劉 升，岳成剛，劉懷愚①

（淮北師范大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235000）

計算機(jī)專業(yè)的硬件實驗主要包括模擬電路實驗、數(shù)字電路和數(shù)字邏輯實驗、微機(jī)接口技術(shù)實驗、計算機(jī)組成原理實驗、信號與系統(tǒng)實驗、數(shù)字信號處理實驗、嵌入式系統(tǒng)實驗和FPGA實驗等［1］.通過硬件實驗教學(xué)，提高學(xué)生硬件課程學(xué)習(xí)質(zhì)量和實踐能力，是理論教學(xué)的深化和補(bǔ)充.

硬件實驗課程都配備相應(yīng)的實驗平臺，且提供完善的實驗方法和實驗步驟，所有實驗需要的元器件或者模塊都集成到一個箱體內(nèi).學(xué)生只需按照實驗步驟連接好導(dǎo)線，輸入要求的信號，觀察輸出就行，規(guī)范的實驗平臺的優(yōu)點是簡化教師的工作量，簡化學(xué)生的實驗過程.但是缺點也較明顯，成型的實驗電路，實驗?zāi)Ｊ絾我唬瑢嶒烅椖抗潭?，影響學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

本文根據(jù)計算機(jī)專業(yè)硬件實驗的特點，著重分析實驗平臺在硬件教學(xué)中的不足.目的是提出結(jié)合實驗平臺，通過自制實驗設(shè)備和拓寬實驗范圍，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)教學(xué)改革.

近年來與計算機(jī)硬件實驗相關(guān)的文獻(xiàn)主要集中于以下幾個方面：討論實驗教師隊伍的建設(shè)和實驗項目正確設(shè)置［1］；完善計算機(jī)硬件實驗教學(xué)體系，更新實驗內(nèi)容和改善實驗環(huán)境［2］；側(cè)重計算機(jī)專業(yè)多科目的綜合應(yīng)用，建立統(tǒng)一的一體化硬件實驗平臺，支持基礎(chǔ)驗證型、綜合型和創(chuàng)新型實驗［3-5］；探討構(gòu)建計算機(jī)實驗教學(xué)環(huán)境，集管理、支撐和服務(wù)于一體［6］；EDA技術(shù)和虛擬技術(shù)在硬件實驗教學(xué)中的應(yīng)用［7］等.本文主要探討計算機(jī)硬件實驗平臺的不足和改進(jìn)，這在文獻(xiàn)中還沒有討論過.

1 計算機(jī)硬件實驗平臺的不足

隨著高校對實驗教學(xué)的重視，計算機(jī)的硬件課程都配備相應(yīng)的實驗平臺.硬件實驗平臺的建設(shè)，簡化實驗過程，通過這些實驗平臺，學(xué)生能更好地理解和掌握課本上的理論知識.在實驗教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，由于購置的實驗平臺在出廠時，生產(chǎn)教學(xué)儀器的廠家把實驗儀器的設(shè)計目標(biāo)定位在理論教學(xué)的驗證上，所以實驗內(nèi)容緊扣課本，實驗箱的電路設(shè)計完成后，實驗項目已經(jīng)基本固定，所以實驗?zāi)Ｊ絾我?更主要的問題是現(xiàn)成的實驗平臺，過于集中理論知識的驗證，忽視學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

計算機(jī)硬件實驗課程可以分為基礎(chǔ)實驗課和專業(yè)實驗課兩大類.基礎(chǔ)實驗課程特點是實驗電路比較簡單，如模擬電路實驗和數(shù)字電路實驗.硬件基礎(chǔ)實驗的教學(xué)目的除側(cè)重于書本上理論知識的驗證外，更應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生硬件設(shè)計的基本功，如焊接、元器件的測量、電路規(guī)劃和設(shè)計等.硬件專業(yè)實驗課，是指內(nèi)容比較深入的課程，如計算機(jī)組成原理實驗和數(shù)字信號處理實驗等.這些實驗的特點是實現(xiàn)實驗所需的硬件電路比較復(fù)雜，使用大規(guī)模集成電路，大部分實驗需要數(shù)據(jù)線、地址線和控制總線等，因此學(xué)生自制實驗裝置很不現(xiàn)實，可以采用模塊化實驗平臺來擴(kuò)充實驗平臺的功能，來增加綜合性和設(shè)計性實驗.還可以通過軟件設(shè)計和仿真等手段拓寬實驗范圍，將理論知識和實際應(yīng)用相結(jié)合，從而發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性.

2 計算機(jī)硬件實驗平臺的改進(jìn)探討

2.1 硬件基礎(chǔ)實驗提倡學(xué)生自制實驗設(shè)備

硬件基礎(chǔ)實驗，如模擬電路實驗和數(shù)字電路實驗，電路簡單，使用市售的實驗箱做實驗，學(xué)生只需簡單的插上導(dǎo)線，接通電源，輸入信號，測量輸出信號，驗證書本知識就行了.這種方式，簡化實驗步驟，實驗主要集中于書本知識的驗證，但忽略對學(xué)生硬件開發(fā)基本能力的培養(yǎng)，如元器件的焊接、測量和電路的設(shè)計等.所以對于基礎(chǔ)實驗，教師應(yīng)該挑選出部分實驗項目讓學(xué)生自制實驗裝置，獨立完成實驗.學(xué)生在分析實驗原理的基礎(chǔ)上，自己設(shè)計實驗電路，完成電路的調(diào)試和測量，在學(xué)生自己的努力下得到正確的實驗結(jié)果.通過自制實驗裝置，激發(fā)學(xué)生對計算機(jī)硬件實驗的興趣，積極性和能動性得到極大的提高.更為重要的是自制實驗裝置掌握的技能，是課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計和畢業(yè)后走上工作崗位所必須的.

以模擬電路實驗中的晶體管共射極單管放大器實驗為例，來說明自制實驗裝置的好處.晶體管共射極單管放大器實驗的目的是學(xué)習(xí)單管共射放大電路的組成，分析靜態(tài)工作點對放大器性能的影響，掌握電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻的測試方法等.

如果使用現(xiàn)成的實驗儀器，由于實驗面板上提供圖1的電路連接和相關(guān)的元器件，學(xué)生做的工作就是連上電源，調(diào)整Rw改變靜態(tài)工作點，然后輸入信號，測量輸出信號，分析靜態(tài)工作點對放大器性能的影響.簡而言之，現(xiàn)成的實驗箱，可以簡化學(xué)生的實驗過程，將實驗的重點集中在原理的驗證上面.

如果放棄現(xiàn)成的實驗平臺，而是讓學(xué)生自制實驗裝置，那么對學(xué)生的要求就更高.學(xué)生首先要理解電路工作原理和實驗?zāi)康模缓蟛拍苷_地領(lǐng)取實驗所需的元器件，測量元器件的好壞和性能，識別晶體管和電容器的極性，再按照電路圖對元器件進(jìn)行組合，從而實現(xiàn)圖1的電路功能.從元器件到電路的實現(xiàn)，可以將元器件焊接到萬用板上，也可以用面包板，還可以制作印刷電路板，然后將元器件焊接到電路板上.電路做好后，再進(jìn)行上述的靜態(tài)工作點的測定，以及放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻的測量等.

對比以上實驗過程，發(fā)現(xiàn)如果使用廠家提供的實驗平臺，由于有現(xiàn)成的實驗電路，所以實驗過程側(cè)重于書本上理論知識的驗證，這樣的實驗過程會增加學(xué)生對課本理論知識的理解.而如果沒有使用配套的實驗平臺，那么從元器件的選擇、排列和焊接都必須由學(xué)生獨立完成.這樣的實驗過程，不僅僅可以達(dá)到上述的實驗?zāi)康模彝ㄟ^實驗學(xué)生可以獲得元器件的焊接、元器件的測量和識別、電路的規(guī)劃等基本技能.這些技能都是以后課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計和走向工作崗位進(jìn)行電路設(shè)計所必需的.更為重要的是，學(xué)生通過實驗獲得的成就感，會激發(fā)學(xué)習(xí)計算機(jī)硬件知識的積極性和主動性，從而挖掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，這才是實驗教學(xué)的目的.

圖1 晶體管共射極單管放大器實驗原理

2.2 專業(yè)硬件實驗基于模塊化設(shè)計，拓寬應(yīng)用范圍，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

專業(yè)硬件實驗課程是內(nèi)容比較深入的課程，完成硬件實驗需要的實驗電路比較復(fù)雜，如計算機(jī)組成原理實驗和數(shù)字信號處理實驗等，這些實驗裝置一般由CPU、RAM、總線等組成，線路復(fù)雜，很難自制，所以學(xué)生使用實驗平臺是必要的.現(xiàn)成實驗平臺的主要功能和實驗項目已經(jīng)固定，和課本知識聯(lián)系密切，因此以驗證性的實驗為主，而創(chuàng)新性和設(shè)計性的實驗受到限制.對于專業(yè)硬件實驗課程，在教學(xué)中，應(yīng)該以現(xiàn)成的實驗設(shè)備為主要的實驗平臺，有條件的話盡量選用模塊化的實驗平臺.因為模塊化的實驗設(shè)備是通過增加模塊來實現(xiàn)功能的擴(kuò)充，所以能夠拓寬實驗范圍，能夠增加創(chuàng)新性和設(shè)計性的實驗.除使用現(xiàn)有的實驗設(shè)備完成教學(xué)大綱的實驗外，教師要結(jié)合其他的實驗渠道，如軟件設(shè)計和虛擬仿真等手段，使學(xué)生能自主地將理論知識和實際應(yīng)用相結(jié)合，從而充分發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，提高教學(xué)效果.

以數(shù)字信號處理課程的快速傅里葉變換及其應(yīng)用實驗為例，來說明硬件實驗如何拓寬應(yīng)用范圍，實現(xiàn)提高學(xué)生積極性和創(chuàng)新能力的目的.快速傅里葉變換及其應(yīng)用實驗的目的是加深對傅里葉變換的理解，應(yīng)用快速傅里葉變換對信號進(jìn)行頻譜分析，應(yīng)用快速傅里葉變換實現(xiàn)序列的線性卷積和相關(guān).

傅立葉變換是一種分析信號的方法，用來分析信號的組成成分，在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.典型傅里葉變換示于公式（1），表示信號從時間域到頻率域的變換.離散傅里葉變換（DFT）是傅里葉變換的離散形式，表現(xiàn)在其工作的時間域和頻率域上都是離散形式.通過DFT把信號從時間域變換到頻率域，來研究組成信號的頻譜成分和變化規(guī)律.快速傅里葉變換，是利用計算機(jī)計算離散傅里葉變換的高效、快速的計算方法，簡稱FFT.基本思想是把原始的N點序列，依次分解成一系列的短序列.充分利用DFT計算式中指數(shù)因子所具有的對稱性質(zhì)和周期性質(zhì)，進(jìn)而求出這些短序列相應(yīng)的DFT并進(jìn)行適當(dāng)組合，達(dá)到刪除重復(fù)計算，減少乘法運算和簡化結(jié)構(gòu)的目的［8］.

實驗室一般使用基于DSP的實驗箱完成快速傅里葉變換實驗，通過裝載fft.c程序，演示快速傅里葉變換算法，熟悉快速傅里葉變換的算法原理和算法流程，并對連續(xù)信號進(jìn)行頻譜分析.通過這個實驗，學(xué)生不僅熟悉fft算法原理和應(yīng)用，而且對A/D采樣過程、采樣定理、DSP芯片和CCS開發(fā)環(huán)境都有更深入的了解.基于DSP的實驗平臺同樣存在著不足之處，實驗箱局限在實驗室使用，且實驗程序只能應(yīng)用在DSP芯片上，做實驗的步驟和方法太具體，束縛學(xué)生的思維，不利于學(xué)生獨立能力的培養(yǎng).

圖2 應(yīng)用快速傅里葉變換分析聲音頻譜的程序界面

計算機(jī)硬件技術(shù)能夠應(yīng)用到多個方面，同樣快速傅里葉變換在多個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，且計算機(jī)的硬件配置能夠滿足快速傅里葉變換的一般應(yīng)用，給拓寬硬件實驗提供條件.教師應(yīng)根據(jù)自己的工作經(jīng)驗正確啟發(fā)學(xué)生，指出快速傅里葉變換可以在普通計算機(jī)上實現(xiàn).實現(xiàn)快速傅里葉變換除實驗平臺提供的DSP環(huán)境外，計算機(jī)環(huán)境下的MATLAB、C和C++語言等都可以實現(xiàn)快速傅里葉變換算法.信號的來源可使用計算機(jī)配置的聲卡采集聲音信號，對聲音進(jìn)行頻譜分析.進(jìn)一步的應(yīng)用，還可以對圖像進(jìn)行二維快速傅里葉變換等.通過對學(xué)生的引導(dǎo)，可以充分發(fā)揮學(xué)生的主動性，學(xué)生在獨立的探索中學(xué)到技能，提高自信心，這才是實驗教學(xué)的根本目的.圖2就是學(xué)生設(shè)計的基于MATLAB的聲音頻譜分析程序，通過程序的開發(fā)，提高學(xué)生的設(shè)計能力和動手能力，提高了學(xué)習(xí)計算機(jī)專業(yè)課程的積極性，為以后更好地走上工作崗位打下堅實的基礎(chǔ).

3 結(jié)論

計算機(jī)硬件實驗教學(xué)既是計算機(jī)專業(yè)教學(xué)的重要部分，也是計算機(jī)軟件教學(xué)的基礎(chǔ).計算機(jī)硬件教學(xué)依賴于實驗設(shè)備，其配備的實驗平臺集中于對理論知識的驗證，使得硬件實驗教學(xué)比較枯燥，阻礙學(xué)生硬件實驗的積極性和創(chuàng)新熱情.教師在充分利用計算機(jī)硬件實驗平臺的基礎(chǔ)上，通過自制實驗設(shè)備和拓寬應(yīng)用范圍來提高學(xué)生動手能力，鼓勵學(xué)生自主探索，獨立完成綜合性實驗設(shè)計，從而培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)造能力.

計算機(jī)硬件實驗中的基礎(chǔ)性實驗，實驗電路比較簡單.教師可選擇部分硬件實驗，讓學(xué)生自制實驗裝置，獨立完成實驗電路的設(shè)計和調(diào)試，提高學(xué)生學(xué)習(xí)硬件實驗的積極性.筆者在教授模擬電路實驗課程時，選取部分實驗，讓一部分學(xué)生脫離實驗平臺，通過自制硬件電路完成這些實驗.通過對比可以看到，這些學(xué)生不僅在硬件知識上掌握的較好，動手能力很強(qiáng)，而且其他課程上的學(xué)習(xí)成績也很好，說明學(xué)生學(xué)習(xí)積極性得到提高.

硬件專業(yè)實驗課程中，硬件實驗電路復(fù)雜，自制難度大.為彌補(bǔ)現(xiàn)成的實驗箱的實驗?zāi)Ｊ奖容^單一的缺點，教師可以選用模塊化的實驗設(shè)備來實現(xiàn)功能的擴(kuò)充，增加實驗的創(chuàng)新性.另外，通過軟件設(shè)計和仿真等手段拓寬實驗范圍，將理論知識和實際應(yīng)用相結(jié)合，發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，提高教學(xué)效果.

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［3］羅家奇，李云，葛桂萍.計算機(jī)硬件系統(tǒng)實驗教學(xué)改革的研究［J］.實驗室研究與探索，2007，26（8）：98-100.

［4］陳妍，王換招，伍衛(wèi)國，等.高等學(xué)校計算機(jī)硬件實驗教學(xué)體系改革研究與探討［J］.計算機(jī)教育，2008（8）：125-127.

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