计算机硬件课程群实践教学体系

计算机硬件课程群实践教学体系的改革与研究 摘要：本文结合计算机专业理论课程教学体系建设，探讨了计算机专业硬件课程实验教学体系方案，介绍吉首大学计算机科学与技术专业在计算机专业硬件课程实践教学研究、教材建设及实验室建设等方面的工作。

1 概述 计算机硬件教学属于计算机类专业教学的重要组成部分,核心课程包括电子技术基础、计算机组成原理、单片机原理与应用、嵌入式系统应用、微型计算机原理及应用等课程,这些课程具有理论性强、应用范围广且与实践联系紧密等特点。计算机硬件实验教学是理论知识的验证与巩固的重要环节,计算机硬件实验包括基本性实验、验证性实验、综合设计性实验3种类型。通过对我院计算机硬件3种实验课程训练,观测、分析，研究实验的现象和结果,找出激发学生的学习兴趣,提高学生的动手能力,强化学生的创新意识的方法和模式,为学生以后走上社会从事高新科技领域工作打下一个良好的基础。

2 实践课程体系存在诸多问题 2．1 缺乏对学生系统设计能力的培养 传统的硬件设计和软件设计相分离的设计方法成为阻碍设计和实现复杂、大规模系统的关键因素。系统平台的搭建、软硬件的协同设计验证和软硬件功能模块的可重用性已成为现阶段设计方法的热点。培养学生具有系统设计的思想成为当务之急。 2.2 缺乏对学生可编程芯片设计能力及EDA技术的培养 可编程芯片与EDA技术是现代电子设计的发展趋势，将可编程芯片设计及EDA技术引入硬件课程实验教学中是时代发展的需要。 2.3 缺乏综合性的实践课程，学生的创新能力发挥受限 由于实验条件限制，原有的多数实验是基于纯硬件逻辑设计的，只是在面包板上用器件构建小系统，功能扩展性差；并且只能开设数量有限、技术含量较低的实验，学生无法开展自主的综合性设计，无法进行创新能力的培养。 3 硬件系列课程体系结构改革及措施 3.1 建立课程体系 经过充分调研和论证，我院首先从修改08级教学计划入手，对课程体系中的多门课程进行了调整，同时理顺各门课程间的关系，构建起了新的硬件课程体系。该课程体系横向由必修课程、配套实践二部分组成。必修课包括“电子技术基础”、“组成原理”、“单片机原理与接口技术”、“嵌入式系统及应用”等课程。配套实践主要包括“电子技术基础实践”、“计算机组员原理实践”、“单片机原理实践”、“嵌入式系统实践”。以此就可以保证课程体系的实用性与先进性。 硬件系列课程从体系结构纵向上划分为三个层次：基础层、应用层和提高层，其课程间的关系如表1所示。基础层为“电子技术基础”与“组成原理”。“数字电路”课程虽然在教学体系上不属于计算机硬件系列课程，但它是计算机硬件系统的技术基础，是必修的前续课；“组成原理”介绍计算机的基本组成和工作原理，解决整机概念；在应用层中，通过“单片机原理与接口技术”介绍应用层的外围接口和相关外设。提高层为“嵌入式系统”实践课程，通过学习和实践，能够使学生比较全面地掌握嵌入式系统的基本概念、基本原理、基本结构、基本分析方法、基本设计方法和性能评价方法，并建立起嵌入式系统的完整概念。在硬件课程群实验体系建设过程中，突出强调课程体系的系统性和完备性。从第2学期到第7学期硬件实验不断线，层次逐步提高，实验内容衔接连贯。注意各硬件实践的相互次序和互补，使硬件实践训练层次化、系列化，以此来系统强化学生的硬件动手能力。同时调整各课程的开设顺序，理顺每门课与前导课和后续课之间的关系，从而保证硬件课程体系的系统性和完备性。 表一：计算机硬件课程层次结构 3.2 优化实验内容，引进实验新技术，提高硬件设计的效率和兴趣 随着计算机硬件技术的日益发展，各种各样的微处理器不断更新，功能不断增强，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展，嵌入式系统设计也逐步成为主流。为了使学生跟上时代潮流，了解最新技术，需要不断引入新设备、新技术，提高硬件设计的效率和兴趣。如更新的“组成原理”和“单片机原理与接口技术”实验平台，通过RS232串口与PC机相连，可在PC机上编程并向系统装载实验程序，还可在PC机的图形界面下进行动态调试并观察实验的运行，使学生像设计软件一样来设计硬件，做到了硬件设计软件化，大大提高了硬件设计的效率和兴趣。“计算机组成实践课程”中，将FPGA等技术引入，用FPGA来设计复杂模型机。“单片机原理与接口技术实践课程”中补充USB、网卡接口的应用等内容。“嵌入式系统实践课程”中试验并行程序的运行与任务分配调控等功能。为适应当前嵌入式芯片的迅速普及应用，新开设了“嵌入式系统设计”课程设计。 3.3 编写有学校特色的实验教材 根据计算机学科发展快的特点,教学内容应不断更新,教学方法也需不断变化,建议实验教材采用自编讲义。根据我院对学生的人才培养要求、实验条件、仪器设备编写出新颖、有特色的实验教材,并把主要内容放在实验方法和技巧的指导上。

层次 硬件必修课程 配套实践 基础 《电子技术基础》、《计算机组成原理》 《电子技术基础实践课程》、《计算机组成原理实践课程》 应用 《单片机原理与接口技术》 《单片机原理与接口技术实践课程》 提高 《嵌入式系统》 《嵌入式系统实践课程》 计算机专业开设的硬件实验主要有《电子技术基础》、、《计算机组成原理》、《单片机原理及接口技术》、《嵌入式系统及应用》等实验课程,根据各实验课程在大学4年教学中的地位和作用,对学生培养要求按时间段进行合理分工,使整个教材的内容形成一个统一整体。教材内容按照由简单到复杂、由基本到综合以及独立操作能力的形成过程编写,对实验步骤的叙述从全部详写到部分指导再到启发性探索多层次形式叙述。这样能激发学生的实验兴趣,调动学生的积极性,提高其实验能力,使学生在实验基本方法和基本技能方面受到良好的训练。 编写的实验教材不是针对某一具体的实验要求,应该有普遍的指导作用,知识面要广,有利于学生自学。有些注意事项和实验技巧可以以思考题的形式出现,要求学生在预习时思考回答,这样可以引导学生独立思考,养成思考分析的习惯。 3.4 改革教学方法,注重能力培养 由于传统教育观念的影响,教师总是注重向学生灌输知识,学生只满足于“依葫芦画瓢”地完成一个个实验,实验遇到的问题依赖于老师解决,这样培养的学生必然缺乏创新意识和创新能力,是难以适应科学技术发展要求的。只有在教学过程中重视对学生观察能力、动手能力、分析问题和解决问题能力的培养,使学生始终处于主动学习的状态,才能养成独立思考和积极进取的科学精神。 （1）加强预习环节 在实验课中,很多学生都是临时才看实验指导书,再按着实验指导书的内容一点点去试,不仅导致了实验时间的严重浪费,更重要的是导致了理论与实践的脱节。因此,在实验前应要求学生预习实验讲义,明确实验的要求和内容,有的还要求查阅有关资料,更重要的是通过必要的理论计算,编写实验程序,预计实验结果。对预习的捡查采用实验前提问或查阅预习报告等,预习不合格者不得进实验室做实验。通过加强预习,能够使学生在实验中增加主动性,减少盲目性,思考能力和动手能力都得到明显提高,同时还培养了学生探索创新和积极吸取知识的习惯。 （2）培养学生独立进行实验的能力 实验课上,教师只对实验内容中的重点和难点及注意事项进行提示,然后放手让学生做实验。学生在进入实验室前应该先预习,对于在实验过程中出现的问题,教师不是亲自帮助检查解决,而要因势利导,给予学生必要的提示或启发。促使他们养成独立思考的习惯。同时引导学生从不同角度观察问题、提出问题,培养他们分析问题和解决问题的能力。 （3）以计算机辅助教学技术、FPGA/CPLD技术、模拟仿真技术贯穿计算机硬件实验的始终 目前国内流行的嵌入式设计方法中,FPGA/CPLD等可编程逻辑器件在绝大部分场合下仅作为嵌入式处理器的胶合逻辑或只是用来实现一些通信的简单逻辑。但随着可编程逻辑器件工艺和开发工具日新月异的发展,以FPGA为核心的高性价比的新一代超大规模可编程逻辑器件已经开始在嵌入式产品设计中发挥出越来越重要的作用。教师可以在讲解理论课或实验课过程中穿插一些模拟仿真的内容,如采用先进的可编程器件FPGA、CPLD,在软件控制下使用VHDL、IP和在线系统编程技术对应用做仿真。这种方法可以在虚拟的实验室里设计,直到仿真成功,提高了设计的效率。利用软件的方法,结合实验内容要求,使学生能发挥自身的创新思维,灵活改变硬件的逻辑和结构,这是计算机硬件实验方式的一个飞跃,是实验教学与实际应用的结合。 （4）规范实验报告 通过撰写科学的实验报告,培养学生分析、概括、总结等综合书面表达能力。实验报告应尽量减少对讲义或预习报告中已有内容的重复,重点放在实验测量结果及数据处理过程,从方案设计到器件选型,从程序开发到调试等,将实践中获取的经验总结升华,并对结果进行分析讨论,有些实验还要求写出实验体会。报告中要求准确使用专业术语、图形、文字符号、法定计量单位等;有效数字计算、数据处理及结果表达准确,要求实事求是,不能随意修改实验数据。通过书写实验报告的训练,培养学生严谨的科学态度,为今后撰写科研论文打下基础。 （5）改革考核方法 实验考核是保证实验教学质量的有效手段,是一种综合性考核。教师在评判学生成绩时,应重点考察学生对实验问题的分析能力,可以把学生对实验原理的理解作为考核学生实验报告的重点,鼓励学生对实验提出自己的设想,对实验现象发表自己的见解。另外,在课堂上可以安排课堂提问和随堂测试,在考核学生实验结果的同时考核学生对实验原理相关问题的理解程度,这样,既可以随时掌握学生实验的情况,也督促了学生学习实验的自觉性。在评定成绩时,应多注意了解学生在实验中是否有敏锐观察现象、深入思考问题的能力。对有独到的见解和对书本内容认识上有创新的学生,应给予鼓励和较好的成绩。 4 结束语 计算机专业硬件课程的实践教学体系的建设是一个长期的过程，仍有许多规律性的问题值得研究，我们将不断完善实践教学体系，在实践中探索、改革、提高，以培养出更多适应社会发展的综合型人才。