計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在教學(xué)中的不足和改進(jìn)研究

劉 升，岳成剛，劉懷愚①

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

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

硬件實(shí)驗(yàn)課程都配備相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，且提供完善的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟，所有實(shí)驗(yàn)需要的元器件或者模塊都集成到一個(gè)箱體內(nèi).學(xué)生只需按照實(shí)驗(yàn)步驟連接好導(dǎo)線，輸入要求的信號(hào)，觀察輸出就行，規(guī)范的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化教師的工作量，簡(jiǎn)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程.但是缺點(diǎn)也較明顯，成型的實(shí)驗(yàn)電路，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絾我唬瑢?shí)驗(yàn)項(xiàng)目固定，影響學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

本文根據(jù)計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，著重分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在硬件教學(xué)中的不足.目的是提出結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備和拓寬實(shí)驗(yàn)范圍，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)教學(xué)改革.

近年來與計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)相關(guān)的文獻(xiàn)主要集中于以下幾個(gè)方面：討論實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍的建設(shè)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目正確設(shè)置［1］；完善計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境［2］；側(cè)重計(jì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，支持基礎(chǔ)驗(yàn)證型、綜合型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)［3-5］；探討構(gòu)建計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［7］等.本文主要探討計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的不足和改進(jìn)，這在文獻(xiàn)中還沒有討論過.

1 計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的不足

隨著高校對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視，計(jì)算機(jī)的硬件課程都配備相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái).硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過程，通過這些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生能更好地理解和掌握課本上的理論知識(shí).在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，由于購(gòu)置的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在出廠時(shí)，生產(chǎn)教學(xué)儀器的廠家把實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)目標(biāo)定位在理論教學(xué)的驗(yàn)證上，所以實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊扣課本，實(shí)驗(yàn)箱的電路設(shè)計(jì)完成后，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已經(jīng)基本固定，所以實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絾我?更主要的問題是現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，過于集中理論知識(shí)的驗(yàn)證，忽視學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程可以分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課和專業(yè)實(shí)驗(yàn)課兩大類.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)電路比較簡(jiǎn)單，如模擬電路實(shí)驗(yàn)和數(shù)字電路實(shí)驗(yàn).硬件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的除側(cè)重于書本上理論知識(shí)的驗(yàn)證外，更應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生硬件設(shè)計(jì)的基本功，如焊接、元器件的測(cè)量、電路規(guī)劃和設(shè)計(jì)等.硬件專業(yè)實(shí)驗(yàn)課，是指內(nèi)容比較深入的課程，如計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)和數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)等.這些實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)需要數(shù)據(jù)線、地址線和控制總線等，因此學(xué)生自制實(shí)驗(yàn)裝置很不現(xiàn)實(shí)，可以采用模塊化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能，來增加綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn).還可以通過軟件設(shè)計(jì)和仿真等手段拓寬實(shí)驗(yàn)范圍，將理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，從而發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性.

2 計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的改進(jìn)探討

2.1 硬件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)提倡學(xué)生自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備

硬件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，如模擬電路實(shí)驗(yàn)和數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)，電路簡(jiǎn)單，使用市售的實(shí)驗(yàn)箱做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只需簡(jiǎn)單的插上導(dǎo)線，接通電源，輸入信號(hào)，測(cè)量輸出信號(hào)，驗(yàn)證書本知識(shí)就行了.這種方式，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)驗(yàn)主要集中于書本知識(shí)的驗(yàn)證，但忽略對(duì)學(xué)生硬件開發(fā)基本能力的培養(yǎng)，如元器件的焊接、測(cè)量和電路的設(shè)計(jì)等.所以對(duì)于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，教師應(yīng)該挑選出部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目讓學(xué)生自制實(shí)驗(yàn)裝置，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn).學(xué)生在分析實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路，完成電路的調(diào)試和測(cè)量，在學(xué)生自己的努力下得到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.通過自制實(shí)驗(yàn)裝置，激發(fā)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)的興趣，積極性和能動(dòng)性得到極大的提高.更為重要的是自制實(shí)驗(yàn)裝置掌握的技能，是課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)后走上工作崗位所必須的.

以模擬電路實(shí)驗(yàn)中的晶體管共射極單管放大器實(shí)驗(yàn)為例，來說明自制實(shí)驗(yàn)裝置的好處.晶體管共射極單管放大器實(shí)驗(yàn)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(diǎn)對(duì)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(cè)試方法等.

如果使用現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)儀器，由于實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，然后輸入信號(hào)，測(cè)量輸出信號(hào)，分析靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)放大器性能的影響.簡(jiǎn)而言之，現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)箱，可以簡(jiǎn)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程，將實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)集中在原理的驗(yàn)證上面.

如果放棄現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，而是讓學(xué)生自制實(shí)驗(yàn)裝置，那么對(duì)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(shí)驗(yàn)?zāi)康?，然后才能正確地領(lǐng)取實(shí)驗(yàn)所需的元器件，測(cè)量元器件的好壞和性能，識(shí)別晶體管和電容器的極性，再按照電路圖對(duì)元器件進(jìn)行組合，從而實(shí)現(xiàn)圖1的電路功能.從元器件到電路的實(shí)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(diǎn)的測(cè)定，以及放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻的測(cè)量等.

對(duì)比以上實(shí)驗(yàn)過程，發(fā)現(xiàn)如果使用廠家提供的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由于有現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)電路，所以實(shí)驗(yàn)過程側(cè)重于書本上理論知識(shí)的驗(yàn)證，這樣的實(shí)驗(yàn)過程會(huì)增加學(xué)生對(duì)課本理論知識(shí)的理解.而如果沒有使用配套的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，那么從元器件的選擇、排列和焊接都必須由學(xué)生獨(dú)立完成.這樣的實(shí)驗(yàn)過程，不僅僅可以達(dá)到上述的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模彝ㄟ^實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以獲得元器件的焊接、元器件的測(cè)量和識(shí)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(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和走向工作崗位進(jìn)行電路設(shè)計(jì)所必需的.更為重要的是，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)獲得的成就感，會(huì)激發(fā)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)的積極性和主動(dòng)性，從而挖掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，這才是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的.

圖1 晶體管共射極單管放大器實(shí)驗(yàn)原理

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

專業(yè)硬件實(shí)驗(yàn)課程是內(nèi)容比較深入的課程，完成硬件實(shí)驗(yàn)需要的實(shí)驗(yàn)電路比較復(fù)雜，如計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)和數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)等，這些實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)是必要的.現(xiàn)成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要功能和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已經(jīng)固定，和課本知識(shí)聯(lián)系密切，因此以驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)為主，而創(chuàng)新性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)受到限制.對(duì)于專業(yè)硬件實(shí)驗(yàn)課程，在教學(xué)中，應(yīng)該以現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為主要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有條件的話盡量選用模塊化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái).因?yàn)槟K化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是通過增加模塊來實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)充，所以能夠拓寬實(shí)驗(yàn)范圍，能夠增加創(chuàng)新性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn).除使用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成教學(xué)大綱的實(shí)驗(yàn)外，教師要結(jié)合其他的實(shí)驗(yàn)渠道，如軟件設(shè)計(jì)和虛擬仿真等手段，使學(xué)生能自主地將理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，從而充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，提高教學(xué)效果.

以數(shù)字信號(hào)處理課程的快速傅里葉變換及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)為例，來說明硬件實(shí)驗(yàn)如何拓寬應(yīng)用范圍，實(shí)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(shí)驗(yàn)的目的是加深對(duì)傅里葉變換的理解，應(yīng)用快速傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，應(yīng)用快速傅里葉變換實(shí)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(hào)的方法，用來分析信號(hào)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(hào)從時(shí)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(shí)間域和頻率域上都是離散形式.通過DFT把信號(hào)從時(shí)間域變換到頻率域，來研究組成信號(hào)的頻譜成分和變化規(guī)律.快速傅里葉變換，是利用計(jì)算機(jī)計(jì)算離散傅里葉變換的高效、快速的計(jì)算方法，簡(jiǎn)稱FFT.基本思想是把原始的N點(diǎn)序列，依次分解成一系列的短序列.充分利用DFT計(jì)算式中指數(shù)因子所具有的對(duì)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(jì)算，減少乘法運(yùn)算和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的目的［8］.

實(shí)驗(yàn)室一般使用基于DSP的實(shí)驗(yàn)箱完成快速傅里葉變換實(shí)驗(yàn)，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(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析.通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅熟悉fft算法原理和應(yīng)用，而且對(duì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)同樣存在著不足之處，實(shí)驗(yàn)箱局限在實(shí)驗(yàn)室使用，且實(shí)驗(yàn)程序只能應(yīng)用在DSP芯片上，做實(shí)驗(yàn)的步驟和方法太具體，束縛學(xué)生的思維，不利于學(xué)生獨(dú)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(jì)算機(jī)硬件技術(shù)能夠應(yīng)用到多個(gè)方面，同樣快速傅里葉變換在多個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，且計(jì)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(shí)驗(yàn)提供條件.教師應(yīng)根據(jù)自己的工作經(jīng)驗(yàn)正確啟發(fā)學(xué)生，指出快速傅里葉變換可以在普通計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn).實(shí)現(xiàn)快速傅里葉變換除實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的DSP環(huán)境外，計(jì)算機(jī)環(huán)境下的MATLAB、C和C++語言等都可以實(shí)現(xiàn)快速傅里葉變換算法.信號(hào)的來源可使用計(jì)算機(jī)配置的聲卡采集聲音信號(hào)，對(duì)聲音進(jìn)行頻譜分析.進(jìn)一步的應(yīng)用，還可以對(duì)圖像進(jìn)行二維快速傅里葉變換等.通過對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)，可以充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，學(xué)生在獨(dú)立的探索中學(xué)到技能，提高自信心，這才是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根本目的.圖2就是學(xué)生設(shè)計(jì)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(jì)能力和動(dòng)手能力，提高了學(xué)習(xí)計(jì)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

3 結(jié)論

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)既是計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)的重要部分，也是計(jì)算機(jī)軟件教學(xué)的基礎(chǔ).計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)依賴于實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其配備的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)集中于對(duì)理論知識(shí)的驗(yàn)證，使得硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)比較枯燥，阻礙學(xué)生硬件實(shí)驗(yàn)的積極性和創(chuàng)新熱情.教師在充分利用計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備和拓寬應(yīng)用范圍來提高學(xué)生動(dòng)手能力，鼓勵(lì)學(xué)生自主探索，獨(dú)立完成綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從而培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)造能力.

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)中的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)電路比較簡(jiǎn)單.教師可選擇部分硬件實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自制實(shí)驗(yàn)裝置，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試，提高學(xué)生學(xué)習(xí)硬件實(shí)驗(yàn)的積極性.筆者在教授模擬電路實(shí)驗(yàn)課程時(shí)，選取部分實(shí)驗(yàn)，讓一部分學(xué)生脫離實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過自制硬件電路完成這些實(shí)驗(yàn).通過對(duì)比可以看到，這些學(xué)生不僅在硬件知識(shí)上掌握的較好，動(dòng)手能力很強(qiáng)，而且其他課程上的學(xué)習(xí)成績(jī)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(shí)驗(yàn)課程中，硬件實(shí)驗(yàn)電路復(fù)雜，自制難度大.為彌補(bǔ)現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ奖容^單一的缺點(diǎn)，教師可以選用模塊化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)充，增加實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性.另外，通過軟件設(shè)計(jì)和仿真等手段拓寬實(shí)驗(yàn)范圍，將理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，提高教學(xué)效果.

［1］阿不來提·吉力力.計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究［J］.新疆師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，30（3）：109-112.

［2］戚梅，張鵬，東野長(zhǎng)磊.計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，9（2）：80-83.

［3］羅家奇，李云，葛桂萍.計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007，26（8）：98-100.

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

［5］李珍香，王紅.立體化創(chuàng)新性的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系與模式研究［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，26（10）：104-106.

［6］邵正隆，彭宇，高國(guó)柱.基于教學(xué)流程的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31（12）：162-165.

［7］艾明晶.《EDA》課程在計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件體系實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22（10）：88-91.

［8］王鳳剛.基于TMS320C54X的快速傅里葉變換的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2005（S1）：132-134.