摘要：結(jié)合計算機硬件實驗教學的特點和情況，從環(huán)境建設(shè)、考核方式以及教學體系構(gòu)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(xù)計算機硬件實驗教學提供研究路線和參考內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：計算機硬件；實驗教學；創(chuàng)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(yè)開設(shè)，它是計算機硬件實驗教學體系中最為重要的教學內(nèi)容之一。通過計算機硬件實驗，學生可以掌握計算機硬件設(shè)計、制作、調(diào)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(jié)果和中間環(huán)節(jié)進行調(diào)試和驗證，可以訓練自身對計算機底層技術(shù)的創(chuàng)新技能，培養(yǎng)嚴謹?shù)目蒲凶黠L。

隨著電子設(shè)計自動化（EDA）和可編程邏輯器件（PLD）技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)外高校普遍采用硬件描述語言進行邏輯設(shè)計，實現(xiàn)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(guī)模FPGA來實現(xiàn)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(zhuǎn)變到以“設(shè)計為主”，有助于提高學生的硬件設(shè)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(tǒng)過于復(fù)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(jié)構(gòu)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(huán)境下，快速掌握軟件系統(tǒng)及硬件平臺的使用技巧，提高計算機硬件實驗教學質(zhì)量和學生培養(yǎng)效果。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀、水平與發(fā)展趨勢

目前，歐美發(fā)達國家的理工科大學計算機專業(yè)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(shè)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(guān)互動式輔助實驗教學的研究。利用多媒體、教師個人網(wǎng)站等多種電子交互手段，提高教師知識傳授和學生間技術(shù)交流的效果，達到課內(nèi)外同步教學的目標。

互動式實驗教學主要解決大量基礎(chǔ)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(jīng)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(tǒng)。

我國的計算機實驗教學發(fā)展相對較晚，近年來，隨著大批實驗教學示范中心的建設(shè)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(nèi)的許多高校都陸續(xù)開展了對互動式實驗教學內(nèi)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(chǔ)知識、熟悉設(shè)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(tǒng)以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，因其軟硬件可裁減，已受到歐美發(fā)達國家的廣泛關(guān)注。哈爾濱工程大學依據(jù)當今國際電子設(shè)計業(yè)對人才培養(yǎng)能力的普遍認同標準，集中強化學生嵌入式開發(fā)技術(shù)技能的培養(yǎng)。

為此，我們?yōu)橛嬎銠C科學與技術(shù)及相關(guān)專業(yè)勾畫了以數(shù)字邏輯實驗為基礎(chǔ)，以微機接口實驗為終結(jié)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(nèi)容不斷線、銜接連貫、層次提高；強調(diào)各門課程明確分工、分層次培養(yǎng)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(yè)設(shè)置的，實驗內(nèi)容緊緊圍繞計算機組成原理，兼顧VHDL描述語言、數(shù)字邏輯有關(guān)組合、時序邏輯電路的有關(guān)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(shè)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(shè)計和實現(xiàn)。

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(fā)系統(tǒng)進行計算機硬件實驗教學。學生利用實驗開發(fā)系統(tǒng)完成一系列基本單元實驗和模型計算機綜合設(shè)計實驗，掌握計算機各個部件的功能和設(shè)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(fā)系統(tǒng)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(yīng)用方面獲得大量實用的技術(shù)。

2.2“三化結(jié)合，四個并舉”的實驗教學理念

“三化結(jié)合”的教學理念：構(gòu)建軟硬件一體化實驗環(huán)境有利于培養(yǎng)學生軟硬件綜合素質(zhì)，實驗平臺綜合化有利于培養(yǎng)學生的綜合設(shè)計能力，實驗內(nèi)容系統(tǒng)化有利于培養(yǎng)學生的系統(tǒng)化設(shè)計思想和能力，為較好地實現(xiàn)“理論教學注重基礎(chǔ)，實踐教學注重能力，創(chuàng)新教學注重個性”的目標打下了堅實的基礎(chǔ)。

四個并舉的教學理念：

1）工學并舉。

工程教育與經(jīng)濟建設(shè)相結(jié)合，按照工程教育專業(yè)認證要求調(diào)整實踐育人目標；按照卓越工程師培養(yǎng)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(jié)合，修訂2009版人才培養(yǎng)方案，加強理論課程與實踐課程內(nèi)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(wù)相結(jié)合，以ACM人才培養(yǎng)實驗班為依托，培養(yǎng)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(chuàng)新普及率，增加學生接觸社會、服務(wù)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(qū)域經(jīng)濟快速發(fā)展的“三結(jié)合”辦學道路。

2）點面并舉。

以數(shù)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(huán)境與現(xiàn)場器件驗證操作相結(jié)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(jié)合方式；③創(chuàng)新設(shè)計階段采用自主設(shè)計與教師指導(dǎo)相結(jié)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(shè)備資源。

3）教研并舉。

將科研資源有機融合，科研實驗室、創(chuàng)新實驗室全部面向?qū)W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(chuàng)新，提高學生的科學研究水平；積極開展面向教學輔助系統(tǒng)的科學研究，開設(shè)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(fā)展，提升學生科學研究和科技創(chuàng)新的能力。夯實教師隊伍和教學質(zhì)量工程建設(shè)，教學科研相互促進，共同推動實踐教學發(fā)展。

做到“教學-科研-創(chuàng)新-服務(wù)”一線牽，從教學中發(fā)現(xiàn)問題，并凝練問題；在創(chuàng)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(wù)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(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程和信息安全四個專業(yè)為依托，分別建設(shè)國家工程實踐教育中心、實驗教學基地、工程師培養(yǎng)基地、校企聯(lián)合實驗室、實習實訓基地等。

加大計算機實驗教學平臺建設(shè)力度，特別是文化平臺的建設(shè)，設(shè)立圖靈文化長廊、計算機歷史展廳、計算機技術(shù)展廳以及實驗中心宣傳展廳，強調(diào)“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(tǒng)建設(shè)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合實驗系統(tǒng)建設(shè)和創(chuàng)新實驗基礎(chǔ)與實踐課程建設(shè)。

面向創(chuàng)新實踐活動及教學，與科研密切聯(lián)系，結(jié)合科研方向，依托計算機科學與技術(shù)、軟件工程兩個一級學科，設(shè)立集成科研團隊技術(shù)優(yōu)勢的創(chuàng)新平臺，即物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新平臺、網(wǎng)絡(luò)與信息安全創(chuàng)新平臺、機器人技術(shù)創(chuàng)新平臺、軟件工程創(chuàng)新平臺和ACM/ICPC創(chuàng)新平臺。

2.3計算機硬件實驗項目設(shè)計

由于計算機硬件實驗主要面向計算機科學與技術(shù)以外專業(yè)開設(shè)，參與實驗的學生絕大多數(shù)未學習數(shù)字邏輯等基礎(chǔ)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(shè)計思路。具體內(nèi)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(nèi)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(yīng)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(yù)習在實驗教學中的作用，預(yù)習成績占總成績的30%，預(yù)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(xiàn)。教師查看預(yù)習報告，有針對性地指導(dǎo)學生實驗，從而提高了實驗教學質(zhì)量。

2）生做師察。實驗操作和數(shù)據(jù)收集是實驗教學的中心環(huán)節(jié)，占總成績的50%。教師通過現(xiàn)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(guī)則；②設(shè)計能力；③分析、解決問題能力；④對理論設(shè)計的實現(xiàn)能力等。

3）生疑師答。實驗報告是實驗教學成果的總結(jié)，它反映了學生對科學實驗的概括總結(jié)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(dǎo)。

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(zhì)量，達到了實踐創(chuàng)新的培養(yǎng)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(dǎo)任務(wù)，提高師生互動頻率和次數(shù)，提高實驗教學質(zhì)量；②降低設(shè)備使用的冗余時間，加強實驗的靈活性和創(chuàng)新型，實現(xiàn)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標。由此，互動式虛擬實驗教學平臺應(yīng)運而生。

互動式虛擬實驗教學平臺是以虛擬現(xiàn)實為技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合計算機硬件實驗課程建立起來的，以加強師生互動、挖掘?qū)W生創(chuàng)新潛能、節(jié)約實驗經(jīng)費為目的。教學平臺依托于校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以解決實驗設(shè)備資源不足、實驗室開放與日常學習任務(wù)沖突等問題，實現(xiàn)最大負荷情況下的多人數(shù)在線虛擬實驗。

互動式虛擬實驗平臺內(nèi)部運行結(jié)構(gòu)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(jù)自身基礎(chǔ)，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(xiàn)。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(shù)創(chuàng)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(nèi)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(diào)查問卷。

從統(tǒng)計結(jié)果可以看出，89.5%的學生通過實驗完全理解了相關(guān)理論知識；91.2%的學生可以熟練運用有關(guān)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(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計，96.2%的學生認為實驗教學對考研或就業(yè)有較大幫助；94.3%的學生通過實驗課程的學習，認為教學內(nèi)容和課程設(shè)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(nèi)容注重能力培養(yǎng)，加強了老師與學生的溝通，特別是增強了對創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，使其終生受益。

4 結(jié)語

互動式計算機硬件實驗教學改革對于培養(yǎng)高素質(zhì)人才、創(chuàng)建一流的研究型大學至關(guān)重要。計算機硬件實驗教學改革的出發(fā)點是為了提高學生的綜合素質(zhì)，主要體現(xiàn)在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神，提高實踐能力、團隊協(xié)作能力、語言表達能力等方面。實驗中心以嵌入式技術(shù)為核心，建立了符合“三化結(jié)合”和“四個并舉”的計算機硬件實驗教學體系，目前已經(jīng)進行了三輪的教學實踐，效果良好?；邮匠煽冊u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(yè)務(wù)素質(zhì)和學習熱情，對于計算機人才培養(yǎng)起到了很好的推動作用。

（編輯：彭遠紅）