文章編號：1672-5913(2008)08-0125-03

摘要：本文針對目前高等學(xué)校計算機硬件實驗教學(xué)存在的問題，提出適合本科生及研究生聯(lián)合培養(yǎng)的創(chuàng)新實驗教學(xué)體系，設(shè)計了支持基礎(chǔ)驗證型、綜合設(shè)計型和創(chuàng)新研究性實驗一體化的計算機硬件實驗平臺。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；創(chuàng)新型人才；計算機硬件實驗

中圖分類號：G642

文獻標(biāo)識碼：B

1計算機硬件實驗普遍存在的問題分析

目前，國內(nèi)大多數(shù)高等院校的實驗組織模式和實驗手段主要存在以下問題：

●“一人動手大家看”的“放羊式”

●實驗的內(nèi)容、步驟嚴(yán)格按照教材(實驗指導(dǎo)書)進行

●實驗內(nèi)容陳舊、與工程實際脫節(jié)

●本科生和研究生的實驗環(huán)境分別建設(shè)

計算機學(xué)科的課程內(nèi)容具有很強的交叉性和相關(guān)性。針對每門具體課程單獨設(shè)置實驗及單獨提供實驗環(huán)境，一方面很難使學(xué)生對其前導(dǎo)課程所完成的基礎(chǔ)能力做要求，同時也很難兼顧到其后續(xù)課程，各自獨立，相互間缺少有效的貫通；另一方面實驗環(huán)境重復(fù)建設(shè)，實驗資源得不到充分利用。下面以“數(shù)字邏輯”、“計算機組成原理”和“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”三門硬件主干課程為例說明計算機硬件實驗的現(xiàn)狀。

(1) “數(shù)字邏輯”是計算機專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，目的在于掌握計算機數(shù)字電路設(shè)計和調(diào)試方法，為后續(xù)硬件課程奠定基礎(chǔ)。而相應(yīng)的“數(shù)字邏輯實驗裝置”一般僅能用于TTL與GAL器件的實驗；有部分學(xué)校購置的實驗裝置還不能進行GAL器件的實驗。實驗一般使用小規(guī)模74系列TTL器件，通過面包板實現(xiàn)輸入/輸出連線，其可靠性低、元器件易損，復(fù)雜實驗受到限制，很難支持設(shè)計型實驗；許多目前流行的硬件設(shè)計方法，如采用EDA(電子設(shè)計自動化)工具的基于CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)的邏輯設(shè)計等，更是因為硬件設(shè)計環(huán)境不夠而無法進行。

(2) “計算機組成原理”作為計算機專業(yè)的核心課程，目前很多大學(xué)采用類似清華大學(xué)計算機廠早期研制的實驗裝置，采用面包板和撥位開關(guān)等輸入/輸出接線，調(diào)試手段缺乏，支持的實驗內(nèi)容少，對CPU設(shè)計之類的實驗沒法很好地開展。即使一些新的實驗裝置，重點仍然是支持驗證型實驗，設(shè)計型實驗的開展仍具有局限性。

(3) “計算機體系結(jié)構(gòu)”作為計算機專業(yè)的高端專業(yè)課，由于缺乏實驗條件，很多學(xué)校還沒有開設(shè)實驗，少數(shù)開設(shè)實驗的學(xué)校也只能采用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模擬軟件進行模擬實驗。大多數(shù)該類模擬軟件運行在UNIX平臺上，參數(shù)設(shè)置復(fù)雜、接口界面不友好，使用起來費時費力。學(xué)生只是通過課堂學(xué)習(xí)來掌握計算機體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，缺乏對計算機體系結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識，更談不上培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計與創(chuàng)新性能力。

由于以上三門課程目前都只針對自己的課程內(nèi)容單獨設(shè)置實驗并單獨提供實驗環(huán)境，這些相關(guān)性非常強的課程各自獨立，相互間缺少有效的貫通，不僅導(dǎo)致了實驗環(huán)境的重復(fù)建設(shè)，實驗資源得不到充分利用，而且也不利于學(xué)生對計算機硬件體系有一個系統(tǒng)的了解，更無法對本科生的課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等大型和綜合型訓(xùn)練提供必要的支撐環(huán)境。

為了解決目前計算機硬件實驗教學(xué)中存在的問題，需要建立能滿足計算機專業(yè)實驗教學(xué)需求的，集實踐性、先進性、開放性、創(chuàng)新性為一體的先進硬件實驗教學(xué)體系，結(jié)合EDA、軟件模擬和虛擬現(xiàn)實等先進的實驗手段建立集基本驗證、綜合設(shè)計和創(chuàng)新研究為一體硬件實驗平臺，促進理論教學(xué)與實踐教學(xué)緊密結(jié)合，以適應(yīng)學(xué)科發(fā)展和IT企業(yè)對高層次計算機專業(yè)人才的更高需求。

2 適應(yīng)多層次人才培養(yǎng)需要的計算機硬件實驗體系的建立

為了構(gòu)建適合本科生、研究生多層次需要的一體化的實驗教學(xué)體系，我們對國內(nèi)外著名大學(xué)的課程及實驗教學(xué)大綱等做了深入的研究，主要做了以下幾個方面的研究工作：

(1) 研究計算機專業(yè)硬件課程及其實驗課程當(dāng)前的設(shè)置和今后的發(fā)展趨勢；

(2) 剖析計算機專業(yè)硬件相關(guān)課程之間的銜接關(guān)系；

(3) 分析教學(xué)實驗和科研實驗的本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)本科階段以及研究生階段主要硬件課程教學(xué)實驗的規(guī)律。

基于以上研究工作，我們設(shè)計的計算機硬件實驗體系主要包含以下層次。

2.1系統(tǒng)化的計算機硬件實驗內(nèi)容層次

計算機學(xué)科是目前更新?lián)Q代最快的學(xué)科之一，實驗在設(shè)計時必須和實際工程結(jié)合緊密。實驗內(nèi)容和手段的設(shè)計必須是以培養(yǎng)具有很好實踐能力和一定創(chuàng)新能力的本科畢業(yè)生為目標(biāo)。因此，我們將每門課程實驗的內(nèi)容分為以下三個層次：

基礎(chǔ)驗證型：主要用于驗證課程當(dāng)中所講的內(nèi)容，加深對課堂知識的理解，并培養(yǎng)學(xué)生的基本專業(yè)技能和實際操作能力。

綜合設(shè)計型：這類實驗一方面可以加強學(xué)生對相關(guān)課程的理解，更主要的是培養(yǎng)了學(xué)生綜合分析能力和獨立解決問題的能力。

創(chuàng)新研究性：這類實驗要求學(xué)生自行設(shè)計目標(biāo)并進行實驗；實驗允許失敗，但是必須對失敗原因和改進設(shè)想做深入的分析和探討。這類實驗是學(xué)生早期參加科學(xué)研究的一種重要形式，主要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)造性思維及創(chuàng)造性個性，使學(xué)生創(chuàng)新性的想象力、判斷力、思維能力和實踐能力得到提高。

這三個實驗從內(nèi)容上由淺入深、由易到難，從對學(xué)生的要求上是由低到高的。其中前兩類實驗主要針對本科生設(shè)計，第三類實驗主要針對少數(shù)有余力的低年級本科生、多數(shù)畢業(yè)設(shè)計階段的本科生和所有研究生設(shè)計。

在多層次實驗教學(xué)中，教師的主要作用在于啟發(fā)學(xué)生認(rèn)識實驗教學(xué)的目的和意義，組織開展實驗教學(xué)活動，引導(dǎo)學(xué)生研究問題，指導(dǎo)學(xué)生的實驗過程和認(rèn)真完成各項實驗任務(wù)。在實驗教學(xué)中，教師要教育學(xué)生樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，鼓勵學(xué)生勇于求異的創(chuàng)新意識，注意培養(yǎng)學(xué)生獨立解決問題的能力。

2.2計算機硬件課程層次的建立

以西安交通大學(xué)計算機學(xué)科為例，本科生和研究生的硬件相關(guān)課程體系中主干課程由“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”、“計算機組成原理”、“計算機體系結(jié)構(gòu)”、“高性能計算機體系結(jié)構(gòu)”和“計算機系統(tǒng)的量化研究方法”組成，其中前三門課程為本科生課程，后兩門課程為研究生課程。與主干課程相關(guān)的本科生必修課程還包括“匯編語言程序設(shè)計”、“微機原理和接口技術(shù)”、“操作系統(tǒng)原理”、“計算機網(wǎng)絡(luò)原理”、“嵌入式系統(tǒng)”；研究生課程包括“計算機網(wǎng)絡(luò)理論及應(yīng)用”、“VHDL和FPGA設(shè)計”、“分布式系統(tǒng)”等。這些課程，特別是主干課程，不僅有較強的順序性，而且課程內(nèi)容的相關(guān)性很強。圖1給出了計算機硬件主干課程的實驗層次。其中，虛線方框部分為偏軟件類型的實驗。

圖1 計算機硬件主干課程實驗層次

從圖1可以看出，計算機專業(yè)本科階段硬件主干實驗課程主要為數(shù)字邏輯專題實驗、計算機組成專題實驗、微機接口專題實驗；并且這三個實驗中，每個實驗的開展必須以前一個課程為基礎(chǔ)；課程實驗從內(nèi)容到形式都有很密切聯(lián)系。為了讓學(xué)生學(xué)習(xí)完這些課程后對計算機硬件結(jié)構(gòu)有一個系統(tǒng)和感性的認(rèn)識，我們在設(shè)計這三個實驗時，首先設(shè)立了一個總的培養(yǎng)目標(biāo)，每個課程組根據(jù)這個目標(biāo)，結(jié)合本課程的內(nèi)容和培養(yǎng)目標(biāo)分階段完成相關(guān)支撐的實驗內(nèi)容，并且這些實驗可以采用一致的實驗手段和平臺。具體措施主要包括以下兩方面內(nèi)容：

(1) 對于每門具體的計算機硬件課程均設(shè)置8學(xué)時的課內(nèi)實驗，實驗類型為獨立的基礎(chǔ)驗證性。

(2) 硬件課程都有配套的專題實驗，專題實驗均為綜合設(shè)計型。主干課程的實驗為必修專題實驗，其他小部分課程實驗為選修專題實驗。以工程項目設(shè)計實驗為目標(biāo)形成多個系列，同一系列實驗間具有時間先后關(guān)系、支撐與被支撐關(guān)系。例如圖1中的“數(shù)字邏輯”、“計算機組成原理”和“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”三門硬件課程就構(gòu)成了一個主干的硬件實驗系列。這三門課程的實驗必須在內(nèi)容上具有前后相關(guān)性，并采用基本一致的實驗方法和平臺。

2.3多樣化的計算機硬件實驗平臺層次

在硬件開發(fā)平臺的設(shè)計上兼顧不同層次人才的培養(yǎng)需要，綜合本碩博各個階段的不同需求，構(gòu)建多層次的實驗環(huán)境，提高實驗效率，促進學(xué)生的創(chuàng)新思維，進行創(chuàng)新式構(gòu)建實驗。還要考慮對畢業(yè)設(shè)計的實驗環(huán)境以及本科生創(chuàng)新性研究活動實驗體系的支持，結(jié)合軟件設(shè)計的方法和手段(即硬件設(shè)計軟件化)構(gòu)建靈活多樣的硬件實驗平臺。此外，實驗平臺設(shè)計要具有層次性，并且考慮課程間內(nèi)容交叉和互補。

從國外的發(fā)展趨勢來看，計算機硬件課程的實驗由傳統(tǒng)的孤立的實驗裝置承擔(dān)，發(fā)展到了由EDA和CPLD/FPGA仿真器聯(lián)合承擔(dān)的階段。

傳統(tǒng)的實驗裝置支持相對簡單的連線類的實驗，這類實驗只能使用中小規(guī)模的集成電路器件。設(shè)計大規(guī)模的實驗幾乎是不可能的，因為大規(guī)模的實驗用中小規(guī)模的芯片來實現(xiàn)費時、費力，且受面包板等空間和實驗裝置能提供的電源限制。

使用HDL語言，如AHDL、VHDL和Verilog等，通過EDA工具軟件設(shè)計各種規(guī)模的數(shù)字電子系統(tǒng)是目前工程師的設(shè)計潮流。通過EDA和CPLD/FPGA仿真器能完成計算機硬件課程的各類實驗。圖2是我們設(shè)計實現(xiàn)的一款低成本綜合實驗裝置，該裝置使用了Xilinx公司Spartan-3系列FPGA芯片(40萬門)，通過擴充板可以滿足大部分的實驗要求。

圖2 一款綜合實驗裝置的PCB的元器件布局示意圖

2.4多層次的實驗考核體制

實驗的考核主要有以下幾種形式。

(1) 實驗過程的跟蹤考核：改變傳統(tǒng)的根據(jù)實驗結(jié)果和報告打分的體制，對實驗過程中的主要環(huán)節(jié)進行記錄、評價，并作為最終成績考核的依據(jù)。

(2) 實驗報告撰寫：實驗結(jié)束后，要求學(xué)生撰寫實驗報告，以總結(jié)個人實驗結(jié)果，明晰實驗思路，實現(xiàn)知識的融合、升華和再學(xué)習(xí)。通過實驗報告的撰寫可以培養(yǎng)學(xué)生對科技活動的總結(jié)能力，科技論文的寫作能力，使學(xué)生的科研素養(yǎng)得到初步鍛煉。

(3) 實驗答辯機制：對于綜合設(shè)計型，特別是創(chuàng)新研究型實驗，前兩種考核機制存在明顯的不足，因此需要引入新的機制來評價學(xué)生所做工作及取得的成績?？赏ㄟ^學(xué)生講解、演示，教師提問和回答，課程設(shè)計報告撰寫三個步驟來進行考核。

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