文章編號：1672-5913(2011)17-0082-03 中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：B
　　摘 要：自主創(chuàng)新能力是國家競爭力的核心，而實現(xiàn)自主創(chuàng)新，關(guān)鍵在人才。如何培養(yǎng)具備基礎(chǔ)性思維和創(chuàng)新能力的適應(yīng)社會需要的計算機人才，是各高校面臨的重要問題之一。本文針對計算機硬件類課程群的實驗教學(xué)現(xiàn)狀介紹本校改革實踐情況，并提出一個目標(biāo)、兩條線路、三步走的改革方案，取得良好成效。
　　關(guān)鍵詞：創(chuàng)新；計算機硬件類；課程群；實驗改革
　　基金項目：湖北省教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃立項課題“基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的計算機硬件類課程群建設(shè)”(2008B116)的研究成果之一。
　　作者簡介：葉雪軍，男，講師，主要從事數(shù)字邏輯、計算機組成原理和計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的教學(xué)工作，研究方向為計算機控制技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用。
　　培養(yǎng)應(yīng)用型本科生，要求各院校根據(jù)本科生的培養(yǎng)目標(biāo)、學(xué)院擁有的教學(xué)資源和社會對人才的需求來制定培養(yǎng)計劃，并給予可行的實施方案，并不要求所有學(xué)校千篇一律。各學(xué)校每年都在為如何在有限的教學(xué)時間內(nèi)對計算學(xué)科如此眾多的知識域進行取舍、整合，制定出一個契合培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)計劃而探索。
　　本課題在IEEE/ACM關(guān)于計算(Computing)學(xué)科本科教學(xué)參考計劃CC2005(Computing Curricula 2005)指導(dǎo)下，針對我國高校本科計算機專業(yè)建設(shè)的現(xiàn)狀，結(jié)合本校的實際情況，為了滿足當(dāng)前計算機專業(yè)發(fā)展的需要，培養(yǎng)“研究+實踐型”的面向一線的應(yīng)用型工程人員，提高學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力，針對計算機硬件類課程群實驗教學(xué)，提出了一個目標(biāo)、兩條線路和三步走的建設(shè)目標(biāo)和設(shè)想，并在部分課程中取得一定成果。
　　1 國內(nèi)外大學(xué)相關(guān)課程的教學(xué)現(xiàn)狀
　　計算機硬件類課程的教學(xué)和實驗情況比較復(fù)雜，全國各高校的教學(xué)資源不同，師資水平不同，學(xué)校的重視程度不同，教學(xué)內(nèi)容和實驗平臺的使用也有很大不同。
　　從國外計算機硬件課程調(diào)查報告中可以看出，國外大學(xué)的計算機硬件課程教學(xué)內(nèi)容從基本的MOS管、集成電路到整個計算機系統(tǒng)及外圍接口電路，涵蓋了計算機電路基礎(chǔ)、模擬電路、數(shù)字電路、計算機組成原理、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、微機原理與接口技術(shù)、微機控制技術(shù)、EDA等課程內(nèi)容。硬件實驗課程更強調(diào)的是仿真工具的使用，原理設(shè)計——模擬實現(xiàn)——最終實現(xiàn)。實驗提供給學(xué)生的資料大部分是元器件生產(chǎn)廠家直接給的技術(shù)手冊，使學(xué)生更快地適應(yīng)實際工作或者實際研究。而最終實現(xiàn)的開發(fā)裝置多數(shù)采用自主性實驗平臺，體積較小，學(xué)生可以自主設(shè)計實驗，時間自由，只需要在教師規(guī)定的時間內(nèi)上交實驗報告、參加答辯，就可以獲得實驗成績。
　　國內(nèi)各高校近年來也很重視硬件課程的實驗環(huán)節(jié)，也在教學(xué)和實驗中使用大量常用的仿真軟件，如EWB、Protel、Matlab、Proteus等。實驗平臺也各具特色，有的學(xué)校使用的是廠家提供的實驗箱、有的學(xué)校是根據(jù)自己學(xué)校情況自主開發(fā)的實驗平臺。開設(shè)的實驗從驗證型到設(shè)計型、從單個分散的實驗到綜合設(shè)計，從落后原始的調(diào)試手段到可視化虛擬儀器在線測試。所以，在計算機專業(yè)的教材中，計算機硬件課程實驗教材很難找到合適的，許多高校根據(jù)自己的情況自主開發(fā)了適合學(xué)生需求的實驗開發(fā)平臺，提高學(xué)生科學(xué)實驗的興趣，讓學(xué)生在實驗中找到成就感。
　　
　　2 課程群建設(shè)情況
　　計算機硬件類課程實踐教學(xué)屬于計算機類專業(yè)教學(xué)的重要組成部分，核心課程包括計算機電路基礎(chǔ)、數(shù)字邏輯、計算機組成原理、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、單片機原理與接口技術(shù)、VHDL和計算機模塊設(shè)計、微機原理及接口技術(shù)、匯編語言、微機控制技術(shù)、嵌入式技術(shù)等課程[1]，這些課程具有理論性強、應(yīng)用范圍廣且與實踐聯(lián)系緊密等特點。實驗教學(xué)是理論知識的驗證與鞏固的重要環(huán)節(jié)，采用有效的實驗教學(xué)模式，通過正確引導(dǎo)，可以大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動手能力，強化學(xué)生的創(chuàng)新意識，為學(xué)生以后走上社會，從事信息科技領(lǐng)域工作打下良好的基礎(chǔ)[1]。
　　結(jié)合我校的實際情況，總結(jié)多年來計算機專業(yè)實驗教學(xué)改革的成果，我們提出了一個目標(biāo)、兩條線路、三步走的改革方案。
　　2.1 一個目標(biāo)
　　針對我校計算機專業(yè)教學(xué)對象的特點和人才市場的需求，我校的畢業(yè)生定位為“研究型+實踐型”的面向一線的應(yīng)用型工程人員，我們提出了培養(yǎng)“有思想、有能力，實踐、實用、實干”型人才的辦學(xué)目標(biāo)。而真正培養(yǎng)“兩有三實”人才，就是要努力做好實踐教學(xué)的每一個環(huán)節(jié)。實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動手能力的重要過程，要將實驗的內(nèi)容、形式進行改革，注意分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)，始終以分析型、應(yīng)用型的信息管理和信息技術(shù)人才培養(yǎng)為核心，制訂實驗方案和計劃。
　　2.2 兩條線路
　　該課題根據(jù)電子電路設(shè)計的兩種方式，確定了計算機硬件類課程群改革的兩條線路。
　　一條線路采用“軟碰硬”的實驗方式，在計算機上調(diào)用元器件庫、連線畫圖、編制激勵信號文件，確定跟蹤點、調(diào)用參數(shù)庫及模擬程序等“軟”的手段去設(shè)計“硬”電路。即采用虛擬仿真的方式，不同的課程采用合適的仿真軟件，通過仿真實驗幫助學(xué)生理解單元電路的工作原理和工作過程。
　　另一條線路采用“硬碰硬”的實驗方式，即用元件、導(dǎo)線、集成塊、印刷板、焊錫、烙鐵、電源、信號源、示波器等“硬”的條件去設(shè)計一個新的“硬”電路。采用硬件的實驗平臺，提高學(xué)生的實踐動手能力和解決實際問題的能力。
　　兩條線路貫穿整個計算機硬件類課程教學(xué)和實驗，虛實結(jié)合，相輔相成，相得益彰，又各有優(yōu)勢。
　　2.3 三步走
　　該課題研究的重點是如何優(yōu)化計算機硬件課程的實驗資源，提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。對計算機硬件類課程群的改革分為三步走。
　　第一步，基于EDA計算機硬件類課程群實驗體系的改革。在數(shù)字邏輯、計算機組成原理的實驗教學(xué)中采用兩種模式的實驗，軟硬結(jié)合，加強學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解，提高他們學(xué)習(xí)硬件的興趣，為后續(xù)課程打下良好的基礎(chǔ)。
　　第二步，基于Proteus+Keil的系統(tǒng)仿真實驗的探索。在單片機、微機原理、嵌入式技術(shù)等課程中采用Proteus+Keil的虛擬仿真平臺，有效提高學(xué)生硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件編程和軟硬件聯(lián)調(diào)的能力，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，滿足學(xué)生的創(chuàng)新需求，彌補了實驗和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾。
　　第三步，基于SoC的自主性實驗平臺的研究和實踐。自主開發(fā)便攜式實驗開發(fā)平臺，學(xué)生可以從低年級開始，在技能訓(xùn)練中自己組裝焊接該實驗平臺，一方面掌握電工焊接的基本技能，學(xué)習(xí)如何選擇器件、如何計算成本、如何制作PCB、如何焊接，另一方面可以了解該平臺的電路和基本原理，了解實驗系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計思路，掌握Proteus仿真軟件的使用。在學(xué)習(xí)了微機原理與接口技術(shù)、單片機等相關(guān)課程后，學(xué)生就可以在自己的實驗平臺上完成和課程有關(guān)的一些基本驗證性實驗，加強對課程知識的理解和掌握。在學(xué)習(xí)完微機控制技術(shù)等專業(yè)課程后，教師可以鼓勵學(xué)生完成較復(fù)雜的綜合系統(tǒng)的設(shè)計，或者結(jié)合畢業(yè)論文自己找項目，書寫項目書，自主研發(fā)完整的計算機控制系統(tǒng)。
　　3 課程群教學(xué)改革實踐
　　我校學(xué)生計算機硬件類課程的實驗有多種模式，通過多年的實踐改革，部分課程已經(jīng)取得了預(yù)期成果。
　　數(shù)字邏輯課程改革后采用虛擬實驗和實際制作相結(jié)合、基礎(chǔ)實驗和課程設(shè)計相結(jié)合、傳統(tǒng)面包板和現(xiàn)代實驗箱相結(jié)合的方式，并大膽實施分級教學(xué)，大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)硬件的興趣，取得很好的效果。
　　計算機組成原理課程實現(xiàn)兩種模式的課程實驗。一種是采用傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的方式，部件和整機的設(shè)計與實現(xiàn)基本上是在實驗室特定的硬件平臺上進行的；另一種是采用EDA的方式，采用可編程邏輯器件，可以通過設(shè)計芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)功能，從而有效地增強了設(shè)計的靈活性，提高了工作效率，并能夠縮小系統(tǒng)體積，降低能耗，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。經(jīng)過比較和研究后，結(jié)合我院學(xué)生的基本情況，將兩種方法結(jié)合，單元實驗采用第一種方式設(shè)計計算機的各個組成部件，學(xué)生可以結(jié)合實驗電路幫助理解部件功能和工作原理，綜合實驗和設(shè)計類實驗采用EDA的方式實現(xiàn)部件和整機的設(shè)計，給學(xué)生提供很大的設(shè)計空間。這種方式可以作為學(xué)生課程設(shè)計以及畢業(yè)設(shè)計的基本研究方式，進行數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計、復(fù)雜模型機的設(shè)計等[2]。
　　
　　單片機原理與接口技術(shù)、微機原理與接口技術(shù)、微機控制技術(shù)等課程引入Proteus+Keil平臺進行系統(tǒng)仿真。利用Proteus 和Keil 聯(lián)調(diào)實現(xiàn)動態(tài)仿真在Proteus 軟件中繪制電路圖，并進行硬件電路調(diào)試，通過軟件中的虛擬儀器在Keil 軟件中選擇單片機型號，用匯編語言或C語言編寫程序并完成軟件的語法調(diào)試。在這個平臺上，學(xué)生不僅能夠獨立完成單項實驗，還可以完成如溫度報警系統(tǒng)、萬年歷顯示系統(tǒng)等綜合設(shè)計。
　　仿真實驗只是學(xué)生感觸系統(tǒng)設(shè)計過程的一個環(huán)節(jié)，更重要的是硬件開發(fā)平臺使用、程序設(shè)計和調(diào)試。如何將先進的仿真工具引入教學(xué)，如何設(shè)計和使用實驗平臺，虛實結(jié)合，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，提高學(xué)生的研究能力，使學(xué)生能更快地適應(yīng)實際工作或者實際研究，需要教師們認真思考。當(dāng)前計算機系統(tǒng)實驗都是使用實驗箱完成的，學(xué)生受到時間、地域以及實驗箱的限制，無法自主創(chuàng)新。
　　該課題實現(xiàn)了基于SoC的自主性實驗平臺的設(shè)計，方便學(xué)生自主設(shè)計，擴展實驗。本實驗平臺的內(nèi)核芯片C8051F005為美國Silicon Labs公司生產(chǎn)的系列混合信號系統(tǒng)芯片(SoC)中的一種，該芯片的CPU構(gòu)架為8051內(nèi)核，集成了功能強大的可編程和可重配置的數(shù)字和模擬外設(shè)，在近年來的工業(yè)產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)具有可編程放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、可編程電流源、微控制器內(nèi)核及豐富的外圍設(shè)備等電路模塊，各電路模塊之間可重編程和重配置。其功能如下。
　　1) 1路1mA的恒流輸出，用于驅(qū)動傳感器電路。
　　2) 1路4~20mA的電流輸出，用于構(gòu)成標(biāo)準電流信號。
　　3) 1路0~5V的電壓信號輸出，用于構(gòu)成標(biāo)準電壓信號。
　　4) 1路4~20mA的電流輸入，用于采集現(xiàn)場儀表的電流信號。
　　5) 2路電壓采集輸入(0~2.4V)，可擴充至6路電壓輸入。
　　6) 1路板載溫度傳感器，可用于熱電偶等測量電路的冷端補償。
　　7) 1路電壓比較器，可擴充至2路比較器。
　　8) 2路繼電器輸出，額定電壓30V，額定電流1A。
　　9) 2路光電隔離輸出，額定電壓16V，額定電流50mA。
　　10) 2路光電隔離輸入。
　　11) RS485通信接口。
　　12) 4位LED數(shù)碼顯示管。
　　13) 4按鍵輸入。
　　14)板載系統(tǒng)時鐘24MHz，可使用片上時鐘，2-16MHz可調(diào)。
　　15) JTAG接口，支持在系統(tǒng)編程與調(diào)試。
　　該實驗平臺具有基本的硬件平臺和軟件模塊，用于學(xué)生在課內(nèi)課外開展自主性實驗。由于SoC系統(tǒng)具有可重配置和重編程的特性，系統(tǒng)靈活性很強，學(xué)生可利用實驗平臺的基本軟硬件模塊完成設(shè)計目標(biāo)。學(xué)生可選擇某一感興趣的課題完成實驗，在實驗過程中經(jīng)歷控制系統(tǒng)的總體設(shè)計到在實驗平臺上實現(xiàn)的整個過程，既要了解實驗平臺的硬件構(gòu)成，又要針對設(shè)計目標(biāo)進行軟件編程，基本等于完成了一個工程實際系統(tǒng)的設(shè)計，其自主性和創(chuàng)新性得到充分發(fā)揮。學(xué)生在該平臺上既可以做基礎(chǔ)的認知實驗，也可以做課程設(shè)計或者畢業(yè)設(shè)計等。
　　4 結(jié)語
　　計算機專業(yè)硬件類課程群實驗教學(xué)改革是一個長期的過程。如何訓(xùn)練學(xué)生的思考能力、動手能力和創(chuàng)新能力？改善實驗?zāi)Ｊ剑褂锰摂M實驗工具、自主性實驗開發(fā)平臺，既能夠達到教學(xué)目標(biāo)，又能夠節(jié)省實驗資源，還可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鼓勵優(yōu)秀學(xué)生充分發(fā)揮想象力，去設(shè)計與實際生活工作有關(guān)的項目。我們將不斷完善實踐教學(xué)體系，在實踐中探索、改革、提高，以培養(yǎng)出更多適應(yīng)社會發(fā)展的綜合型人才[3]。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 教育部高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會. 高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)公共核心知識體系與課程[M]. 北京:清華大學(xué)