計算機專業硬件課程教學方法研究
——虛擬實驗平臺可行性分析

葉海燕夏明珠

（1 巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

（2 合肥市委黨校，安徽 合肥 230000）

計算機專業硬件課程教學方法研究
——虛擬實驗平臺可行性分析

葉海燕1夏明珠2

（1 巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

（2 合肥市委黨校，安徽 合肥 230000）

通過對硬件課程教學方法的研究，從提高學生的邏輯思維能力、編程實踐能力和軟硬件設計開發能力等專業綜合素質方面入手，培養其創新意識和能力，從而達到課程教學質量的提升。文章從不同角度探討學習計算機硬件課程的局限性以及解決辦法，給出一種使用虛擬儀器實驗平臺的教改方法，讓學生將設計的理論性系統以實驗的形式展現出來，完成對知識更好的理解和適當的更新。

硬件課程；虛擬儀器；直觀；體系

1 引言

作為一名教育工作者，綜合計算機專業學生學習狀況，發現學生對于軟硬件課程的不同關注度亟待解決。考量到綜合能力和就業方面，因此必須要讓學生從“要我學”變成“我要學”，這就需要學生提高學習熱情，對課程產生興趣。通過對硬件課程教學方法的研究，以提高學生的邏輯思維能力、編程實踐能力和軟硬件設計開發能力等專業綜合素質，培養其創新意識和能力，從而達到課程教學質量的提升。從學生角度來看，要讓每一個學生喜歡本課程，培養學生在各專業領域中應用計算機解決問題的意識和能力，為所學專業服務。從課程建設角度來看，樹立高水平的教學理念、組織合理的教學內容，以“重實踐、強能力、求創新”為目標進行課程教學改革與實踐。從教學方法來看，讓學生通過虛擬實驗平臺完成對于所學課程的綜合運用，從而為后續的計算機系統的硬件設計與實現打下基礎。

2 存在問題

目前硬件課程在教學中主要存在以下問題：

2.1 課程內容抽象難理解

《計算機組成原理》及《微機原理與接口》等硬件課程不僅可使學生從底層剖析電子數字計算機的基本組成和工作原理，掌握計算機系統的基本設計技術，而且可以培養學生分析和解決數字系統實際問題的能力，是培養計算機系統分析、系統設計和系統集成技術人員的一個有效的教育環節，從而打破學生對計算機的神秘感。隨著計算機技術和電子技術的飛速發展，計算機內部結構日趨復雜和龐大而且高度集成化，這使學生普遍感到硬件課程難學、難懂、概念抽象、感性認識差，教師在教學中使用傳統的教學方法和教學手段很難實現教學目標。

2.2 教學手段陳舊

必須改革課程教學，以《計算機組成原理》課程以及其他硬件課程為體系，整體地了解計算機系統的軟硬件資源，輔以開發與研究，從而從根本上解決計算機專業學生對于硬件課程學習能力的短缺。提高這些課程的教學效果和教學效率，使它跟上計算機技術的發展，是我們當前亟待解決的問題。

2.3 教學大綱過于統一

課時安排以及上課內容方面，有很大的局限性。有些章節和內容可以適當地進行調整和修改，方便學生對于這個教學體系的知識全面了解。教材在編排的時候是大范圍的綜合考慮，未必適應所有使用課程的學校，如果一味的照搬，沒有自己的特色，教學效果較差，學生該學的沒全懂，提高的又模棱兩可，這樣不利于學生對于知識的掌握。

2.4 學生學習興趣不濃

硬件課程相對于軟件內容而言，我們不能直接通過已有的編程方法和模型直接套用。在學習過程中，學生就是直接把書上的理論知識進行機械化的驗證，偶有綜合性設計性試驗也是脫離實際，不具有代表意義。學生無法有自己的主觀創造性，因此學習興趣不濃。

3 教改方法

經過對課程體系的教改探索，要達到培養學生具有扎實的理論基礎和良好的實踐動手能力的教學目的，我們將從以下幾個方面進行教學方法的改革：

3.1 合理安排教學內容

突出重難點，以實例帶動理論知識的學習。自然科學之所以能夠吸引學生，主要原因就在于實驗驗證。適當地調整教學內容能更有助于學生對課程的理解，下面以微機原理課程為例。

第一，周明德版的教材在講授時，可將第五章的時序和總線內容調整到第二章8086結構之后，在了解了8086處理器的結構之后，再來了解它的基本工作模式，以及在不同工作模式下各個引腳的工作狀態和功能，這樣不僅僅能夠更好地理解結構，還可以通過對工作時序的了解，更好地理解指令在處理器中的工作流程。

第二，指令系統中將指令分成算術運算、輸入輸出指令和串指令等，筆者認為可以適當調整，將所有是傳送實質的指令放在一起，這樣學生可以通過了解mov指令，知道xchg是交換指令，可以在哪些寄存器和存儲器內部完成交換；知道xlat也是交換，不過是將有效地址跟當前數據所在地址進行交換。

第三，將算術運算指令中sub減法指令和CMP比較指令放在一起，了解他們的實質是一樣完成相減，只是CMP指令只關注相減的過程，不需要將目的操作數放到存儲器中，通常和轉移指令在一起操作完成比較的目的。

第四，將標志寄存器的各個標志位的介紹和條件轉移指令放在一起，因為條件轉移指令就是通過對于各個標志位的變化結果來判斷是否完成轉移。

這樣的例子還有許多，但都是基于學生能更好地理解課程內容作為出發點來對課本上的原本章節進行適當調整。

3.2 充分利用多種教學手段

課程中很多工作過程都發生在芯片內部，很抽象，而且電路圖、時序圖也非常多。為了提高課堂教學效果，如果單純通過PPT中的文檔和靜態圖解進行教學，學生很難理解，我們需要遵循“少文多圖，動比靜好”的設計思想[1-3]。利用計算機動態演示課程中各部件的數據流、控制流以及工作時序等信息把高度抽象的知識直觀顯示出來（圖1）就是從實際執行過程的動畫演示來加深學生對于指令的理解，其較強的刺激作用有助于學生理解概念的本質屬性，促進學生知識的建構。使用Flash制作指令的執行流程、流水線的工作過程以及指令在計算機內部執行過程等相關動畫，不僅色彩豐富，而且動感十足，更有效地幫助學生學習該課程。

圖1 in指令執行過程動畫演示

3.3 構建虛擬實驗平臺

3.3.1 平臺構建的意義與可行性分析

第一，理論知識需要實驗課程進行驗證才能為學生所理解，硬件課程不同于軟件課程，軟件的實踐練習中，很多都是以編輯程序、調試、測試為主，可以很直接的找到可能的錯誤。而硬件課程像個魔術師，一個沒有生命的電子元件，通過我們在實驗箱中幫它加胳膊裝腿[4-6]，從而成為有實際用途的設備。在這個過程中的錯誤糾查就要求學生對于原理及裝置本身有一定的熟悉程度，因此硬件課程的實驗學習中應多開設綜合性設計性實驗。放眼其專業必修課程中硬件課程，雖然都有實驗課程，但是實驗課程是單一模塊，每一門課程的實驗僅僅只是對于該課程的理論知識驗證或者適當的提高就叫做設計，但是綜合才是真正的設計，跟生活結合才是有用的設計，沒有主觀能動性，自然學習效果不好。因此需要一個硬件學習平臺。

第二，加強各個課程之間的聯系，以體系的形式完成對于硬件課程的整體統籌學習。硬件是系統的骨架，在學習硬件課程時，我們應該有“醫生”的敏銳觸覺，使每個硬件在其合適的位置，相輔相成。這一點，筆者在《計算機組成原理實驗方法的研究和改進》教學研究項目中有過研究和實現。比如加入傳感器模塊，加入模數轉換模塊等方法。就像一個藝術家給呆板的畫作加上靈動的眼睛，像設計師給貧瘠的屋子加入生活的氣息。雖然是計算機專業，但是其實我們學習的硬件課程并不少，如果可以將所學的課程，聯接起來學習效果會更好。計算機組成原理主要涉及的是計算機CPU內部的工作原理、工作方法、總線、內存等。而微機接口是在其基礎上，更深層次的挖掘，讓學生不僅僅了解基本原理，還加上其他的接口，這樣就和其余設備聯接起來，各個設備直接顯示如何工作、時序，以及中斷服務等等，這樣說來，一個基本系統所需要的基礎知識，再輔以之前所學的電路、模電等內容，讓學生從信號采集和信號預處理上有一定的理論基礎。這樣我們就可以構建一個雛形[4]。教學，教是主動，學為被動。但是不管是主動的教還是被動的學，都需要有所依。如果完全由教師在課堂上將這些課程拉成一個體系，純粹的紙上談兵，無法收到好的效果。因此一個能夠滿足上述要求的，可以為多個課程綜合應用的實驗平臺就亟待產生。

因此需要以虛擬仿真技術為手段，各個硬件課程為基礎，建立虛擬實驗平臺，完成多個課程的綜合化實驗驗證及設計就是最好的教學改進。[6]

3.3.2 平臺描述

通過虛擬儀器建立虛擬工作平臺，讓學生可以通過添加元器件等等，完成整個系統。實驗箱中的CPLD可編程模塊，通過EDA電子設計，設計出一個個性化的CPU工作狀態。配合微機接口的內容，加入一些其他的設備，了解其工作狀態。輔以傳感器以及基本信號處理再通過虛擬儀器，在虛擬平臺將設想實際操作，這樣學生可以真正了解硬件課程學習的實際意義。也可以培養學生的創新力，并且將所學知識系統化、體系化，更有益于對于知識的掌握。基于以上考慮，所構建的平臺的基本模塊和功能如圖2所示。

圖2 平臺組成示意圖

該平臺使用動態網頁技術、數據庫技術、多媒體技術和虛擬儀器技術等，選擇了適合的技術方案[4]。根據課程整體設計原則，結合虛擬儀器的實驗要求，設計了整體框架和功能模塊，將系統劃分為6個主要模塊：虛擬儀器技術、LabVIEW、HPVEE、虛擬儀器中心（虛擬儀器實驗室）。

3.3.3 知識儲備和實踐能力鍛煉

在學習前導課程時需要將虛擬儀器和計算機仿真課程的內容進行滲透。這個問題不僅僅需要教師的努力也需要學生的配合，可以適當地讓學生了解，我們最后需要通過這些知識做出自己想要的虛擬系統。解決學生學習積極性，需要我們在大綱要求以及課程設置上有適當調整。

在學習計算機組成原理和微機接口等核心課程時，在實驗環節中不是局限于課程本身，或者囿于理論知識的實際操作，而應該抽身出來，從全局來讓學生了解課程設立的初衷，和可能會達到的效果。并在實驗課程中適當地加入系統其他組成部件的實際操作，比如傳感模塊和模數轉換模塊的加入。

4 結語及展望

以上的教改方案主要從理論層面——大綱和教學內容修改、操作層面——教學方法改進、實用層面——虛擬實驗平臺建立等幾個方面進行了探討，如果確實能在學習的各個環節中認真執行，教學效果必然會得到大幅度提高。教改方案僅僅是啟明燈，更重要的是實施，尤其是虛擬平臺在實施過程中需要做一些準備，其中重點是在虛擬儀器技術的推廣，學生目前對于虛擬仿真技術基本屬于盲區，所以可以適當開設虛擬儀器或者計算機仿真課程，為我們虛擬平臺的建立和掌握奠定基礎。通過興趣課程的形式吸引一部分對于硬件學習感興趣的學生，自己動手做出虛擬平臺。

完成虛擬實驗平臺設置后，面向相關專業開放，構建出完備的立體課程體系，從而實現教學內容、教學資源和教學模式的有機融合[5]。形成特定的教學模式，這樣就把所有學習過的硬件課程結合成體系，不局限于已有知識的驗證，而從創造力上對學生進行推動。學生在學習單個課程時可能會對課程本身產生懷疑，但是將他們結合起來，可以形成一個有既定目標的體系。另外可以通過個性化工程訓練，在學生完成所有前導課程的學習之后，會以實際操作的方式讓學生對于系統組成的所有硬件設備進行系統的設計與實現，寓教于樂，通過將設想變為可操作的實體的方式，讓學生更深層次地了解和掌握硬件課程，為各個課程的課程設計以及畢業設計打下實訓基礎。

[1]王玉華，黃碩之.計算機組成原理課虛擬實驗方案[J].實驗技術與管理，2005，（4）:73-75.

[2]方愷晴，石琳，林亞平.EDA技術在計算機組成原理實驗中的應用[J].實驗技術與管理，2001，（3）:45-47.

[3]周克峰，楊軍，孫靜，等.計算機組成原理實驗的仿真技術研究[J].云南民族大學學報（自然科學版），2004，（3）:236-240.

[4]WANG J X，CHEN S Q，JIA W J，et al.The design and implementation of virtual laboratory platform in internet[J].Proceedings of International Conference on Web learning（ICWL02），Hong Kong,2002，（8）:169-177.

[5]王建新，陸煒妮，基于CORBA技術的網上虛擬實驗室系統架構設計[J].小型微型計算機系統，2004，（10）:1750-1753.

[6]王建新，裴慧民，陳松喬.基于Internet的虛擬實驗室平臺架構設計[J].中南工業大學學報（自然科學版），2002，（5）:530-533.

RESEARCH ON TEACHING METHODS OF HARDWARE COURSES FOR THE COMPUTER MAJOR——WITH A FEASIBILITY ANALYSIS OF THE VIRTUAL EXPERIMENT PLATFORM

YE Hai-yan1XIA Ming-zhu2
（1 Chaohu College,Chaohu Anhui 238000）
（2 Party School of Hefei Municipal Party Committee,Hefei Anhui 230000）

This paper,through the research on the teaching methods of the hardware courses,is aimed at enhancing the quality of teaching,hoping to improve students’logical thinking ability,practical ability of programming,developing ability of hardware and software design and other comprehensive professional ability,and to cultivate their innovative consciousness and ability.This paper discusses the limitations of computer hardware courses and their solutions from different angles, and gives a teaching method using virtual experimental platform,making students demonstrate the theory of system design in the form of experiments in order to better understand and appropriately update the knowledge.

Hardware courses；Virtual instrument；Intuitively；System

G424.1

A

1672－2868（2016）06－0154－05

責任編輯、校對：陳 鳳

2016－09－25

葉海燕（1983－），女，安徽巢湖人。巢湖學院信息工程學院，助教。研究方向：物聯網工程。