謝方方，謝志英，陳靜，韓月霞，張英

（軍械工程學院信息工程系，石家莊　050003）

《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》實驗教學改革的探索與實踐

謝方方，謝志英，陳靜，韓月霞，張英

（軍械工程學院信息工程系，石家莊050003）

0　引言

《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》課程是通信電子類專業(yè)的科學文化必修課，主要講授計算機的基本構(gòu)成、匯編語言程序設(shè)計、存儲器設(shè)計及常用接口技術(shù)等內(nèi)容，分理論教學和實驗教學兩個部分。該課程是學生信息化素質(zhì)培養(yǎng)課程體系核心課程之一，而學生信息化素質(zhì)的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在學生學習能力、實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)上。課程實驗教學對這些能力的培養(yǎng)所起的作用是理論教學無法替代的。

在我院，《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》的實驗教學在整個課程的課時量中的占比只有1/4，在實際的教學過程中，常常出現(xiàn)學生剛剛熟悉實驗卻沒有課時余量的情況，無法深度參與實驗。當然，這在其他院校也基本上都發(fā)生過。為了讓學生能夠更好地學習，培養(yǎng)他們的實踐動手能力，這些院校也都做出了一定程度的改革［1-2］。我院針對這種情況，經(jīng)過不斷探索，對《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》這門課的實驗教學進行了大膽的創(chuàng)新改革，逐步形成了具有自我特色的教學方法和手段，并在實踐過程中取得了良好效果。

1　實驗教學現(xiàn)狀

針對課程的理論教學內(nèi)容，現(xiàn)有實驗主要分為兩大模塊：匯編語言程序設(shè)計和硬件電路設(shè)計。

1.1匯編語言程序設(shè)計部分

由于《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》這門課是以8086處理器為核心展開，因此需要學習與相應(yīng)CPU對應(yīng)的指令集?，F(xiàn)有教學是首先在理論課上講解各條匯編指令的用法［3］，介紹匯編語言的程序結(jié)構(gòu)，然后在Debug環(huán)境下調(diào)試程序。

Debug.exe是與8086相應(yīng)的操作系統(tǒng)DOS提供的一個用于調(diào)試可執(zhí)行程序的工具軟件，有關(guān)它的命令包括Debug的啟動和退出、常用的Debug命令如A、U、R、D、G、T、P、E等，如果要完成相應(yīng)匯編程序的調(diào)試，必須首先熟練掌握這些Debug命令。

在實驗教學過程中如果能夠利用DEBUG調(diào)試引導學生對匯編語言的執(zhí)行過程進行詳細跟蹤分析，那么對學生而言可以更加深入地理解計算機的底層工作原理。然而在實際實驗過程中，由于部分學生認為8086相比現(xiàn)有的微處理器太過老舊，產(chǎn)生“學了也沒用”的錯誤心理，本身對課程的興趣已經(jīng)降低，又要記憶大量的Debug調(diào)試命令，造成實驗進行過程中，學生不積極參與或只用幾個簡單命令的情況，實驗效果不理想。

1.2硬件電路設(shè)計部分

目前基于8086 CPU的硬件電路設(shè)計主要包括存儲器設(shè)計、常用接口設(shè)計等部分，相應(yīng)的實驗教學以DVCC-5286JH實驗箱為平臺，在過去的十年學生都是在該實驗箱上根據(jù)實驗指導書的要求完成相應(yīng)驗證性的實驗即可。這雖然在一定程度上培養(yǎng)了學生將理論知識與實際電路相結(jié)合的能力，但是在如今學生信息化素質(zhì)培養(yǎng)的要求下顯然是遠遠不夠的，主要有以下兩點原因。

首先，以實驗箱為平臺的實驗教學不能充分鍛煉學生的實踐動手能力。實驗箱的底層電路連接已經(jīng)由廠家設(shè)計完成，可供學生進行電路連線的部分很少，學生在做實驗時只是按照實驗指導書上的實驗步驟一步步連線，將教師給的程序下載進實驗箱的存儲器中即可，學生無法深度參與到實驗的設(shè)計過程中，更無法進行綜合性實驗。

其次，《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》的實驗課時不多，地點固定。課程安排上用于接口實驗的課時只有4個，學生只有在這4個課時的時間里才能夠接觸到實驗箱，并且還得到固定的實驗室完成，其它時間如果有學生想進一步地做實驗，就得與學校的各部門去協(xié)調(diào)，這顯然非常不方便。針對以上現(xiàn)有實驗中所存在的問題，進行《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》相應(yīng)的實驗改革就顯得尤為重要了。

2　實驗教學改革

2.1改革的基本思想

《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》是一門實踐性要求很強的課程，在信息化素質(zhì)培養(yǎng)的要求下，通過實驗教學的改革，希望能夠達到培養(yǎng)學生學習能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的目標。

由于現(xiàn)有實驗教學存在課時少、實驗工具落后、實驗平臺不夠開放等特點，實驗效果不理想，學生實踐能力和創(chuàng)新能力不能得到充分培養(yǎng)，在改革的過程中，我們針對這些問題，一方面尋找能夠激發(fā)學生實驗興趣、提高學生動手參與度的新型實驗工具，另一方面對實驗內(nèi)容重新規(guī)劃設(shè)計，以期深度挖掘?qū)W生的潛力。

2.2改革的具體措施

通過引入新的教學手段：EMU8086和Proteus VSM for 8086，調(diào)動學生的積極性。通過層次化的實驗內(nèi)容設(shè)計，激發(fā)學生學習的主觀能動性和探索知識的欲望。

（1）實驗手段的改革

①EMU8086

匯編語言程序設(shè)計部分是《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》的重要組成部分，也是學生認識并理解微機系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。傳統(tǒng)模式下所采用的實驗手段是Debug調(diào)試，由于該工具本身的命令不易掌握，造成學生對課程興趣的降低，學習效率也不高，為了改善這一現(xiàn)狀，引入了EMU8086調(diào)試工具［4］。

該工具相比Debug而言直觀、生動、形象，學生可以實時觀察指令的執(zhí)行過程，查看CPU內(nèi)部幾乎所有寄存器的動態(tài)變化以及每條指令反匯編后生成的機器碼和在內(nèi)存中所占存儲單元的物理地址情況。可以說，EMU8086很好地展現(xiàn)了CPU的工作過程和原理，它將學生學習匯編語言時感覺晦澀難懂的東西表現(xiàn)得直觀形象。這一方面提高了學生的學習興趣，另一方面培養(yǎng)了學生觀察、比較、驗證、概括問題的能力。如圖1所示。

圖1　EMU8086調(diào)試工具

利用EMU8086進行匯編語言程序設(shè)計部分實驗教學的過程中，教師把主要精力放在引導學生啟發(fā)學生深入探索和思考上，而學生則發(fā)揮其主體地位，不斷完善自主學習能力。

②Proteus VSM for 8086

硬件電路設(shè)計部分的實驗是加深學生對存儲器、常用接口芯片的理解，體會其功能、工作原理以及工作過程的重要教學環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學生學習能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的重要措施。但是由于傳統(tǒng)實驗平臺的限制，學生一方面不能深度參與到實驗的設(shè)計過程中，另一方面不能利用課余時間隨時隨地拓展實驗項目，所以學生即使有能力也不能得到充分發(fā)揮。Proteus VSM for 8086平臺就能夠很好地破解這個難題。

Proteus是Labcenter Electronics公司研發(fā)的唯一將電路仿真、PCB設(shè)計和虛擬模型仿真合二為一的設(shè)計與仿真平臺，它所提供的元器件和虛擬儀表接近真實元件和儀表的效果，免去了學生擔心操作實驗箱不當造成損壞的擔心，讓學生可以大膽實驗，體會實驗的樂趣。Proteus VSM for 8086平臺則是該公司在2010年推出的基于Intel8086的仿真環(huán)境，這無疑為《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》這門課硬件電路設(shè)計部分的實驗提供了有利條件［5］。

基于Proteus VSM for 8086平臺，學生可以選取元件，搭建電路，下載程序，然后通過觀察仿真環(huán)境下電路的運行效果，判斷電路設(shè)計的正確性和完整性，如果效果不理想，可以反復修改，不受實驗課時和實驗地點的限制，直到達到理想效果，如圖2所示。

圖2　Proteus VSM for 8086平臺

如果學生想進一步做出實物電路板，只需要進入Proteus的電路板制作環(huán)境下完成相應(yīng)繪圖即可?？梢姡ㄟ^該平臺，學生不僅能夠全程參與到實驗的設(shè)計過程中，而且還可以充分利用課余時間完善實驗、拓展實驗。

但是，Proteus VSM for 8086平臺畢竟是仿真環(huán)境，與實際電路的電氣特性還有所差距，不可能完全替換傳統(tǒng)實驗箱，所以學生在仿真平臺下完成的實驗，仍需要到實驗箱上加以驗證，或者結(jié)合實驗箱通過外部電路板搭建電路拓展實驗，這樣才真正做到理論聯(lián)系實際，提升自我的學習能力、實踐能力和創(chuàng)新能力。也是基于這樣的考慮，我院對實驗內(nèi)容進行了相應(yīng)的改革。

（2）實驗內(nèi)容的改革

傳統(tǒng)模式下，學生在完成相應(yīng)章節(jié)的理論學習后，按照教師給出的實驗步驟在實驗課上進行相應(yīng)的驗證性操作，得出實驗結(jié)果。在實驗的過程中，學生的潛力并沒有被充分挖掘，甚至造成部分學生的厭學情緒，為了充分調(diào)動學生的積極性，發(fā)揮學生的主觀能動性，我們對實驗內(nèi)容進行了層次化設(shè)計，改革了原有的驗證性實驗，并且進一步引入設(shè)計性實驗和綜合性實驗。

①驗證性實驗

《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》是一門比較抽象的課程，學生在學習的過程中一定要緊跟教材，及時消化理論課堂上教師教授的知識點，而驗證性實驗就是將教材上的例子在EMU8086和Proteus上運行，查看執(zhí)行過程和結(jié)果，幫助學生進一步消化和理解知識點。

在匯編程序設(shè)計部分，例如統(tǒng)計一組數(shù)據(jù)中奇數(shù)和偶數(shù)的個數(shù)，教材上有寫好的代碼，課堂上也分析過這個例子，但是有部分學生仍然對程序的執(zhí)行過程不理解，通過EMU806的單步調(diào)試功能查看程序執(zhí)行過程中各寄存器值的變化以及最后的結(jié)果，抽象的程序變得具體化，學生也就更加容易理解。

在硬件電路設(shè)計部分，例如在8255A接口中通過一組開關(guān)控制一組發(fā)光二極管的亮滅，教材上給出了現(xiàn)成的電路連接，8255A的初始化程序和開關(guān)控制發(fā)光二極管的程序，但是由于書本知識是靜態(tài)的，學生只能想象，而在Proteus環(huán)境下，學生可以自己動手將該電路搭建好，然后將程序下載好驗證結(jié)果，在仿真環(huán)境下按下或斷開開關(guān)觀察發(fā)光二極管的亮滅，動態(tài)效果明顯，學生自然也更加樂于學習。

②設(shè)計性實驗

通過驗證性實驗完成了課程的去抽象化，然而學生的興趣并未充分激發(fā)，還需要通過設(shè)計性的實驗進一步加強。設(shè)計性實驗是將部分自主權(quán)交到學生手里，教師給出基本的實驗要求、實驗?zāi)康暮蛯嶒灄l件，而怎么設(shè)計則由學生獨立完成。如數(shù)碼管顯示控制、跑馬燈控制、行列掃描鍵盤控制［6］等。

設(shè)計性實驗本身并不復雜，所涉及的內(nèi)容也基本上是課程內(nèi)的，但是對于學生而言又有一定的難度，這就激發(fā)了學生的探索欲，從而在自己能力范圍內(nèi)完成設(shè)計任務(wù)。

③綜合性實驗

由淺入深是學習的內(nèi)在規(guī)律，在以上兩種實驗的基礎(chǔ)上開展綜合性實驗是促進學生掌握課程精髓的關(guān)鍵步驟。綜合性實驗所涉及的知識點比較全面，不再局限于課程內(nèi)，而有可能涉及到相關(guān)課程，具有一定的復雜性，因此通常采用分組方式由學生互相協(xié)作、完全自主設(shè)計，學生從自擬題目、設(shè)計方案、選擇元件、搭建電路、EMU8086下編寫程序、Proteus下仿真調(diào)試，結(jié)合實驗箱制作電路板實物調(diào)試，最后到分析結(jié)果都是獨立完成。例如，由學生完成的作品有籃球記分牌、數(shù)字鐘、音樂播放器、計算器等等，如圖3所示。

圖3　實驗作品

在任務(wù)完成的過程中，首先學生需要綜合運用所學的計算機原理、數(shù)字電路、模擬電路以及電工電子等各方面的知識，培養(yǎng)了學生的綜合學習能力；其次學生在調(diào)試電路、觀察結(jié)果、再調(diào)試再觀察的過程中收獲了實踐動手能力；再次由于實驗是由小組協(xié)調(diào)完成，也就培養(yǎng)了學生的團隊合作精神；最后，為了獲得最后的實驗結(jié)果，小組成員都是不遺余力通過各種方法經(jīng)不同途徑達到目的，培養(yǎng)了學員的創(chuàng)新能力。

綜合性實驗不僅對本課程有很大促進作用，而且為學生參加學院甚至全國的各種電子設(shè)計大賽打下了良好的基礎(chǔ)。

2.3改革的實施效應(yīng)

實《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》課程改革的重要環(huán)節(jié)，對課程的促進作用非常明顯，主要體現(xiàn)在以下兩點上。

（1）學生的學習興趣顯著增強

通過實驗教學的改革，學生對課程的積極性和主動性明顯提高。課堂內(nèi)，不僅緊跟教師思路展開學習，而且對某一實驗案例能夠提出不同的設(shè)計思路，課堂參與度較高；課堂外，學生拜訪教師的次數(shù)明顯增加，與教師探討的問題往往不局限于本門課，還會涉及相關(guān)課程，求知欲望較強。

（2）學生的工程實踐能力顯著提升

通過多元化的實驗手段、層次化的實驗內(nèi)容，學生掌握了計算機硬件系統(tǒng)的工作流程，建立了系統(tǒng)思維，熟悉了系統(tǒng)工作時所需要的軟硬件環(huán)境如何搭建，學生的動手能力有所提高。

學生主動提出參加學院內(nèi)科技創(chuàng)新制作和全國大學生各類設(shè)計大賽的人數(shù)明顯增多，近三年學生在參加了全國大學生“嵌入式設(shè)計大賽”和“中國機器人武術(shù)擂臺賽”以后，共獲全國一、二、三等獎17個，2014年占8個，占總數(shù)的48%。

3　結(jié)語

基于《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》課程比較抽象、實踐性要求強的特點，我院對該課程的實驗教學進行了深度改革，利用EMU8086程序調(diào)試工具和Proteus VSM for 8086仿真調(diào)試工具將課程變抽象為形象，全面激發(fā)學生的學習興趣，通過驗證性實驗、設(shè)計性實驗和綜合性實驗這三層遞進的實驗教學設(shè)計一步步引導學生從未知到已知，深度參與實驗設(shè)計，培養(yǎng)了他們的學習能力、實踐能力和創(chuàng)新能力。

［1］王昊.“微機原理與接口技術(shù)”教學改革探索與實踐［J］.中國電力教育，2012，31（45）：84-85.

［2］張?zhí)m紅，陸廣平，周云龍.“微機原理與接口技術(shù)”課程教學的探索與實踐［J］.電氣電子教學學報，2008，30（5）：93-95.

［3］周荷琴，馮煥清.微機計算機原理與接口技術(shù)［M］.第5版.合肥：中國科學技術(shù)大學出版社，2013.

［4］谷兆麟.基于EMU8086的微機系統(tǒng)的輔助學習方法［J］.天津工程師范學院學報，2006，16（4）：26-27.

［5］李現(xiàn)國，張艷.Proteus仿真在微機原理及接口技術(shù)教學中的應(yīng)用［J］.實驗技術(shù)與管理，2010，27（12）：125-127.

［6］鄒逢興.微機原理與接口技術(shù)經(jīng)典實驗案例集［M］.北京：高等教育出版社，2010.

Computer Hardware Technology Course;Experimental Teaching Reformation;Information Quality

Exploration and Practice of Experimental Teaching Reformation in Computer Hardware Technology Foundation Course

XIE Fang-fang，XIE Zhi-ying，CHEN Jing，HAN Yue-xiang，ZHANG Ying
（Department of Information Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003）

1007-1423（2015）28-0012-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.28.003

謝方方（1984-），女，講師，研究方向為信息安全

謝志英（1981-），女，河北秦皇島人，碩士研究生，講師，研究方向為數(shù)據(jù)恢復

陳靜（1982-），女，河北石家莊人，碩士研究生，講師，研究方向為數(shù)據(jù)恢復

韓月霞（1980-），女河北邯鄲人，碩士研究生，講師，研究方向為芯片安全

張英（1982-），女，四川成都人，碩士研究生，講師，研究方向為數(shù)據(jù)恢復

2015-08-20修改日期：2015-09-30

在信息化素質(zhì)培養(yǎng)要求下，針對《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》原有實驗設(shè)計不能完全滿足現(xiàn)有教學需求的情況，對課程實驗教學進行深度改革。通過多元化的實驗手段和層次化的實驗內(nèi)容，培養(yǎng)學生的學習能力、實踐能力和創(chuàng)新能力。

計算機硬件技術(shù)；實驗教學改革；信息化素質(zhì)

基于旁路攻擊的硬件木馬檢測研究（No.61271152）、流水線延遲電磁旁路分析新方法研究（No.51377170）

Under the request of information quality education，in view of the original design of experiment in the Computer Hardware Technology course which cannot completely meet the demand of current teaching situation，implements the deep reformation of the experimental teaching.Through a variety of experiment method and hierarchical content，the students'learning ability，practice ability and innovation ability are cultivated.