互動式計算機硬件實驗教學內容研究

摘要：結合計算機硬件實驗教學的特點和情況，從環境建設、考核方式以及教學體系構建等多方面，介紹計算機硬件實驗的教學理念，提出互動式實驗教學的新方案，為后續計算機硬件實驗教學提供研究路線和參考內容。

關鍵詞：計算機硬件；實驗教學；創新人才；教學改革

文章編號：1672-5913（2013）03-0046-04

中圖分類號：G642

0 引言

計算機硬件實驗主要面向軟件工程、信息安全等專業開設，它是計算機硬件實驗教學體系中最為重要的教學內容之一。通過計算機硬件實驗，學生可以掌握計算機硬件設計、制作、調試、運行維護等多方面的技能。學生利用VHDL以及波形圖等對實驗結果和中間環節進行調試和驗證，可以訓練自身對計算機底層技術的創新技能，培養嚴謹的科研作風。

隨著電子設計自動化（EDA）和可編程邏輯器件（PLD）技術的快速發展，國內外高校普遍采用硬件描述語言進行邏輯設計，實現在計算機上進行功能仿真，最后下載到編程邏輯器件中進行測試。哈爾濱工程大學于2005年在黑龍江省率先引進了單片大規模FPGA來實現計算機硬件實驗教學，這種方法將使實驗過程從“驗證為主”轉變到以“設計為主”，有助于提高學生的硬件設計能力。

目前，計算機硬件實驗的突出特點是仿真實驗軟件系統過于復雜。從編程到測試，再到實時測試的過程過于繁瑣，學生不易掌握。教師往往需要花費大量的課時，講解QUARTS軟件的基本使用方法以及FPGA實驗平臺的結構原理，這就大大降低了計算機硬件實驗的教學效果。

互動式計算機硬件實驗教學將主要研究如何通過多媒體教學手段以及教師學生互動交流等方式，使學生在脫離實驗室的環境下，快速掌握軟件系統及硬件平臺的使用技巧，提高計算機硬件實驗教學質量和學生培養效果。

1 國內外現狀、水平與發展趨勢

目前，歐美發達國家的理工科大學計算機專業普遍重視硬件類課程實驗，要求學生必須掌握一種硬件描述語言，會使用先進的EDA工具進行硬件設計、驗證和測試。美國、日本、新加坡等國早在20世紀90年代初期，就開展了有關互動式輔助實驗教學的研究。利用多媒體、教師個人網站等多種電子交互手段，提高教師知識傳授和學生間技術交流的效果，達到課內外同步教學的目標。

互動式實驗教學主要解決大量基礎知識的講授以及基本技能問題驗證占用有限課時的問題，目的是有效降低教師的教學負擔，提高學生的學習效率。日本、韓國在互動硬件實驗教學上具有豐富的經驗，在多所高等學校進行推廣，如日本北海道大學、韓國釜山大學等均建有獨立的互動實驗門戶或交互系統。

我國的計算機實驗教學發展相對較晚，近年來，隨著大批實驗教學示范中心的建設以及高校對實驗教學方法改革與研究的逐步重視，包括清華大學、北京大學、上海交通大學在內的許多高校都陸續開展了對互動式實驗教學內容的研究。目前我們將重點闡述如何通過互動實驗教學方式，縮短學生理解基礎知識、熟悉設備使用的時間，最終獲得理想的教學效果。

2 實驗教學體系

2.1計算機硬件實驗的重要性

嵌入式系統以應用為中心，以計算機技術為基礎，因其軟硬件可裁減，已受到歐美發達國家的廣泛關注。哈爾濱工程大學依據當今國際電子設計業對人才培養能力的普遍認同標準，集中強化學生嵌入式開發技術技能的培養。

為此，我們為計算機科學與技術及相關專業勾畫了以數字邏輯實驗為基礎，以微機接口實驗為終結的，包含計算機硬件實驗、計算機部件實驗以及計算機組成實驗為一體的計算機硬件實驗教學課程群。要求本科生從大學第四學期到第七學期硬件實驗內容不斷線、銜接連貫、層次提高；強調各門課程明確分工、分層次培養學生的獨立組織硬件實驗的能力、軟件仿真驗證能力和測量儀器使用能力。

計算機硬件實驗是該課程群針對軟件工程、信息安全等專業設置的，實驗內容緊緊圍繞計算機組成原理，兼顧VHDL描述語言、數字邏輯有關組合、時序邏輯電路的有關知識；每個實驗項目都是一個獨立的實驗單元，可進行獨立設計和測試，同時，所有的實驗單元又能夠組成一個有機的整體，完成一個基本模型機的設計和實現。

基于上述原因，哈爾濱工程大學計算機實驗教學中心（下簡稱“實驗中心”）選用GW-48系列SOPC/EDA實驗開發系統進行計算機硬件實驗教學。學生利用實驗開發系統完成一系列基本單元實驗和模型計算機綜合設計實驗，掌握計算機各個部件的功能和設計方法，也更加直觀地掌握計算機各主要部件的工作原理。實驗開發系統不但使學生更加深刻地理解了計算機組成原理理論知識，而且還能使他們在VHDL語言、EDA軟件工具和FPGA的應用方面獲得大量實用的技術。

2.2“三化結合，四個并舉”的實驗教學理念

“三化結合”的教學理念：構建軟硬件一體化實驗環境有利于培養學生軟硬件綜合素質，實驗平臺綜合化有利于培養學生的綜合設計能力，實驗內容系統化有利于培養學生的系統化設計思想和能力，為較好地實現“理論教學注重基礎，實踐教學注重能力，創新教學注重個性”的目標打下了堅實的基礎。

四個并舉的教學理念：

1）工學并舉。

工程教育與經濟建設相結合，按照工程教育專業認證要求調整實踐育人目標；按照卓越工程師培養計劃建立面向校企合作的實踐育人體系。

理論教學與工程實踐相結合，修訂2009版人才培養方案，加強理論課程與實踐課程內容的相互融合，打造科學合理的實踐育人平臺。

科學研究與社會服務相結合，以ACM人才培養實驗班為依托，培養拔尖人才，打通進入科研實驗室的科學研究模式；提高科技創新普及率，增加學生接觸社會、服務社會的鍛煉機會，提高社會實踐能力。

開辟提高實踐教學辦學水平、推動區域經濟快速發展的“三結合”辦學道路。

2）點面并舉。

以數字邏輯實驗為例，實驗分為三個階段：①組合邏輯實驗階段采用虛擬實驗環境與現場器件驗證操作相結合方式；②時序邏輯實驗階段采用實際器件操作與理論研究相結合方式；③創新設計階段采用自主設計與教師指導相結合方式。不同的實驗類型和階段，采用不同的授課方式和教學設備資源。

3）教研并舉。

將科研資源有機融合，科研實驗室、創新實驗室全部面向學生開放，遴選科研團隊教師納入兼職教師序列，研究生助教充實教學輔助力量，科研方向助力推動科技創新，提高學生的科學研究水平；積極開展面向教學輔助系統的科學研究，開設MATLAB等科研工具與科研方法的實驗教學課程，鼓勵學生參與科研實踐，使學生了解科技最新發展，提升學生科學研究和科技創新的能力。夯實教師隊伍和教學質量工程建設，教學科研相互促進，共同推動實踐教學發展。

做到“教學-科研-創新-服務”一線牽，從教學中發現問題，并凝練問題；在創新中探索問題，并剖析問題；以科研來處理問題，并解決問題；由服務來普及“問題”，并消除“問題”。

4）建改并舉。

以軟件工程、計算機科學與技術、物聯網工程和信息安全四個專業為依托，分別建設國家工程實踐教育中心、實驗教學基地、工程師培養基地、校企聯合實驗室、實習實訓基地等。

加大計算機實驗教學平臺建設力度，特別是文化平臺的建設，設立圖靈文化長廊、計算機歷史展廳、計算機技術展廳以及實驗中心宣傳展廳，強調“格物窮理、知行合一”的辦學思想。

面向軟硬件實驗課程，開展實驗教學改革，開展虛擬實驗教學開放系統建設、物聯網技術綜合實驗系統建設和創新實驗基礎與實踐課程建設。

面向創新實踐活動及教學，與科研密切聯系，結合科研方向，依托計算機科學與技術、軟件工程兩個一級學科，設立集成科研團隊技術優勢的創新平臺，即物聯網技術創新平臺、網絡與信息安全創新平臺、機器人技術創新平臺、軟件工程創新平臺和ACM/ICPC創新平臺。

2.3計算機硬件實驗項目設計

由于計算機硬件實驗主要面向計算機科學與技術以外專業開設，參與實驗的學生絕大多數未學習數字邏輯等基礎課程。為此，按照計算機硬件實驗課程群的整體安排，考慮到知識點的傳承，我們制定了由邏輯電路到重要部件，最終回歸基本模型機的項目設計思路。具體內容見表1。

3 互動式實驗教學

3.1互動式實驗考核方式

實驗內容和實驗方法的多樣性決定了考核方式的多樣化，考核方式應能真實地反映學生的理論水平和實驗技能水平。為此，課程組提出了“3+5+2互動式實驗成績考核方式”。其突出特點在于將“生寫師查、生做師察、生疑師答”三種交互方式貫穿于整個實驗考核過程中。

1）生寫師查。突出預習在實驗教學中的作用，預習成績占總成績的30%，預習報告是學生對于教師所教授理論知識理解和掌握程度的直觀體現。教師查看預習報告，有針對性地指導學生實驗，從而提高了實驗教學質量。

2）生做師察。實驗操作和數據收集是實驗教學的中心環節，占總成績的50%。教師通過現場觀察和抽查的方式，對學生的動手能力進行全面考核，包括：①是否遵守實驗規則；②設計能力；③分析、解決問題能力；④對理論設計的實現能力等。

3）生疑師答。實驗報告是實驗教學成果的總結，它反映了學生對科學實驗的概括總結能力，占總成績的20%。對于學生的疑惑和操作難題，教師有必要進行針對性解答和輔導。

上述多角度的師生互動方式，考核了學生的真實水平，提高了實驗教學的整體質量，達到了實踐創新的培養目標。

3.2互動式虛擬實驗教學平臺

互動式實驗教學的目標是：①減輕教師繁重的教學指導任務，提高師生互動頻率和次數，提高實驗教學質量；②降低設備使用的冗余時間，加強實驗的靈活性和創新型，實現高素質創新人才的培養目標。由此，互動式虛擬實驗教學平臺應運而生。

互動式虛擬實驗教學平臺是以虛擬現實為技術基礎，結合計算機硬件實驗課程建立起來的，以加強師生互動、挖掘學生創新潛能、節約實驗經費為目的。教學平臺依托于校園網絡環境，可以解決實驗設備資源不足、實驗室開放與日常學習任務沖突等問題，實現最大負荷情況下的多人數在線虛擬實驗。

互動式虛擬實驗平臺內部運行結構如圖l所示。該教學平臺不受場地和教學課時限制，學生可根據自身基礎，完成任何基于虛擬元器件的邏輯電路，并在FPGA平臺上給予實現。借助于該教學平臺，教師能夠靈活考查學生對于實驗原理的掌握程度、實驗操作的熟練程度以及技術創新的拓展程度。

3.3互動式實驗教學改革反饋

為了檢驗互動式計算機硬件實驗教學內容的改革效果，實驗中心對全校159名學生進行了“互動式計算機硬件實驗教學效果”調查問卷。

從統計結果可以看出，89.5%的學生通過實驗完全理解了相關理論知識；91.2%的學生可以熟練運用有關的科學實驗方法，92.6%的學生能獨立完成或在教師提示下完成應用系統設計，96.2%的學生認為實驗教學對考研或就業有較大幫助；94.3%的學生通過實驗課程的學習，認為教學內容和課程設置合理，能滿足需求。很多學生反映新修訂的計算機硬件實驗教學內容注重能力培養，加強了老師與學生的溝通，特別是增強了對創新能力的培養，使其終生受益。

4 結語

互動式計算機硬件實驗教學改革對于培養高素質人才、創建一流的研究型大學至關重要。計算機硬件實驗教學改革的出發點是為了提高學生的綜合素質，主要體現在培養學生的創新精神，提高實踐能力、團隊協作能力、語言表達能力等方面。實驗中心以嵌入式技術為核心，建立了符合“三化結合”和“四個并舉”的計算機硬件實驗教學體系，目前已經進行了三輪的教學實踐，效果良好。互動式成績評價手段以及虛擬實驗平臺，推動了實驗項目的不斷翻新和改進，提高了教師自身的業務素質和學習熱情，對于計算機人才培養起到了很好的推動作用。

（編輯：彭遠紅）