肖娟　龔德良　陸武魁　張雯霧

摘要：計算機硬件基礎(chǔ)課程主要包括數(shù)字邏輯和計算機組成原理兩門課程。文章以湘南學(xué)院計算機科學(xué)系所開設(shè)的計算機硬件基礎(chǔ)課程為例，分析目前這兩門課程的實驗環(huán)節(jié)所存在的問題，提出一種多元化、一體化、循序漸進的實驗改革方案。

關(guān)鍵詞：硬件基礎(chǔ)課程；實驗改革；多元化；一體化

0.引言

計算機硬件基礎(chǔ)課程是所有計算機類或通信類專業(yè)所必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程。當(dāng)然不同的院校對于計算機硬件基礎(chǔ)課程的開設(shè)都不盡相同，但是一般都會包括數(shù)字邏輯（或稱數(shù)字電路）和計算機組成原理這兩門課程。以湘南學(xué)院計算機科學(xué)系為例，該系設(shè)有計算機科學(xué)與技術(shù)、計算機科學(xué)與技術(shù)師范、網(wǎng)絡(luò)工程、通信工程4個專業(yè)。對于不同的專業(yè)，硬件基礎(chǔ)課程的開設(shè)也有所不同，例如，通信工程專業(yè)還會開設(shè)電子與電路這門硬件基礎(chǔ)課程，而網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)會加開匯編語言課程，而數(shù)字邏輯與計算機組成原理卻是所有專業(yè)都必修的硬件基礎(chǔ)課程。因此，針對這兩門通用的硬件基礎(chǔ)課程的實驗環(huán)節(jié)，筆者提出了教學(xué)改革方案。

1.硬件基礎(chǔ)課程實驗改革的必要性

湘南學(xué)院是地方應(yīng)用型本科院校，其培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)適應(yīng)地方經(jīng)濟和社會發(fā)展需要的基礎(chǔ)扎實、專業(yè)突出、實踐創(chuàng)新能力強的應(yīng)用型高級專門人才。實踐能力與創(chuàng)新能力以及應(yīng)用型人才的培養(yǎng)在課程的教學(xué)過程中主要是注重實驗課程的實踐教學(xué)。

實踐出真知，創(chuàng)新源于實踐。如何在實踐教學(xué)中培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力與動手能力一直是各高校關(guān)注的問題，也是計算機及其相關(guān)專業(yè)迫切需要解決的問題，而且也直接關(guān)系到學(xué)生的就業(yè)與發(fā)展。

目前IT產(chǎn)業(yè)技術(shù)日新月異，知識的更新?lián)Q代比起其他學(xué)科更加迅猛。雖然目前從重點本科院校到地方性本科院校，從職業(yè)技術(shù)學(xué)院到中等?？茖W(xué)校都有開設(shè)計算機相關(guān)專業(yè)，但是不管哪種層次的計算機類專業(yè)的畢業(yè)生，與目前新興IT企業(yè)人才需求之間都或多或少存在一定的差距，這個差距主要來源于實踐動手能力。如何盡量地縮短這個差距，讓學(xué)生一畢業(yè)就能上崗，是實驗教學(xué)培養(yǎng)中的一個主要目標(biāo)。

計算機類學(xué)科中的一個基礎(chǔ)就是硬件基礎(chǔ)，在硬件的基礎(chǔ)上才能開發(fā)各種軟件，在硬件的基礎(chǔ)上才能有各種網(wǎng)絡(luò)或者通信方面的應(yīng)用，因此學(xué)好硬件的基礎(chǔ)課程是整個專業(yè)的基石。而如何進一步理解枯燥的硬件基礎(chǔ)知識，如何提高學(xué)生對硬件基礎(chǔ)課程的興趣與愛好，如何在硬件基礎(chǔ)課程中培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力與創(chuàng)新能力，都需要從硬件基礎(chǔ)課程的實驗中去尋求答案。為了適應(yīng)時代的需求，培養(yǎng)出具有實踐創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才，對于計算機專業(yè)中的硬件基礎(chǔ)課程的實驗改革勢在必行。

2.硬件基礎(chǔ)課程實驗現(xiàn)狀分析

實驗教學(xué)是計算機硬件基礎(chǔ)課程教學(xué)不可或缺的重要組成部分。實驗課程是理論課程的重要補充。對于一些難以理解的理論知識，通過實驗可以讓學(xué)生更好地掌握。但是目前，硬件基礎(chǔ)課程的實驗環(huán)節(jié)還存在著許多的不足，不能滿足課程培養(yǎng)目標(biāo)的要求，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）實驗課時不足。對于計算機硬件基礎(chǔ)課程，根據(jù)硬件技術(shù)的發(fā)展對于每門課程所能開設(shè)的實驗課程數(shù)量相對于以前都有所增加，但是實驗課時卻一直沒有變化，顯然課時不足已經(jīng)影響實驗內(nèi)容的更新。

（2）實驗內(nèi)容單一。在傳統(tǒng)的實驗課程中，實驗項目大多是驗證型實驗，設(shè)計型和綜合型實驗相對較少，學(xué)生只需要根據(jù)實驗指導(dǎo)進行操作，然后觀察實驗結(jié)果即可，無法調(diào)動學(xué)生的積極性與創(chuàng)造能力。

（3）實驗方式單一。在傳統(tǒng)的實驗課程中，大多數(shù)的硬件實驗課程都是在已經(jīng)固化好一些所需芯片的實驗面包板上進行的，所有的實驗過程與實驗結(jié)果都是固定的，學(xué)生能自己更改的部分很少。對此，目前有部分院校在硬件基礎(chǔ)實驗課中引入了基于EDA+PLD（電子設(shè)計自動化+可編程邏輯器件）技術(shù)的實驗方式。這種實驗方式不僅需要仿真軟件，而且需要掌握某種硬件描述語言，實驗過程相對比較復(fù)雜，但比傳統(tǒng)的實驗箱更能發(fā)揮學(xué)生的設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，對學(xué)生的要求相對比較高。

（4）各門硬件基礎(chǔ)實驗課之間缺少相互的聯(lián)系。計算機類專業(yè)課程之間都有著或多或少的聯(lián)系，特別是硬件課程之間都有著比較緊密的聯(lián)系。例如，數(shù)字邏輯主要介紹構(gòu)成器件的基本部件門電路，以及組合電路時序電路等的分析與設(shè)計，而計算機組成原理主要介紹計算機的組成部件及其相關(guān)原理。計算機組成部件的本質(zhì)都是一些組合電路或時序電路。因此這兩門課程間有著一些必然的聯(lián)系，而在傳統(tǒng)的實驗課程中，這兩門課程的實驗課根本沒有聯(lián)系起來考慮，實驗課程設(shè)置上也都是各上各的，沒有考慮到相關(guān)性。

3.硬件基礎(chǔ)課程實驗改革方案

考慮到上述計算機硬件基礎(chǔ)課程實驗環(huán)節(jié)的各種不足，筆者提出從實驗內(nèi)容和實驗方式兩個方面對硬件基礎(chǔ)課程實驗環(huán)節(jié)進行改革實踐。

1）實驗內(nèi)容方面。

（1）在硬件基礎(chǔ)課程的實驗項目設(shè)置上，減少驗證型的實驗項目，增加設(shè)計型與綜合型的實驗項目；在實驗課時上，保證設(shè)計型與綜合型實驗的課時量。湘南學(xué)院計算機科學(xué)系2011版的培養(yǎng)方案中對各門功課的實驗項目都做了一定的調(diào)整，并要求保證設(shè)計型和綜合型的實驗占所有實驗課時的40%。調(diào)整后的培養(yǎng)方案保證了一定數(shù)量設(shè)計型與綜合型的實驗，有利于提高學(xué)生自身的設(shè)計能力與綜合應(yīng)用所學(xué)理論知識的能力。例如，在數(shù)字邏輯課程的實驗項目設(shè)置中，共有16個實驗課時，其中14個為實驗課時，2個為實驗考核課時；在14個實驗課時中，設(shè)置了5個實驗項目：實驗一——門電路、實驗二——譯碼器與編碼器、實驗三——半加器與全加器、實驗四——觸發(fā)器、實驗五——計數(shù)器。其中實驗一、實驗二和實驗四3個實驗項目都是驗證型實驗，并且都只有2個課時；實驗三是組合電路的設(shè)計型實驗，給出一定的門電路和特定實驗要求，讓學(xué)生自己設(shè)計完成一個半加器和全加器的組合電路，占4個課時；實驗五是一個時序電路的綜合性實驗，給出一定的實驗要求，讓學(xué)生自己綜合所學(xué)知識設(shè)計一個計數(shù)器，也占4個課時。在計算機組成原理實驗項目設(shè)置中，共有16個實驗課時，其中2個為實驗考核課時，而其余的14個課時分給了5個實驗項目，實驗一——運算器，實驗二——存儲器，實驗三——微處理器，實驗四——基本模型機，實驗五——復(fù)雜模型機。其中前3個實驗都是單元實驗，也都是驗證型的實驗，每個實驗都只占2個課時；而第4個實驗，是要運用前3個實驗，組合成一臺簡單的有基本計算機功能的模型機，是屬于設(shè)計型的實驗，占4個實驗課時；第5個實驗，是在第4個實驗的基礎(chǔ)上，增加一些復(fù)雜的計算機功能，組成一臺復(fù)雜的模型機，此實驗是綜合型的實驗，占用4個實驗課時。endprint

（2）在現(xiàn)有實驗課時的基礎(chǔ)上，增加各門硬件基礎(chǔ)課程的課程設(shè)計環(huán)節(jié)，以課程設(shè)計作為實驗課的一個有利補充和綜合運用。而課程設(shè)計的命題可以緊跟當(dāng)下IT技術(shù)的新發(fā)展，在課程設(shè)計中盡量讓學(xué)生接觸最新的技術(shù)與應(yīng)用，也可以讓學(xué)生自主選擇感興趣的相關(guān)命題，指導(dǎo)其設(shè)計與實現(xiàn)。例如，數(shù)字邏輯課程設(shè)計中可以綜合所學(xué)的知識，結(jié)合實際應(yīng)用，設(shè)置汽車尾燈控制器、簡單交通燈控制器、電子密碼鎖、智力競猜?lián)尨鹌鞯仍O(shè)計課題供學(xué)生選擇學(xué)習(xí)；計算機組成原理課程設(shè)計中可以設(shè)置多功能ALU設(shè)計、RAM故障診斷設(shè)計、使用硬連線控制器的CPU設(shè)計等綜合應(yīng)用型的課題供學(xué)生選擇。

2）實驗方式方面。

（1）實現(xiàn)實驗方式的多元化。把單一的、傳統(tǒng)的用實驗箱做實驗的方式變?yōu)槎喾N實驗方式結(jié)合，實現(xiàn)實驗方式的多元化。例如，驗證型的實驗，用實驗箱實現(xiàn)，直觀易懂，而復(fù)雜些的設(shè)計型和綜合型實驗，試驗箱就有了一定的限制，不能充分發(fā)揮學(xué)生的自主設(shè)計能力。這時，可以考慮使用其他方式來實現(xiàn)。例如，前面介紹的EDA+PLD方式，當(dāng)然這種方式實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，還可以考慮用更加方便的電子設(shè)計軟件，如Multisim。Multisim是美國國家儀器有限公司（NI）推出發(fā)布的NI電路設(shè)計套件，是目前最先進、功能最強大的EDA軟件之一，它可以實現(xiàn)對電路原理圖形輸入、分析、仿真、測試等應(yīng)用，是一個完整的電路設(shè)計和仿真工具軟件。應(yīng)用Multisim實現(xiàn)數(shù)字邏輯實驗課程中的設(shè)計型和綜合型實驗是比較簡便和易操作的，而應(yīng)用Multisim實現(xiàn)計算機組成原理實驗課程中的實驗相對來說比較復(fù)雜些，但也是可操作的，文獻中有相關(guān)敘述。而對于非常復(fù)雜的、綜合型較強的計算機組成原理中的整機實驗，可以應(yīng)用自主開發(fā)的實驗平臺根據(jù)需求進行設(shè)計開發(fā)實現(xiàn)。例如，湘南學(xué)院計算機科學(xué)系在VS平臺上開發(fā)了基于瀏覽器客服端技術(shù)實現(xiàn)的計算機組成原理的虛擬仿真實驗平臺，這個平臺在2013年上半年已投入試運行，極大地增加了學(xué)生對計算機組成原理實驗課程的興趣與自主設(shè)計創(chuàng)新能力，從實驗課程的效果來看，比較理想。應(yīng)用多元化的實驗方式，有利于提高實驗課程的吸引力，進一步提高學(xué)生對實驗課程的興趣。不同實驗方式的比較也可以讓學(xué)生從不同的方面更好地理解理論知識，進一步提高學(xué)生的設(shè)計創(chuàng)新能力。

（2）相關(guān)硬件基礎(chǔ)課程實驗一體化。由前文分析可知，硬件基礎(chǔ)課程之間是有一定聯(lián)系的，在設(shè)計實驗項目時，應(yīng)該考慮到相關(guān)課程實驗項目之間的聯(lián)系和銜接，讓學(xué)生體會到相關(guān)的專業(yè)知識是一個整體，從而能更好地、前后聯(lián)系地學(xué)習(xí)相關(guān)的專業(yè)知識。例如，數(shù)字邏輯課程中的某些實驗可能會在計算機組成原理課程中有所應(yīng)用，這時就不要重復(fù)設(shè)計相同的實驗項目，只需在設(shè)置實驗項目時把數(shù)字邏輯與計算機組成原理當(dāng)作一門整體硬件基礎(chǔ)課程看待，進行一體化設(shè)置，便能避免相同知識的重復(fù)設(shè)置，又體現(xiàn)出?！I(yè)知識結(jié)構(gòu)本身的規(guī)律，有利于學(xué)生對知識的整體理解和把握。同時在統(tǒng)一設(shè)計實驗項目的時候要遵循從簡單到復(fù)雜、從部分到整體、從驗證型到設(shè)計綜合型，這樣一個循序漸進的過程，在實驗過程中慢慢地增加實驗難度，這樣做更加有利于學(xué)生對知識的理解與接受。

4.結(jié)語

為了培養(yǎng)適合市場需求的具有實踐創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才，在高校教學(xué)方面應(yīng)該注重實驗教學(xué)的改革。筆者對于計算機硬件基礎(chǔ)課程的實驗進行改革，調(diào)整實驗內(nèi)容，實現(xiàn)實驗方式多元化、實驗結(jié)構(gòu)一體化的改革方案，并部分得到實踐，從實踐效果可以看出，新的實驗方案對提高學(xué)生的實驗興趣、激發(fā)學(xué)生的設(shè)計創(chuàng)新能力有一定的效果。我們下一步努力的方向是進一步完善本實驗改革方案并推動其實踐。endprint