的培養，始終以分析型、應用型的信息管理和信息技術人才培養為核心，制訂實驗方案和計劃。
　　2.2 兩條線路
　　該課題根據電子電路設計的兩種方式，確定了計算機硬件類課程群改革的兩條線路。
　　一條線路采用“軟碰硬”的實驗方式，在計算機上調用元器件庫、連線畫圖、編制激勵信號文件，確定跟蹤點、調用參數庫及模擬程序等“軟”的手段去設計“硬”電路。即采用虛擬仿真的方式，不同的課程采用合適的仿真軟件，通過仿真實驗幫助學生理解單元電路的工作原理和工作過程。
　　另一條線路采用“硬碰硬”的實驗方式，即用元件、導線、集成塊、印刷板、焊錫、烙鐵、電源、信號源、示波器等“硬”的條件去設計一個新的“硬”電路。采用硬件的實驗平臺，提高學生的實踐動手能力和解決實際問題的能力。
　　兩條線路貫穿整個計算機硬件類課程教學和實驗，虛實結合，相輔相成，相得益彰，又各有優勢。
　　2.3 三步走
　　該課題研究的重點是如何優化計算機硬件課程的實驗資源，提高學生的動手能力和創新能力。對計算機硬件類課程群的改革分為三步走。
　　第一步，基于EDA計算機硬件類課程群實驗體系的改革。在數字邏輯、計算機組成原理的實驗教學中采用兩種模式的實驗，軟硬結合，加強學生對基礎知識的理解，提高他們學習硬件的興趣，為后續課程打下良好的基礎。
　　第二步，基于Proteus+Keil的系統仿真實驗的探索。在單片機、微機原理、嵌入式技術等課程中采用Proteus+Keil的虛擬仿真平臺，有效提高學生硬件系統設計、軟件編程和軟硬件聯調的能力，充分發揮學生的主觀能動性，滿足學生的創新需求，彌補了實驗和工程應用間脫節的矛盾。
　　第三步，基于SoC的自主性實驗平臺的研究和實踐。自主開發便攜式實驗開發平臺，學生可以從低年級開始，在技能訓練中自己組裝焊接該實驗平臺，一方面掌握電工焊接的基本技能，學習如何選擇器件、如何計算成本、如何制作PCB、如何焊接，另一方面可以了解該平臺的電路和基本原理，了解實驗系統的構成和設計思路，掌握Proteus仿真軟件的使用。在學習了微機原理與接口技術、單片機等相關課程后，學生就可以在自己的實驗平臺上完成和課程有關的一些基本驗證性實驗，加強對課程知識的理解和掌握。在學習完微機控制技術等專業課程后，教師可以鼓勵學生完成較復雜的綜合系統的設計，或者結合畢業論文自己找項目，書寫項目書，自主研發完整的計算機控制系統。
　　3 課程群教學改革實踐
　　我校學生計算機硬件類課程的實驗有多種模式，通過多年的實踐改革，部分課程已經取得了預期成果。
　　數字邏輯課程改革后采用虛擬實驗和實際制作相結合、基礎實驗和課程設計相結合、傳統面包板和現代實驗箱相結合的方式，并大膽實施分級教學，大大提高學生學習硬件的興趣，取得很好的效果。
　　計算機組成原理課程實現兩種模式的課程實驗。一種是采用傳統的數字系統設計的方式，部件和整機的設計與實現基本上是在實驗室特定的硬件平臺上進行的；另一種是采用EDA的方式，采用可編程邏輯器件，可以通過設計芯片來實現系統功能，從而有效地增強了設計的靈活性，提高了工作效率，并能夠縮小系統體積，降低能耗，提高系統的性能和可靠性。經過比較和研究后，結合我院學生的基本情況，將兩種方法結合，單元實驗采用第一種方式設計計算機的各個組成部件，學生可以結合實驗電路幫助理解部件功能和工作原理，綜合實驗和設計類實驗采用EDA的方式實現部件和整機的設計，給學生提供很大的設計空間。這種方式可以作為學生課程設計以及畢業設計的基本研究方式，進行數字系統的設計、復雜模型機的設計等[2]。
　　
　　單片機原理與接口技術、微機原理與接口技術、微機控制技術等課程引入Proteus+Keil平臺進行系統仿真。利用Proteus 和Keil 聯調實現動態仿真在Proteus 軟件中繪制電路圖，并進行硬件電路調試，通過軟件中的虛擬儀器在Keil 軟件中選擇單片機型號，用匯編語言或C語言編寫程序并完成軟件的語法調試。在這個平臺上，學生不僅能夠獨立完成單項實驗，還可以完成如溫度報警系統、萬年歷顯示系統等綜合設計。
　　仿真實驗只是學生感觸系統設計過程的一個環節，更重要的是硬件開發平臺使用、程序設計和調試。如何將先進的仿真工具引入教學，如何設計和使用實驗平臺，虛實結合，發揮學生的創造性，提高學生的研究能力，使學生能更快地適應實際工作或者實際研究，需要教師們認真思考。當前計算機系統實驗都是使用實驗箱完成的，學生受到時間、地域以及實驗箱的限制，無法自主創新。
　　該課題實現了基于SoC的自主性實驗平臺的設計，方便學生自主設計，擴展實驗。本實驗平臺的內核芯片C8051F005為美國Silicon Labs公司生產的系列混合信號系統芯片(SoC)中的一種，該芯片的CPU構架為8051內核，集成了功能強大的可編程和可重配置的數字和模擬外設，在近年來的工業產品中廣泛應用。該系統具有可編程放大器、A/D轉換器、D/A轉換器、可編程電流源、微控制器內核及豐富的外圍設備等電路模塊，各電路模塊之間可重編程和重配置。其功能如下。
　　1) 1路1mA的恒流輸出，用于驅動傳感器電路。
　　2) 1路4~20mA的電流輸出，用于構成標準電流信號。
　　3) 1路0~5V的電壓信號輸出，用于構成標準電壓信號。
　　4) 1路4~20mA的電流輸入，用于采集現場儀表的電流信號。
　　5) 2路電壓采集輸入(0~2.4V)，可擴充至6路電壓輸入。
　　6) 1路板載溫度傳感器，可用于熱電偶等測量電路的冷端補償。
　　7) 1路電壓比較器，可擴充至2路比較器。
　　8) 2路繼電器輸出，額定電壓30V，額定電流1A。
　　9) 2路光電隔離輸出，額定電壓16V，額定電流50mA。
　　10) 2路光電隔離輸入。
　　11) RS485通信接口。
　　12) 4位LED數碼顯示管。
　　13) 4按鍵輸入。
　　14)板載系統時鐘24MHz，可使用片上時鐘，2-16MHz可調。
　　15) JTAG接口，支持在系統編程與調試。
　　該實驗平臺具有基本的硬件平臺和軟件模塊，用于學生在課內課外開展自主性實驗。由于SoC系統具有可重配置和重編程的特性，系統靈活性很強，學生可利用實驗平臺的基本軟硬件模塊完成設計目標。學生可選擇某一感興趣的課題完成實驗，在實驗過程中經歷控制系統的總體設計到在實驗平臺上實現的整個過程，既要了解實驗平臺的硬件構成，又要針對設計目標進行軟件編程，基本等于完成了一個工程實際系統的設計，其自主性和創新性得到充分發揮。學生在該平臺上既可以做基礎的認知實驗，也可以做課程設計或者畢業設計等。
　　4 結語
　　計算機專業硬件類課程群實驗教學改革是一個長期的過程。如何訓練學生的思考能力、動手能力和創新能力？改善實驗模式，使用虛擬實驗工具、自主性實驗開發平臺，既能夠達到教學目標，又能夠節省實驗資源，還可激發學生的學習興趣，鼓勵優秀學生充分發揮想象力，去設計與實際生活工作有關的項目。我們將不斷完善實踐教學體系，在實踐中探索、改革、提高，以培養出更多適應社會發展的綜合型人才[3]。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會. 高等學校計算機科學與技術專業公共核心知識體系與課程[M]. 北京:清華大學