計(jì)算機(jī)硬件課程群實(shí)驗(yàn)體系的改革與完善

文章編號(hào)：1672-5913(2008)12-0117-03

摘要：本文介紹了我校對(duì)計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程體系及實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行的改革，建立了“基礎(chǔ)層－應(yīng)用層－提高層”三層體系結(jié)構(gòu)的硬件課程群實(shí)驗(yàn)體系，并對(duì)多層次、系列化的硬件實(shí)踐教學(xué)模式及訓(xùn)練模式進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：硬件課程群；實(shí)驗(yàn)體系；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；實(shí)踐能力

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

我校計(jì)算機(jī)專業(yè)自99級(jí)開(kāi)始進(jìn)行了較大規(guī)模的擴(kuò)招，但由于師資力量跟不上、實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)落后等原因，造成計(jì)算機(jī)硬件教育存在層次單一、教學(xué)內(nèi)容滯后、理論與實(shí)踐脫節(jié)等問(wèn)題，學(xué)生普遍存在著“重軟怕硬”的現(xiàn)象，畢業(yè)后硬件設(shè)計(jì)能力差，軟件開(kāi)發(fā)缺少后勁。為提高學(xué)生的硬件動(dòng)手能力，增強(qiáng)畢業(yè)生的社會(huì)適應(yīng)性，學(xué)院自2002年開(kāi)始進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件課程群建設(shè)及相應(yīng)的硬件課程群實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)，包括“計(jì)算機(jī)組成原理”等九門(mén)硬件課程及5門(mén)相關(guān)的實(shí)踐課程。本文對(duì)我院計(jì)算機(jī)硬件課程群實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)及硬件實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革進(jìn)行了探討與總結(jié)。

1構(gòu)建科學(xué)完整的硬件課程群實(shí)驗(yàn)體系

在原有的課程體系下，我院為本科生開(kāi)設(shè)的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程有“數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)”、“計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)”、“微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)”、“單片機(jī)實(shí)驗(yàn)”。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，各課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，綜合性、系統(tǒng)性較差；尚有部分硬件主干課程沒(méi)有對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)課程體系存在諸多問(wèn)題。

(1) 缺乏對(duì)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)相分離的設(shè)計(jì)方法成為阻礙設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、大規(guī)模系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。系統(tǒng)平臺(tái)的搭建、軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)驗(yàn)證和軟硬件功能模塊的可重用性已成為現(xiàn)階段設(shè)計(jì)方法的熱點(diǎn)。培養(yǎng)學(xué)生具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想成為當(dāng)務(wù)之急。

(2) 缺乏對(duì)學(xué)生可編程芯片設(shè)計(jì)能力及EDA技術(shù)的培養(yǎng)?？删幊绦酒cEDA技術(shù)是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，將可編程芯片設(shè)計(jì)及EDA技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是時(shí)代發(fā)展的需要。

(3) 缺乏綜合性的實(shí)踐課程，學(xué)生的創(chuàng)新能力發(fā)揮受限。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，原有的多數(shù)實(shí)驗(yàn)是基于純硬件邏輯設(shè)計(jì)的，只是在面包板上用器件構(gòu)建小系統(tǒng)，功能擴(kuò)展性差；并且只能開(kāi)設(shè)數(shù)量有限、技術(shù)含量較低的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無(wú)法開(kāi)展自主的綜合性設(shè)計(jì)，無(wú)法進(jìn)行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

為此，經(jīng)過(guò)充分調(diào)研和論證，我院首先從修改03級(jí)教學(xué)計(jì)劃入手，對(duì)課程體系中的多門(mén)課程進(jìn)行了調(diào)整，同時(shí)理順各門(mén)課程間的關(guān)系，構(gòu)建起了新的硬件課程體系。該課程體系由必修課程、選修課程及配套實(shí)踐三部分組成。必修課包括“組成原理”、“接口技術(shù)”、“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”等基礎(chǔ)課程。為適應(yīng)社會(huì)需求，在選修課中刪去原有的“診斷與容錯(cuò)”等一些過(guò)時(shí)的課程，增加“數(shù)據(jù)采集”、“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”、“嵌入式系統(tǒng)”等社會(huì)需求較強(qiáng)、實(shí)用價(jià)值高的應(yīng)用性課程，同時(shí)新開(kāi)了“模型機(jī)設(shè)計(jì)與組裝”、“硬件綜合實(shí)踐”等實(shí)踐課程。在07版教學(xué)計(jì)劃中，又新增了“DSP原理與應(yīng)用”、“嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐”等新課程，保證課程體系的實(shí)用性與先進(jìn)性。

硬件系列課程從體系結(jié)構(gòu)上劃分為三個(gè)層次：基礎(chǔ)層、應(yīng)用層和提高層，其課程間的關(guān)系如圖1所示?；A(chǔ)層為“數(shù)字電路”與“組成原理”?！皵?shù)字電路”課程雖然在教學(xué)體系上不屬于計(jì)算機(jī)硬件系列課程，但它是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)，是必修的前續(xù)課；“組成原理”介紹計(jì)算機(jī)的基本組成和工作原理，解決整機(jī)概念；通過(guò)“電工電子實(shí)習(xí)”與“模型機(jī)設(shè)計(jì)與組裝”兩門(mén)實(shí)踐課程，強(qiáng)化學(xué)生的硬件動(dòng)手能力。在應(yīng)用層中，通過(guò)“接口技術(shù)”介紹應(yīng)用層的外圍接口和相關(guān)外設(shè)，以“嵌入式系統(tǒng)”等四門(mén)實(shí)用性強(qiáng)的課程作為選修課，每門(mén)課程都配有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，并通過(guò)“硬件綜合實(shí)踐”、“嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐”強(qiáng)化學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握和綜合應(yīng)用。提高層為“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”及“性能測(cè)試與分析”實(shí)踐課程，通過(guò)學(xué)習(xí)和實(shí)踐，能夠使學(xué)生比較全面地掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本概念、基本原理、基本結(jié)構(gòu)、基本分析方法、基本設(shè)計(jì)方法和性能評(píng)價(jià)方法，并建立起計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念。

在硬件課程群實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)過(guò)程中，突出強(qiáng)調(diào)課程體系的系統(tǒng)性和完備性。從第1學(xué)期到第7學(xué)期硬件實(shí)驗(yàn)不斷線，層次逐步提高，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容銜接連貫。注意各硬件實(shí)踐的相互次序和互補(bǔ)，使硬件實(shí)踐訓(xùn)練層次化、系列化，以此來(lái)系統(tǒng)強(qiáng)化學(xué)生的硬件動(dòng)手能力。同時(shí)調(diào)整各課程的開(kāi)設(shè)順序，理順每門(mén)課與前導(dǎo)課和后續(xù)課之間的關(guān)系，從而保證硬件課程體系的系統(tǒng)性和完備性。

注：所有必修課程與選修課程均開(kāi)設(shè)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，包括驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)(20%)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(80%)；實(shí)踐課程單獨(dú)開(kāi)設(shè)，包括綜合實(shí)驗(yàn)(80%)、探索實(shí)驗(yàn)(20%)。

2改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與模式

計(jì)算機(jī)硬件系列課程的重要特點(diǎn)之一是工程性、實(shí)踐性強(qiáng)。為了使學(xué)生在學(xué)過(guò)該系列課程后具備較強(qiáng)的實(shí)際動(dòng)手能力和計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)能力，應(yīng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上體現(xiàn)出基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性、實(shí)用性和先進(jìn)性，既要重視計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ)內(nèi)容，又要結(jié)合當(dāng)今電子與計(jì)算機(jī)的最新發(fā)展。為此，我們對(duì)該硬件系列課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行了改革創(chuàng)新。

2.1優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引進(jìn)實(shí)驗(yàn)新技術(shù)，提高硬件設(shè)計(jì)的效率和興趣

隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的日益發(fā)展，各種各樣的微處理器不斷更新，功能不斷增強(qiáng)，以FPGA為代表的數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)集成技術(shù)取得了驚人的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)也逐步成為主流。為了使學(xué)生跟上時(shí)代潮流，了解最新技術(shù)，需要不斷引入新設(shè)備、新技術(shù)，提高硬件設(shè)計(jì)的效率和興趣。如更新的“組成原理”和“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)RS232串口與PC機(jī)相連，可在PC機(jī)上編程并向系統(tǒng)裝載實(shí)驗(yàn)程序，還可在PC機(jī)的圖形界面下進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試并觀察實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行，使學(xué)生像設(shè)計(jì)軟件一樣來(lái)設(shè)計(jì)硬件，做到了硬件設(shè)計(jì)軟件化，大大提高了硬件設(shè)計(jì)的效率和興趣?！澳Ｐ蜋C(jī)設(shè)計(jì)與組裝”，將CPLD和FPGA等技術(shù)引入，用CPLD來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)雜模型機(jī)。“匯編語(yǔ)言”和“接口技術(shù)”補(bǔ)充Windows下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，增加PCI、USB的應(yīng)用等內(nèi)容?！跋到y(tǒng)結(jié)構(gòu)”通過(guò)局域網(wǎng)組建小型的微機(jī)機(jī)群，研究探索多處理機(jī)操作系統(tǒng)，試驗(yàn)并行程序的運(yùn)行與任務(wù)分配調(diào)控等功能。為適應(yīng)當(dāng)前嵌入式芯片的迅速普及應(yīng)用，新開(kāi)設(shè)了“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程設(shè)計(jì)。針對(duì)學(xué)生已學(xué)過(guò)多門(mén)硬件課程，但仍不能完成一個(gè)完整的、可獨(dú)立工作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，新開(kāi)設(shè)了“硬件綜合實(shí)踐”，使同學(xué)親自體會(huì)設(shè)計(jì)一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全過(guò)程。

2.2建立“驗(yàn)證型－設(shè)計(jì)型－綜合型－探索型”的多層次實(shí)踐教學(xué)模式

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革上，本著“加強(qiáng)基礎(chǔ)、拓寬專業(yè)、注重實(shí)踐、提高素質(zhì)”的方針，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為4類，即驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型、綜合型、探索型，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由淺入深，循序漸進(jìn)。在所有硬件必修和選修課程中，全部開(kāi)設(shè)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)由驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)(20%)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(80%)組成。所有實(shí)踐課程都單獨(dú)開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)，包括綜合實(shí)驗(yàn)(80%)、探索實(shí)驗(yàn)(20%)。這樣，課內(nèi)課程中開(kāi)設(shè)“驗(yàn)證型”和“設(shè)計(jì)型”的實(shí)驗(yàn)，在后續(xù)課程設(shè)計(jì)中，開(kāi)設(shè)“綜合型”和“探索型”的實(shí)驗(yàn)，形成“驗(yàn)證型－設(shè)計(jì)型－綜合型－探索型”的多層次實(shí)踐教學(xué)模式，系統(tǒng)強(qiáng)化學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)和硬件動(dòng)手能力。

在驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)中，注重使學(xué)生鞏固基本理論，進(jìn)一步掌握基本概念和基本技能。在設(shè)計(jì)型的實(shí)驗(yàn)中，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。在這一類實(shí)驗(yàn)中，以學(xué)生動(dòng)手為主，教師輔導(dǎo)為輔，只給定實(shí)驗(yàn)的課題及達(dá)到的目的，中間過(guò)程需學(xué)生自己去查閱資料和設(shè)計(jì)方案，直至最后調(diào)試完成。在綜合型實(shí)驗(yàn)中，注重培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，使學(xué)生受到更為實(shí)際、更加全面的科學(xué)研究的訓(xùn)練。綜合實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是沒(méi)有現(xiàn)成的模式可循，學(xué)生需要獨(dú)立完成硬、軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試。在調(diào)試過(guò)程中，學(xué)生自己動(dòng)手分析解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，雖然有一定的難度和深度，但對(duì)學(xué)生很有吸引力，能使學(xué)生從應(yīng)付實(shí)驗(yàn)變?yōu)橹鲃?dòng)實(shí)驗(yàn)，不僅提高了基本操作技能，也發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性。課程設(shè)計(jì)的部分內(nèi)容屬于探索型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以自主選擇感興趣的課題及相關(guān)開(kāi)發(fā)工具，寫(xiě)出設(shè)計(jì)書(shū)，交給指導(dǎo)教師審核后實(shí)施。在這一過(guò)程中，學(xué)生需要查閱大量的資料，培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力、研究設(shè)計(jì)能力、獨(dú)立分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。

2.3確立“系列化硬件實(shí)踐訓(xùn)練”方案

硬件實(shí)踐訓(xùn)練由“課程實(shí)驗(yàn)－課程設(shè)計(jì)－綜合訓(xùn)練－畢業(yè)設(shè)計(jì)”四個(gè)系列組成。課程實(shí)驗(yàn)——所有硬件課程都開(kāi)設(shè)。課程設(shè)計(jì)——在“嵌入式系統(tǒng)”、“組成原理”等重點(diǎn)課程中開(kāi)設(shè)，在這些課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行部件或模塊實(shí)驗(yàn)，在課程設(shè)計(jì)中進(jìn)行綜合性、創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。綜合訓(xùn)練——通過(guò)“硬件綜合實(shí)踐”展開(kāi)。該課程安排在大四開(kāi)設(shè)，是一門(mén)綜合性設(shè)計(jì)實(shí)踐課程，也是對(duì)前面所學(xué)課程的一個(gè)全面應(yīng)用和總結(jié)，在硬件課程群建設(shè)中起著“總練兵”的作用。通過(guò)讓學(xué)生親自設(shè)計(jì)一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件和功能，“麻雀雖小，五臟俱全”，旨在讓學(xué)生真真切切感受到如何設(shè)計(jì)一個(gè)可獨(dú)立工作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，強(qiáng)化和提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力。畢業(yè)設(shè)計(jì)——每年精選一定數(shù)量的硬件畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，提供實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所、設(shè)備及材料，讓對(duì)硬件感興趣的同學(xué)去實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)，放飛自己的理想。學(xué)生以接近于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，完成高質(zhì)量綜合設(shè)計(jì)為訓(xùn)練手段，以掌握計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為主要訓(xùn)練目的，使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的整個(gè)硬件系統(tǒng)有較全面、較系統(tǒng)的掌握。要求學(xué)生能夠根據(jù)需要設(shè)計(jì)出一定規(guī)模的計(jì)算機(jī)硬件應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)例，從模板設(shè)計(jì)、制作、總線的走向、計(jì)算機(jī)部件選取、工作原理的分析、部件在模板上的部局、部件的焊接、運(yùn)算能力的調(diào)試、結(jié)果正誤的判斷分析等流程的設(shè)計(jì)到具體的制作，直至最后寫(xiě)出畢業(yè)論文，使學(xué)生建立系統(tǒng)的概念與工程的概念。

3結(jié)束語(yǔ)

上述改革取得了令人滿意的效果。大學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)的興趣增強(qiáng)了，實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放期間，有更多的學(xué)生走進(jìn)了硬件實(shí)驗(yàn)室。在畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，有更多的學(xué)生選擇了與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)相關(guān)的課題。學(xué)生做完硬件綜合實(shí)習(xí)和硬件畢業(yè)設(shè)計(jì)課題后，普遍充滿自豪感和成就感，感到硬件設(shè)計(jì)及底層軟件開(kāi)發(fā)不再可怕。通過(guò)這樣的訓(xùn)練，提高了其綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，同時(shí)也鍛煉了他們的團(tuán)隊(duì)合作精神，步入單位就能直接勝任計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的工作，實(shí)現(xiàn)高校、學(xué)生、用人單位等各方面的多贏。同時(shí)我們也應(yīng)該看到，隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件系列課程及其實(shí)驗(yàn)體系的建設(shè)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革是一項(xiàng)長(zhǎng)期不懈的工作，需要不斷完善。

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