计算机硬件基础课程实验改革与实践

肖娟　龚德良　陆武魁　张雯雾

摘要：计算机硬件基础课程主要包括数字逻辑和计算机组成原理两门课程。文章以湘南学院计算机科学系所开设的计算机硬件基础课程为例，分析目前这两门课程的实验环节所存在的问题，提出一种多元化、一体化、循序渐进的实验改革方案。

关键词：硬件基础课程；实验改革；多元化；一体化

0.引言

计算机硬件基础课程是所有计算机类或通信类专业所必修的专业基础课程。当然不同的院校对于计算机硬件基础课程的开设都不尽相同，但是一般都会包括数字逻辑（或称数字电路）和计算机组成原理这两门课程。以湘南学院计算机科学系为例，该系设有计算机科学与技术、计算机科学与技术师范、网络工程、通信工程4个专业。对于不同的专业，硬件基础课程的开设也有所不同，例如，通信工程专业还会开设电子与电路这门硬件基础课程，而网络工程专业会加开汇编语言课程，而数字逻辑与计算机组成原理却是所有专业都必修的硬件基础课程。因此，针对这两门通用的硬件基础课程的实验环节，笔者提出了教学改革方案。

1.硬件基础课程实验改革的必要性

湘南学院是地方应用型本科院校，其培养目标是培养适应地方经济和社会发展需要的基础扎实、专业突出、实践创新能力强的应用型高级专门人才。实践能力与创新能力以及应用型人才的培养在课程的教学过程中主要是注重实验课程的实践教学。

实践出真知，创新源于实践。如何在实践教学中培养大学生的创新能力与动手能力一直是各高校关注的问题，也是计算机及其相关专业迫切需要解决的问题，而且也直接关系到学生的就业与发展。

目前IT产业技术日新月异，知识的更新换代比起其他学科更加迅猛。虽然目前从重点本科院校到地方性本科院校，从职业技术学院到中等专科学校都有开设计算机相关专业，但是不管哪种层次的计算机类专业的毕业生，与目前新兴IT企业人才需求之间都或多或少存在一定的差距，这个差距主要来源于实践动手能力。如何尽量地缩短这个差距，让学生一毕业就能上岗，是实验教学培养中的一个主要目标。

计算机类学科中的一个基础就是硬件基础，在硬件的基础上才能开发各种软件，在硬件的基础上才能有各种网络或者通信方面的应用，因此学好硬件的基础课程是整个专业的基石。而如何进一步理解枯燥的硬件基础知识，如何提高学生对硬件基础课程的兴趣与爱好，如何在硬件基础课程中培养学生的动手实践能力与创新能力，都需要从硬件基础课程的实验中去寻求答案。为了适应时代的需求，培养出具有实践创新能力的应用型人才，对于计算机专业中的硬件基础课程的实验改革势在必行。

2.硬件基础课程实验现状分析

实验教学是计算机硬件基础课程教学不可或缺的重要组成部分。实验课程是理论课程的重要补充。对于一些难以理解的理论知识，通过实验可以让学生更好地掌握。但是目前，硬件基础课程的实验环节还存在着许多的不足，不能满足课程培养目标的要求，主要表现在以下几个方面：

（1）实验课时不足。对于计算机硬件基础课程，根据硬件技术的发展对于每门课程所能开设的实验课程数量相对于以前都有所增加，但是实验课时却一直没有变化，显然课时不足已经影响实验内容的更新。

（2）实验内容单一。在传统的实验课程中，实验项目大多是验证型实验，设计型和综合型实验相对较少，学生只需要根据实验指导进行操作，然后观察实验结果即可，无法调动学生的积极性与创造能力。

（3）实验方式单一。在传统的实验课程中，大多数的硬件实验课程都是在已经固化好一些所需芯片的实验面包板上进行的，所有的实验过程与实验结果都是固定的，学生能自己更改的部分很少。对此，目前有部分院校在硬件基础实验课中引入了基于EDA+PLD（电子设计自动化+可编程逻辑器件）技术的实验方式。这种实验方式不仅需要仿真软件，而且需要掌握某种硬件描述语言，实验过程相对比较复杂，但比传统的实验箱更能发挥学生的设计能力和创新能力，对学生的要求相对比较高。

（4）各门硬件基础实验课之间缺少相互的联系。计算机类专业课程之间都有着或多或少的联系，特别是硬件课程之间都有着比较紧密的联系。例如，数字逻辑主要介绍构成器件的基本部件门电路，以及组合电路时序电路等的分析与设计，而计算机组成原理主要介绍计算机的组成部件及其相关原理。计算机组成部件的本质都是一些组合电路或时序电路。因此这两门课程间有着一些必然的联系，而在传统的实验课程中，这两门课程的实验课根本没有联系起来考虑，实验课程设置上也都是各上各的，没有考虑到相关性。

3.硬件基础课程实验改革方案

考虑到上述计算机硬件基础课程实验环节的各种不足，笔者提出从实验内容和实验方式两个方面对硬件基础课程实验环节进行改革实践。

1）实验内容方面。

（1）在硬件基础课程的实验项目设置上，减少验证型的实验项目，增加设计型与综合型的实验项目；在实验课时上，保证设计型与综合型实验的课时量。湘南学院计算机科学系2011版的培养方案中对各门功课的实验项目都做了一定的调整，并要求保证设计型和综合型的实验占所有实验课时的40%。调整后的培养方案保证了一定数量设计型与综合型的实验，有利于提高学生自身的设计能力与综合应用所学理论知识的能力。例如，在数字逻辑课程的实验项目设置中，共有16个实验课时，其中14个为实验课时，2个为实验考核课时；在14个实验课时中，设置了5个实验项目：实验一——门电路、实验二——译码器与编码器、实验三——半加器与全加器、实验四——触发器、实验五——计数器。其中实验一、实验二和实验四3个实验项目都是验证型实验，并且都只有2个课时；实验三是组合电路的设计型实验，给出一定的门电路和特定实验要求，让学生自己设计完成一个半加器和全加器的组合电路，占4个课时；实验五是一个时序电路的综合性实验，给出一定的实验要求，让学生自己综合所学知识设计一个计数器，也占4个课时。在计算机组成原理实验项目设置中，共有16个实验课时，其中2个为实验考核课时，而其余的14个课时分给了5个实验项目，实验一——运算器，实验二——存储器，实验三——微处理器，实验四——基本模型机，实验五——复杂模型机。其中前3个实验都是单元实验，也都是验证型的实验，每个实验都只占2个课时；而第4个实验，是要运用前3个实验，组合成一台简单的有基本计算机功能的模型机，是属于设计型的实验，占4个实验课时；第5个实验，是在第4个实验的基础上，增加一些复杂的计算机功能，组成一台复杂的模型机，此实验是综合型的实验，占用4个实验课时。endprint

（2）在现有实验课时的基础上，增加各门硬件基础课程的课程设计环节，以课程设计作为实验课的一个有利补充和综合运用。而课程设计的命题可以紧跟当下IT技术的新发展，在课程设计中尽量让学生接触最新的技术与应用，也可以让学生自主选择感兴趣的相关命题，指导其设计与实现。例如，数字逻辑课程设计中可以综合所学的知识，结合实际应用，设置汽车尾灯控制器、简单交通灯控制器、电子密码锁、智力竞猜抢答器等设计课题供学生选择学习；计算机组成原理课程设计中可以设置多功能ALU设计、RAM故障诊断设计、使用硬连线控制器的CPU设计等综合应用型的课题供学生选择。

2）实验方式方面。

（1）实现实验方式的多元化。把单一的、传统的用实验箱做实验的方式变为多种实验方式结合，实现实验方式的多元化。例如，验证型的实验，用实验箱实现，直观易懂，而复杂些的设计型和综合型实验，试验箱就有了一定的限制，不能充分发挥学生的自主设计能力。这时，可以考虑使用其他方式来实现。例如，前面介绍的EDA+PLD方式，当然这种方式实现起来比较复杂，还可以考虑用更加方便的电子设计软件，如Multisim。Multisim是美国国家仪器有限公司（NI）推出发布的NI电路设计套件，是目前最先进、功能最强大的EDA软件之一，它可以实现对电路原理图形输入、分析、仿真、测试等应用，是一个完整的电路设计和仿真工具软件。应用Multisim实现数字逻辑实验课程中的设计型和综合型实验是比较简便和易操作的，而应用Multisim实现计算机组成原理实验课程中的实验相对来说比较复杂些，但也是可操作的，文献中有相关叙述。而对于非常复杂的、综合型较强的计算机组成原理中的整机实验，可以应用自主开发的实验平台根据需求进行设计开发实现。例如，湘南学院计算机科学系在VS平台上开发了基于浏览器客服端技术实现的计算机组成原理的虚拟仿真实验平台，这个平台在2013年上半年已投入试运行，极大地增加了学生对计算机组成原理实验课程的兴趣与自主设计创新能力，从实验课程的效果来看，比较理想。应用多元化的实验方式，有利于提高实验课程的吸引力，进一步提高学生对实验课程的兴趣。不同实验方式的比较也可以让学生从不同的方面更好地理解理论知识，进一步提高学生的设计创新能力。

（2）相关硬件基础课程实验一体化。由前文分析可知，硬件基础课程之间是有一定联系的，在设计实验项目时，应该考虑到相关课程实验项目之间的联系和衔接，让学生体会到相关的专业知识是一个整体，从而能更好地、前后联系地学习相关的专业知识。例如，数字逻辑课程中的某些实验可能会在计算机组成原理课程中有所应用，这时就不要重复设计相同的实验项目，只需在设置实验项目时把数字逻辑与计算机组成原理当作一门整体硬件基础课程看待，进行一体化设置，便能避免相同知识的重复设置，又体现出专々业知识结构本身的规律，有利于学生对知识的整体理解和把握。同时在统一设计实验项目的时候要遵循从简单到复杂、从部分到整体、从验证型到设计综合型，这样一个循序渐进的过程，在实验过程中慢慢地增加实验难度，这样做更加有利于学生对知识的理解与接受。

4.结语

为了培养适合市场需求的具有实践创新能力的应用型人才，在高校教学方面应该注重实验教学的改革。笔者对于计算机硬件基础课程的实验进行改革，调整实验内容，实现实验方式多元化、实验结构一体化的改革方案，并部分得到实践，从实践效果可以看出，新的实验方案对提高学生的实验兴趣、激发学生的设计创新能力有一定的效果。我们下一步努力的方向是进一步完善本实验改革方案并推动其实践。endprint