計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程教學(xué)方法研究
——虛擬實(shí)驗(yàn)平臺可行性分析

葉海燕夏明珠

（1 巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

（2 合肥市委黨校，安徽 合肥 230000）

計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程教學(xué)方法研究
——虛擬實(shí)驗(yàn)平臺可行性分析

葉海燕1夏明珠2

（1 巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

（2 合肥市委黨校，安徽 合肥 230000）

通過對硬件課程教學(xué)方法的研究，從提高學(xué)生的邏輯思維能力、編程實(shí)踐能力和軟硬件設(shè)計(jì)開發(fā)能力等專業(yè)綜合素質(zhì)方面入手，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識和能力，從而達(dá)到課程教學(xué)質(zhì)量的提升。文章從不同角度探討學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件課程的局限性以及解決辦法，給出一種使用虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺的教改方法，讓學(xué)生將設(shè)計(jì)的理論性系統(tǒng)以實(shí)驗(yàn)的形式展現(xiàn)出來，完成對知識更好的理解和適當(dāng)?shù)母隆?/p>

硬件課程；虛擬儀器；直觀；體系

1 引言

作為一名教育工作者，綜合計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)狀況，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對于軟硬件課程的不同關(guān)注度亟待解決?？剂康骄C合能力和就業(yè)方面，因此必須要讓學(xué)生從“要我學(xué)”變成“我要學(xué)”，這就需要學(xué)生提高學(xué)習(xí)熱情，對課程產(chǎn)生興趣。通過對硬件課程教學(xué)方法的研究，以提高學(xué)生的邏輯思維能力、編程實(shí)踐能力和軟硬件設(shè)計(jì)開發(fā)能力等專業(yè)綜合素質(zhì)，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識和能力，從而達(dá)到課程教學(xué)質(zhì)量的提升。從學(xué)生角度來看，要讓每一個(gè)學(xué)生喜歡本課程，培養(yǎng)學(xué)生在各專業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決問題的意識和能力，為所學(xué)專業(yè)服務(wù)。從課程建設(shè)角度來看，樹立高水平的教學(xué)理念、組織合理的教學(xué)內(nèi)容，以“重實(shí)踐、強(qiáng)能力、求創(chuàng)新”為目標(biāo)進(jìn)行課程教學(xué)改革與實(shí)踐。從教學(xué)方法來看，讓學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺完成對于所學(xué)課程的綜合運(yùn)用，從而為后續(xù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

2 存在問題

目前硬件課程在教學(xué)中主要存在以下問題：

2.1 課程內(nèi)容抽象難理解

《計(jì)算機(jī)組成原理》及《微機(jī)原理與接口》等硬件課程不僅可使學(xué)生從底層剖析電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的基本組成和工作原理，掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)技術(shù)，而且可以培養(yǎng)學(xué)生分析和解決數(shù)字系統(tǒng)實(shí)際問題的能力，是培養(yǎng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成技術(shù)人員的一個(gè)有效的教育環(huán)節(jié)，從而打破學(xué)生對計(jì)算機(jī)的神秘感。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜和龐大而且高度集成化，這使學(xué)生普遍感到硬件課程難學(xué)、難懂、概念抽象、感性認(rèn)識差，教師在教學(xué)中使用傳統(tǒng)的教學(xué)方法和教學(xué)手段很難實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

2.2 教學(xué)手段陳舊

必須改革課程教學(xué)，以《計(jì)算機(jī)組成原理》課程以及其他硬件課程為體系，整體地了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件資源，輔以開發(fā)與研究，從而從根本上解決計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生對于硬件課程學(xué)習(xí)能力的短缺。提高這些課程的教學(xué)效果和教學(xué)效率，使它跟上計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，是我們當(dāng)前亟待解決的問題。

2.3 教學(xué)大綱過于統(tǒng)一

課時(shí)安排以及上課內(nèi)容方面，有很大的局限性。有些章節(jié)和內(nèi)容可以適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行調(diào)整和修改，方便學(xué)生對于這個(gè)教學(xué)體系的知識全面了解。教材在編排的時(shí)候是大范圍的綜合考慮，未必適應(yīng)所有使用課程的學(xué)校，如果一味的照搬，沒有自己的特色，教學(xué)效果較差，學(xué)生該學(xué)的沒全懂，提高的又模棱兩可，這樣不利于學(xué)生對于知識的掌握。

2.4 學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不濃

硬件課程相對于軟件內(nèi)容而言，我們不能直接通過已有的編程方法和模型直接套用。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生就是直接把書上的理論知識進(jìn)行機(jī)械化的驗(yàn)證，偶有綜合性設(shè)計(jì)性試驗(yàn)也是脫離實(shí)際，不具有代表意義。學(xué)生無法有自己的主觀創(chuàng)造性，因此學(xué)習(xí)興趣不濃。

3 教改方法

經(jīng)過對課程體系的教改探索，要達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和良好的實(shí)踐動(dòng)手能力的教學(xué)目的，我們將從以下幾個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)方法的改革：

3.1 合理安排教學(xué)內(nèi)容

突出重難點(diǎn)，以實(shí)例帶動(dòng)理論知識的學(xué)習(xí)。自然科學(xué)之所以能夠吸引學(xué)生，主要原因就在于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。適當(dāng)?shù)卣{(diào)整教學(xué)內(nèi)容能更有助于學(xué)生對課程的理解，下面以微機(jī)原理課程為例。

第一，周明德版的教材在講授時(shí)，可將第五章的時(shí)序和總線內(nèi)容調(diào)整到第二章8086結(jié)構(gòu)之后，在了解了8086處理器的結(jié)構(gòu)之后，再來了解它的基本工作模式，以及在不同工作模式下各個(gè)引腳的工作狀態(tài)和功能，這樣不僅僅能夠更好地理解結(jié)構(gòu)，還可以通過對工作時(shí)序的了解，更好地理解指令在處理器中的工作流程。

第二，指令系統(tǒng)中將指令分成算術(shù)運(yùn)算、輸入輸出指令和串指令等，筆者認(rèn)為可以適當(dāng)調(diào)整，將所有是傳送實(shí)質(zhì)的指令放在一起，這樣學(xué)生可以通過了解mov指令，知道xchg是交換指令，可以在哪些寄存器和存儲器內(nèi)部完成交換；知道xlat也是交換，不過是將有效地址跟當(dāng)前數(shù)據(jù)所在地址進(jìn)行交換。

第三，將算術(shù)運(yùn)算指令中sub減法指令和CMP比較指令放在一起，了解他們的實(shí)質(zhì)是一樣完成相減，只是CMP指令只關(guān)注相減的過程，不需要將目的操作數(shù)放到存儲器中，通常和轉(zhuǎn)移指令在一起操作完成比較的目的。

第四，將標(biāo)志寄存器的各個(gè)標(biāo)志位的介紹和條件轉(zhuǎn)移指令放在一起，因?yàn)闂l件轉(zhuǎn)移指令就是通過對于各個(gè)標(biāo)志位的變化結(jié)果來判斷是否完成轉(zhuǎn)移。

這樣的例子還有許多，但都是基于學(xué)生能更好地理解課程內(nèi)容作為出發(fā)點(diǎn)來對課本上的原本章節(jié)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3.2 充分利用多種教學(xué)手段

課程中很多工作過程都發(fā)生在芯片內(nèi)部，很抽象，而且電路圖、時(shí)序圖也非常多。為了提高課堂教學(xué)效果，如果單純通過PPT中的文檔和靜態(tài)圖解進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生很難理解，我們需要遵循“少文多圖，動(dòng)比靜好”的設(shè)計(jì)思想[1-3]。利用計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)演示課程中各部件的數(shù)據(jù)流、控制流以及工作時(shí)序等信息把高度抽象的知識直觀顯示出來（圖1）就是從實(shí)際執(zhí)行過程的動(dòng)畫演示來加深學(xué)生對于指令的理解，其較強(qiáng)的刺激作用有助于學(xué)生理解概念的本質(zhì)屬性，促進(jìn)學(xué)生知識的建構(gòu)。使用Flash制作指令的執(zhí)行流程、流水線的工作過程以及指令在計(jì)算機(jī)內(nèi)部執(zhí)行過程等相關(guān)動(dòng)畫，不僅色彩豐富，而且動(dòng)感十足，更有效地幫助學(xué)生學(xué)習(xí)該課程。

圖1 in指令執(zhí)行過程動(dòng)畫演示

3.3 構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺

3.3.1 平臺構(gòu)建的意義與可行性分析

第一，理論知識需要實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行驗(yàn)證才能為學(xué)生所理解，硬件課程不同于軟件課程，軟件的實(shí)踐練習(xí)中，很多都是以編輯程序、調(diào)試、測試為主，可以很直接的找到可能的錯(cuò)誤。而硬件課程像個(gè)魔術(shù)師，一個(gè)沒有生命的電子元件，通過我們在實(shí)驗(yàn)箱中幫它加胳膊裝腿[4-6]，從而成為有實(shí)際用途的設(shè)備。在這個(gè)過程中的錯(cuò)誤糾查就要求學(xué)生對于原理及裝置本身有一定的熟悉程度，因此硬件課程的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中應(yīng)多開設(shè)綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。放眼其專業(yè)必修課程中硬件課程，雖然都有實(shí)驗(yàn)課程，但是實(shí)驗(yàn)課程是單一模塊，每一門課程的實(shí)驗(yàn)僅僅只是對于該課程的理論知識驗(yàn)證或者適當(dāng)?shù)奶岣呔徒凶鲈O(shè)計(jì)，但是綜合才是真正的設(shè)計(jì)，跟生活結(jié)合才是有用的設(shè)計(jì)，沒有主觀能動(dòng)性，自然學(xué)習(xí)效果不好。因此需要一個(gè)硬件學(xué)習(xí)平臺。

第二，加強(qiáng)各個(gè)課程之間的聯(lián)系，以體系的形式完成對于硬件課程的整體統(tǒng)籌學(xué)習(xí)。硬件是系統(tǒng)的骨架，在學(xué)習(xí)硬件課程時(shí)，我們應(yīng)該有“醫(yī)生”的敏銳觸覺，使每個(gè)硬件在其合適的位置，相輔相成。這一點(diǎn)，筆者在《計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)方法的研究和改進(jìn)》教學(xué)研究項(xiàng)目中有過研究和實(shí)現(xiàn)。比如加入傳感器模塊，加入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等方法。就像一個(gè)藝術(shù)家給呆板的畫作加上靈動(dòng)的眼睛，像設(shè)計(jì)師給貧瘠的屋子加入生活的氣息。雖然是計(jì)算機(jī)專業(yè)，但是其實(shí)我們學(xué)習(xí)的硬件課程并不少，如果可以將所學(xué)的課程，聯(lián)接起來學(xué)習(xí)效果會更好。計(jì)算機(jī)組成原理主要涉及的是計(jì)算機(jī)CPU內(nèi)部的工作原理、工作方法、總線、內(nèi)存等。而微機(jī)接口是在其基礎(chǔ)上，更深層次的挖掘，讓學(xué)生不僅僅了解基本原理，還加上其他的接口，這樣就和其余設(shè)備聯(lián)接起來，各個(gè)設(shè)備直接顯示如何工作、時(shí)序，以及中斷服務(wù)等等，這樣說來，一個(gè)基本系統(tǒng)所需要的基礎(chǔ)知識，再輔以之前所學(xué)的電路、模電等內(nèi)容，讓學(xué)生從信號采集和信號預(yù)處理上有一定的理論基礎(chǔ)。這樣我們就可以構(gòu)建一個(gè)雛形[4]。教學(xué)，教是主動(dòng)，學(xué)為被動(dòng)。但是不管是主動(dòng)的教還是被動(dòng)的學(xué)，都需要有所依。如果完全由教師在課堂上將這些課程拉成一個(gè)體系，純粹的紙上談兵，無法收到好的效果。因此一個(gè)能夠滿足上述要求的，可以為多個(gè)課程綜合應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)平臺就亟待產(chǎn)生。

因此需要以虛擬仿真技術(shù)為手段，各個(gè)硬件課程為基礎(chǔ)，建立虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，完成多個(gè)課程的綜合化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及設(shè)計(jì)就是最好的教學(xué)改進(jìn)。[6]

3.3.2 平臺描述

通過虛擬儀器建立虛擬工作平臺，讓學(xué)生可以通過添加元器件等等，完成整個(gè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)箱中的CPLD可編程模塊，通過EDA電子設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一個(gè)個(gè)性化的CPU工作狀態(tài)。配合微機(jī)接口的內(nèi)容，加入一些其他的設(shè)備，了解其工作狀態(tài)。輔以傳感器以及基本信號處理再通過虛擬儀器，在虛擬平臺將設(shè)想實(shí)際操作，這樣學(xué)生可以真正了解硬件課程學(xué)習(xí)的實(shí)際意義。也可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新力，并且將所學(xué)知識系統(tǒng)化、體系化，更有益于對于知識的掌握。基于以上考慮，所構(gòu)建的平臺的基本模塊和功能如圖2所示。

圖2 平臺組成示意圖

該平臺使用動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)等，選擇了適合的技術(shù)方案[4]。根據(jù)課程整體設(shè)計(jì)原則，結(jié)合虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了整體框架和功能模塊，將系統(tǒng)劃分為6個(gè)主要模塊：虛擬儀器技術(shù)、LabVIEW、HPVEE、虛擬儀器中心（虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室）。

3.3.3 知識儲備和實(shí)踐能力鍛煉

在學(xué)習(xí)前導(dǎo)課程時(shí)需要將虛擬儀器和計(jì)算機(jī)仿真課程的內(nèi)容進(jìn)行滲透。這個(gè)問題不僅僅需要教師的努力也需要學(xué)生的配合，可以適當(dāng)?shù)刈寣W(xué)生了解，我們最后需要通過這些知識做出自己想要的虛擬系統(tǒng)。解決學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，需要我們在大綱要求以及課程設(shè)置上有適當(dāng)調(diào)整。

在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理和微機(jī)接口等核心課程時(shí)，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中不是局限于課程本身，或者囿于理論知識的實(shí)際操作，而應(yīng)該抽身出來，從全局來讓學(xué)生了解課程設(shè)立的初衷，和可能會達(dá)到的效果。并在實(shí)驗(yàn)課程中適當(dāng)?shù)丶尤胂到y(tǒng)其他組成部件的實(shí)際操作，比如傳感模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的加入。

4 結(jié)語及展望

以上的教改方案主要從理論層面——大綱和教學(xué)內(nèi)容修改、操作層面——教學(xué)方法改進(jìn)、實(shí)用層面——虛擬實(shí)驗(yàn)平臺建立等幾個(gè)方面進(jìn)行了探討，如果確實(shí)能在學(xué)習(xí)的各個(gè)環(huán)節(jié)中認(rèn)真執(zhí)行，教學(xué)效果必然會得到大幅度提高。教改方案僅僅是啟明燈，更重要的是實(shí)施，尤其是虛擬平臺在實(shí)施過程中需要做一些準(zhǔn)備，其中重點(diǎn)是在虛擬儀器技術(shù)的推廣，學(xué)生目前對于虛擬仿真技術(shù)基本屬于盲區(qū)，所以可以適當(dāng)開設(shè)虛擬儀器或者計(jì)算機(jī)仿真課程，為我們虛擬平臺的建立和掌握奠定基礎(chǔ)。通過興趣課程的形式吸引一部分對于硬件學(xué)習(xí)感興趣的學(xué)生，自己動(dòng)手做出虛擬平臺。

完成虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)置后，面向相關(guān)專業(yè)開放，構(gòu)建出完備的立體課程體系，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)資源和教學(xué)模式的有機(jī)融合[5]。形成特定的教學(xué)模式，這樣就把所有學(xué)習(xí)過的硬件課程結(jié)合成體系，不局限于已有知識的驗(yàn)證，而從創(chuàng)造力上對學(xué)生進(jìn)行推動(dòng)。學(xué)生在學(xué)習(xí)單個(gè)課程時(shí)可能會對課程本身產(chǎn)生懷疑，但是將他們結(jié)合起來，可以形成一個(gè)有既定目標(biāo)的體系。另外可以通過個(gè)性化工程訓(xùn)練，在學(xué)生完成所有前導(dǎo)課程的學(xué)習(xí)之后，會以實(shí)際操作的方式讓學(xué)生對于系統(tǒng)組成的所有硬件設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，寓教于樂，通過將設(shè)想變?yōu)榭刹僮鞯膶?shí)體的方式，讓學(xué)生更深層次地了解和掌握硬件課程，為各個(gè)課程的課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)打下實(shí)訓(xùn)基礎(chǔ)。

[1]王玉華，黃碩之.計(jì)算機(jī)組成原理課虛擬實(shí)驗(yàn)方案[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，（4）:73-75.

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[3]周克峰，楊軍，孫靜，等.計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的仿真技術(shù)研究[J].云南民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，（3）:236-240.

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[6]王建新，裴慧民，陳松喬.基于Internet的虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，（5）:530-533.

RESEARCH ON TEACHING METHODS OF HARDWARE COURSES FOR THE COMPUTER MAJOR——WITH A FEASIBILITY ANALYSIS OF THE VIRTUAL EXPERIMENT PLATFORM

YE Hai-yan1XIA Ming-zhu2
（1 Chaohu College,Chaohu Anhui 238000）
（2 Party School of Hefei Municipal Party Committee,Hefei Anhui 230000）

This paper,through the research on the teaching methods of the hardware courses,is aimed at enhancing the quality of teaching,hoping to improve students’logical thinking ability,practical ability of programming,developing ability of hardware and software design and other comprehensive professional ability,and to cultivate their innovative consciousness and ability.This paper discusses the limitations of computer hardware courses and their solutions from different angles, and gives a teaching method using virtual experimental platform,making students demonstrate the theory of system design in the form of experiments in order to better understand and appropriately update the knowledge.

Hardware courses；Virtual instrument；Intuitively；System

G424.1

A

1672－2868（2016）06－0154－05

責(zé)任編輯、校對：陳 鳳

2016－09－25

葉海燕（1983－），女，安徽巢湖人。巢湖學(xué)院信息工程學(xué)院，助教。研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程。