葉海燕夏明珠

（1 巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

（2 合肥市委黨校，安徽 合肥 230000）

計算機專業(yè)硬件課程教學方法研究
——虛擬實驗平臺可行性分析

葉海燕1夏明珠2

（1 巢湖學院，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方法的研究，從提高學生的邏輯思維能力、編程實踐能力和軟硬件設(shè)計開發(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，從而達到課程教學質(zhì)量的提升。文章從不同角度探討學習計算機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驗平臺的教改方法，讓學生將設(shè)計的理論性系統(tǒng)以實驗的形式展現(xiàn)出來，完成對知識更好的理解和適當?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，綜合計算機專業(yè)學生學習狀況，發(fā)現(xiàn)學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，因此必須要讓學生從“要我學”變成“我要學”，這就需要學生提高學習熱情，對課程產(chǎn)生興趣。通過對硬件課程教學方法的研究，以提高學生的邏輯思維能力、編程實踐能力和軟硬件設(shè)計開發(fā)能力等專業(yè)綜合素質(zhì)，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識和能力，從而達到課程教學質(zhì)量的提升。從學生角度來看，要讓每一個學生喜歡本課程，培養(yǎng)學生在各專業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用計算機解決問題的意識和能力，為所學專業(yè)服務(wù)。從課程建設(shè)角度來看，樹立高水平的教學理念、組織合理的教學內(nèi)容，以“重實踐、強能力、求創(chuàng)新”為目標進行課程教學改革與實踐。從教學方法來看，讓學生通過虛擬實驗平臺完成對于所學課程的綜合運用，從而為后續(xù)的計算機系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

2 存在問題

目前硬件課程在教學中主要存在以下問題：

2.1 課程內(nèi)容抽象難理解

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

2.2 教學手段陳舊

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

2.3 教學大綱過于統(tǒng)一

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

2.4 學生學習興趣不濃

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。在學習過程中，學生就是直接把書上的理論知識進行機械化的驗證，偶有綜合性設(shè)計性試驗也是脫離實際，不具有代表意義。學生無法有自己的主觀創(chuàng)造性，因此學習興趣不濃。

3 教改方法

經(jīng)過對課程體系的教改探索，要達到培養(yǎng)學生具有扎實的理論基礎(chǔ)和良好的實踐動手能力的教學目的，我們將從以下幾個方面進行教學方法的改革：

3.1 合理安排教學內(nèi)容

突出重難點，以實例帶動理論知識的學習。自然科學之所以能夠吸引學生，主要原因就在于實驗驗證。適當?shù)卣{(diào)整教學內(nèi)容能更有助于學生對課程的理解，下面以微機原理課程為例。

第一，周明德版的教材在講授時，可將第五章的時序和總線內(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)運算、輸入輸出指令和串指令等，筆者認為可以適當調(diào)整，將所有是傳送實質(zhì)的指令放在一起，這樣學生可以通過了解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前數(shù)據(jù)所在地址進行交換。

第三，將算術(shù)運算指令中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，將標志寄存器的各個標志位的介紹和條件轉(zhuǎn)移指令放在一起，因為條件轉(zhuǎn)移指令就是通過對于各個標志位的變化結(jié)果來判斷是否完成轉(zhuǎn)移。

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

3.2 充分利用多種教學手段

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、時序圖也非常多。為了提高課堂教學效果，如果單純通過PPT中的文檔和靜態(tài)圖解進行教學，學生很難理解，我們需要遵循“少文多圖，動比靜好”的設(shè)計思想[1-3]。利用計算機動態(tài)演示課程中各部件的數(shù)據(jù)流、控制流以及工作時序等信息把高度抽象的知識直觀顯示出來（圖1）就是從實際執(zhí)行過程的動畫演示來加深學生對于指令的理解，其較強的刺激作用有助于學生理解概念的本質(zhì)屬性，促進學生知識的建構(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算機內(nèi)部執(zhí)行過程等相關(guān)動畫，不僅色彩豐富，而且動感十足，更有效地幫助學生學習該課程。

圖1 in指令執(zhí)行過程動畫演示

3.3 構(gòu)建虛擬實驗平臺

3.3.1 平臺構(gòu)建的意義與可行性分析

第一，理論知識需要實驗課程進行驗證才能為學生所理解，硬件課程不同于軟件課程，軟件的實踐練習中，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誤。而硬件課程像個魔術(shù)師，一個沒有生命的電子元件，通過我們在實驗箱中幫它加胳膊裝腿[4-6]，從而成為有實際用途的設(shè)備。在這個過程中的錯誤糾查就要求學生對于原理及裝置本身有一定的熟悉程度，因此硬件課程的實驗學習中應(yīng)多開設(shè)綜合性設(shè)計性實驗。放眼其專業(yè)必修課程中硬件課程，雖然都有實驗課程，但是實驗課程是單一模塊，每一門課程的實驗僅僅只是對于該課程的理論知識驗證或者適當?shù)奶岣呔徒凶鲈O(shè)計，但是綜合才是真正的設(shè)計，跟生活結(jié)合才是有用的設(shè)計，沒有主觀能動性，自然學習效果不好。因此需要一個硬件學習平臺。

第二，加強各個課程之間的聯(lián)系，以體系的形式完成對于硬件課程的整體統(tǒng)籌學習。硬件是系統(tǒng)的骨架，在學習硬件課程時，我們應(yīng)該有“醫(yī)生”的敏銳觸覺，使每個硬件在其合適的位置，相輔相成。這一點，筆者在《計算機組成原理實驗方法的研究和改進》教學研究項目中有過研究和實現(xiàn)。比如加入傳感器模塊，加入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等方法。就像一個藝術(shù)家給呆板的畫作加上靈動的眼睛，像設(shè)計師給貧瘠的屋子加入生活的氣息。雖然是計算機專業(yè)，但是其實我們學習的硬件課程并不少，如果可以將所學的課程，聯(lián)接起來學習效果會更好。計算機組成原理主要涉及的是計算機CPU內(nèi)部的工作原理、工作方法、總線、內(nèi)存等。而微機接口是在其基礎(chǔ)上，更深層次的挖掘，讓學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，各個設(shè)備直接顯示如何工作、時序，以及中斷服務(wù)等等，這樣說來，一個基本系統(tǒng)所需要的基礎(chǔ)知識，再輔以之前所學的電路、模電等內(nèi)容，讓學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)建一個雛形[4]。教學，教是主動，學為被動。但是不管是主動的教還是被動的學，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體系，純粹的紙上談兵，無法收到好的效果。因此一個能夠滿足上述要求的，可以為多個課程綜合應(yīng)用的實驗平臺就亟待產(chǎn)生。

因此需要以虛擬仿真技術(shù)為手段，各個硬件課程為基礎(chǔ)，建立虛擬實驗平臺，完成多個課程的綜合化實驗驗證及設(shè)計就是最好的教學改進。[6]

3.3.2 平臺描述

通過虛擬儀器建立虛擬工作平臺，讓學生可以通過添加元器件等等，完成整個系統(tǒng)。實驗箱中的CPLD可編程模塊，通過EDA電子設(shè)計，設(shè)計出一個個性化的CPU工作狀態(tài)。配合微機接口的內(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)想實際操作，這樣學生可以真正了解硬件課程學習的實際意義。也可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新力，并且將所學知識系統(tǒng)化、體系化，更有益于對于知識的掌握?；谝陨峡紤]，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)計原則，結(jié)合虛擬儀器的實驗要求，設(shè)計了整體框架和功能模塊，將系統(tǒng)劃分為6個主要模塊：虛擬儀器技術(shù)、LabVIEW、HPVEE、虛擬儀器中心（虛擬儀器實驗室）。

3.3.3 知識儲備和實踐能力鍛煉

在學習前導課程時需要將虛擬儀器和計算機仿真課程的內(nèi)容進行滲透。這個問題不僅僅需要教師的努力也需要學生的配合，可以適當?shù)刈寣W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)。解決學生學習積極性，需要我們在大綱要求以及課程設(shè)置上有適當調(diào)整。

在學習計算機組成原理和微機接口等核心課程時，在實驗環(huán)節(jié)中不是局限于課程本身，或者囿于理論知識的實際操作，而應(yīng)該抽身出來，從全局來讓學生了解課程設(shè)立的初衷，和可能會達到的效果。并在實驗課程中適當?shù)丶尤胂到y(tǒng)其他組成部件的實際操作，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——大綱和教學內(nèi)容修改、操作層面——教學方法改進、實用層面——虛擬實驗平臺建立等幾個方面進行了探討，如果確實能在學習的各個環(huán)節(jié)中認真執(zhí)行，教學效果必然會得到大幅度提高。教改方案僅僅是啟明燈，更重要的是實施，尤其是虛擬平臺在實施過程中需要做一些準備，其中重點是在虛擬儀器技術(shù)的推廣，學生目前對于虛擬仿真技術(shù)基本屬于盲區(qū)，所以可以適當開設(shè)虛擬儀器或者計算機仿真課程，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習感興趣的學生，自己動手做出虛擬平臺。

完成虛擬實驗平臺設(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，從而實現(xiàn)教學內(nèi)容、教學資源和教學模式的有機融合[5]。形成特定的教學模式，這樣就把所有學習過的硬件課程結(jié)合成體系，不局限于已有知識的驗證，而從創(chuàng)造力上對學生進行推動。學生在學習單個課程時可能會對課程本身產(chǎn)生懷疑，但是將他們結(jié)合起來，可以形成一個有既定目標的體系。另外可以通過個性化工程訓練，在學生完成所有前導課程的學習之后，會以實際操作的方式讓學生對于系統(tǒng)組成的所有硬件設(shè)備進行系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，寓教于樂，通過將設(shè)想變?yōu)榭刹僮鞯膶嶓w的方式，讓學生更深層次地了解和掌握硬件課程，為各個課程的課程設(shè)計以及畢業(yè)設(shè)計打下實訓基礎(chǔ)。

[1]王玉華，黃碩之.計算機組成原理課虛擬實驗方案[J].實驗技術(shù)與管理，2005，（4）:73-75.

[2]方愷晴，石琳，林亞平.EDA技術(shù)在計算機組成原理實驗中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2001，（3）:45-47.

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[6]王建新，裴慧民，陳松喬.基于Internet的虛擬實驗室平臺架構(gòu)設(shè)計[J].中南工業(yè)大學學報（自然科學版），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

責任編輯、校對：陳 鳳

2016－09－25

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