计算机硬件实验平台在教学中的不足和改进研究

刘 升，岳成刚，刘怀愚①

（淮北师范大学 计算机科学与技术学院，安徽 淮北 235000）

计算机专业的硬件实验主要包括模拟电路实验、数字电路和数字逻辑实验、微机接口技术实验、计算机组成原理实验、信号与系统实验、数字信号处理实验、嵌入式系统实验和FPGA实验等［1］.通过硬件实验教学，提高学生硬件课程学习质量和实践能力，是理论教学的深化和补充.

硬件实验课程都配备相应的实验平台，且提供完善的实验方法和实验步骤，所有实验需要的元器件或者模块都集成到一个箱体内.学生只需按照实验步骤连接好导线，输入要求的信号，观察输出就行，规范的实验平台的优点是简化教师的工作量，简化学生的实验过程.但是缺点也较明显，成型的实验电路，实验模式单一，实验项目固定，影响学生的动手能力和创新能力的培养.

本文根据计算机专业硬件实验的特点，着重分析实验平台在硬件教学中的不足.目的是提出结合实验平台，通过自制实验设备和拓宽实验范围，提高实验教学质量，促进教学改革.

近年来与计算机硬件实验相关的文献主要集中于以下几个方面：讨论实验教师队伍的建设和实验项目正确设置［1］；完善计算机硬件实验教学体系，更新实验内容和改善实验环境［2］；侧重计算机专业多科目的综合应用，建立统一的一体化硬件实验平台，支持基础验证型、综合型和创新型实验［3-5］；探讨构建计算机实验教学环境，集管理、支撑和服务于一体［6］；EDA技术和虚拟技术在硬件实验教学中的应用［7］等.本文主要探讨计算机硬件实验平台的不足和改进，这在文献中还没有讨论过.

1 计算机硬件实验平台的不足

随着高校对实验教学的重视，计算机的硬件课程都配备相应的实验平台.硬件实验平台的建设，简化实验过程，通过这些实验平台，学生能更好地理解和掌握课本上的理论知识.在实验教学中发现，由于购置的实验平台在出厂时，生产教学仪器的厂家把实验仪器的设计目标定位在理论教学的验证上，所以实验内容紧扣课本，实验箱的电路设计完成后，实验项目已经基本固定，所以实验模式单一.更主要的问题是现成的实验平台，过于集中理论知识的验证，忽视学生动手能力和创新能力的培养.

计算机硬件实验课程可以分为基础实验课和专业实验课两大类.基础实验课程特点是实验电路比较简单，如模拟电路实验和数字电路实验.硬件基础实验的教学目的除侧重于书本上理论知识的验证外，更应该注重培养学生硬件设计的基本功，如焊接、元器件的测量、电路规划和设计等.硬件专业实验课，是指内容比较深入的课程，如计算机组成原理实验和数字信号处理实验等.这些实验的特点是实现实验所需的硬件电路比较复杂，使用大规模集成电路，大部分实验需要数据线、地址线和控制总线等，因此学生自制实验装置很不现实，可以采用模块化实验平台来扩充实验平台的功能，来增加综合性和设计性实验.还可以通过软件设计和仿真等手段拓宽实验范围，将理论知识和实际应用相结合，从而发挥学生的主动性和创造性.

2 计算机硬件实验平台的改进探讨

2.1 硬件基础实验提倡学生自制实验设备

硬件基础实验，如模拟电路实验和数字电路实验，电路简单，使用市售的实验箱做实验，学生只需简单的插上导线，接通电源，输入信号，测量输出信号，验证书本知识就行了.这种方式，简化实验步骤，实验主要集中于书本知识的验证，但忽略对学生硬件开发基本能力的培养，如元器件的焊接、测量和电路的设计等.所以对于基础实验，教师应该挑选出部分实验项目让学生自制实验装置，独立完成实验.学生在分析实验原理的基础上，自己设计实验电路，完成电路的调试和测量，在学生自己的努力下得到正确的实验结果.通过自制实验装置，激发学生对计算机硬件实验的兴趣，积极性和能动性得到极大的提高.更为重要的是自制实验装置掌握的技能，是课程设计、毕业设计和毕业后走上工作岗位所必须的.

以模拟电路实验中的晶体管共射极单管放大器实验为例，来说明自制实验装置的好处.晶体管共射极单管放大器实验的目的是学习单管共射放大电路的组成，分析静态工作点对放大器性能的影响，掌握电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的测试方法等.

如果使用现成的实验仪器，由于实验面板上提供图1的电路连接和相关的元器件，学生做的工作就是连上电源，调整Rw改变静态工作点，然后输入信号，测量输出信号，分析静态工作点对放大器性能的影响.简而言之，现成的实验箱，可以简化学生的实验过程，将实验的重点集中在原理的验证上面.

如果放弃现成的实验平台，而是让学生自制实验装置，那么对学生的要求就更高.学生首先要理解电路工作原理和实验目的，然后才能正确地领取实验所需的元器件，测量元器件的好坏和性能，识别晶体管和电容器的极性，再按照电路图对元器件进行组合，从而实现图1的电路功能.从元器件到电路的实现，可以将元器件焊接到万用板上，也可以用面包板，还可以制作印刷电路板，然后将元器件焊接到电路板上.电路做好后，再进行上述的静态工作点的测定，以及放大倍数、输入电阻和输出电阻的测量等.

对比以上实验过程，发现如果使用厂家提供的实验平台，由于有现成的实验电路，所以实验过程侧重于书本上理论知识的验证，这样的实验过程会增加学生对课本理论知识的理解.而如果没有使用配套的实验平台，那么从元器件的选择、排列和焊接都必须由学生独立完成.这样的实验过程，不仅仅可以达到上述的实验目的，而且通过实验学生可以获得元器件的焊接、元器件的测量和识别、电路的规划等基本技能.这些技能都是以后课程设计、毕业设计和走向工作岗位进行电路设计所必需的.更为重要的是，学生通过实验获得的成就感，会激发学习计算机硬件知识的积极性和主动性，从而挖掘学生的创造潜能，这才是实验教学的目的.

图1 晶体管共射极单管放大器实验原理

2.2 专业硬件实验基于模块化设计，拓宽应用范围，培养创新能力

专业硬件实验课程是内容比较深入的课程，完成硬件实验需要的实验电路比较复杂，如计算机组成原理实验和数字信号处理实验等，这些实验装置一般由CPU、RAM、总线等组成，线路复杂，很难自制，所以学生使用实验平台是必要的.现成实验平台的主要功能和实验项目已经固定，和课本知识联系密切，因此以验证性的实验为主，而创新性和设计性的实验受到限制.对于专业硬件实验课程，在教学中，应该以现成的实验设备为主要的实验平台，有条件的话尽量选用模块化的实验平台.因为模块化的实验设备是通过增加模块来实现功能的扩充，所以能够拓宽实验范围，能够增加创新性和设计性的实验.除使用现有的实验设备完成教学大纲的实验外，教师要结合其他的实验渠道，如软件设计和虚拟仿真等手段，使学生能自主地将理论知识和实际应用相结合，从而充分发挥学生的主动性和创造性，提高教学效果.

以数字信号处理课程的快速傅里叶变换及其应用实验为例，来说明硬件实验如何拓宽应用范围，实现提高学生积极性和创新能力的目的.快速傅里叶变换及其应用实验的目的是加深对傅里叶变换的理解，应用快速傅里叶变换对信号进行频谱分析，应用快速傅里叶变换实现序列的线性卷积和相关.

傅立叶变换是一种分析信号的方法，用来分析信号的组成成分，在很多领域有着广泛的应用.典型傅里叶变换示于公式（1），表示信号从时间域到频率域的变换.离散傅里叶变换（DFT）是傅里叶变换的离散形式，表现在其工作的时间域和频率域上都是离散形式.通过DFT把信号从时间域变换到频率域，来研究组成信号的频谱成分和变化规律.快速傅里叶变换，是利用计算机计算离散傅里叶变换的高效、快速的计算方法，简称FFT.基本思想是把原始的N点序列，依次分解成一系列的短序列.充分利用DFT计算式中指数因子所具有的对称性质和周期性质，进而求出这些短序列相应的DFT并进行适当组合，达到删除重复计算，减少乘法运算和简化结构的目的［8］.

实验室一般使用基于DSP的实验箱完成快速傅里叶变换实验，通过装载fft.c程序，演示快速傅里叶变换算法，熟悉快速傅里叶变换的算法原理和算法流程，并对连续信号进行频谱分析.通过这个实验，学生不仅熟悉fft算法原理和应用，而且对A/D采样过程、采样定理、DSP芯片和CCS开发环境都有更深入的了解.基于DSP的实验平台同样存在着不足之处，实验箱局限在实验室使用，且实验程序只能应用在DSP芯片上，做实验的步骤和方法太具体，束缚学生的思维，不利于学生独立能力的培养.

图2 应用快速傅里叶变换分析声音频谱的程序界面

计算机硬件技术能够应用到多个方面，同样快速傅里叶变换在多个领域都有着广泛的应用，且计算机的硬件配置能够满足快速傅里叶变换的一般应用，给拓宽硬件实验提供条件.教师应根据自己的工作经验正确启发学生，指出快速傅里叶变换可以在普通计算机上实现.实现快速傅里叶变换除实验平台提供的DSP环境外，计算机环境下的MATLAB、C和C++语言等都可以实现快速傅里叶变换算法.信号的来源可使用计算机配置的声卡采集声音信号，对声音进行频谱分析.进一步的应用，还可以对图像进行二维快速傅里叶变换等.通过对学生的引导，可以充分发挥学生的主动性，学生在独立的探索中学到技能，提高自信心，这才是实验教学的根本目的.图2就是学生设计的基于MATLAB的声音频谱分析程序，通过程序的开发，提高学生的设计能力和动手能力，提高了学习计算机专业课程的积极性，为以后更好地走上工作岗位打下坚实的基础.

3 结论

计算机硬件实验教学既是计算机专业教学的重要部分，也是计算机软件教学的基础.计算机硬件教学依赖于实验设备，其配备的实验平台集中于对理论知识的验证，使得硬件实验教学比较枯燥，阻碍学生硬件实验的积极性和创新热情.教师在充分利用计算机硬件实验平台的基础上，通过自制实验设备和拓宽应用范围来提高学生动手能力，鼓励学生自主探索，独立完成综合性实验设计，从而培养学生实践能力和创造能力.

计算机硬件实验中的基础性实验，实验电路比较简单.教师可选择部分硬件实验，让学生自制实验装置，独立完成实验电路的设计和调试，提高学生学习硬件实验的积极性.笔者在教授模拟电路实验课程时，选取部分实验，让一部分学生脱离实验平台，通过自制硬件电路完成这些实验.通过对比可以看到，这些学生不仅在硬件知识上掌握的较好，动手能力很强，而且其他课程上的学习成绩也很好，说明学生学习积极性得到提高.

硬件专业实验课程中，硬件实验电路复杂，自制难度大.为弥补现成的实验箱的实验模式比较单一的缺点，教师可以选用模块化的实验设备来实现功能的扩充，增加实验的创新性.另外，通过软件设计和仿真等手段拓宽实验范围，将理论知识和实际应用相结合，发挥学生的主动性和创造性，提高教学效果.

［1］阿不来提·吉力力.计算机硬件实验教学的研究［J］.新疆师范大学学报（自然科学版），2011，30（3）：109-112.

［2］戚梅，张鹏，东野长磊.计算机硬件实验教学改革与探索［J］.实验科学与技术，2011，9（2）：80-83.

［3］罗家奇，李云，葛桂萍.计算机硬件系统实验教学改革的研究［J］.实验室研究与探索，2007，26（8）：98-100.

［4］陈妍，王换招，伍卫国，等.高等学校计算机硬件实验教学体系改革研究与探讨［J］.计算机教育，2008（8）：125-127.

［5］李珍香，王红.立体化创新性的计算机硬件实验教学体系与模式研究［J］.实验技术与管理，2009，26（10）：104-106.

［6］邵正隆，彭宇，高国柱.基于教学流程的计算机实验教学支撑系统设计与实现［J］.实验室研究与探索，2012，31（12）：162-165.

［7］艾明晶.《EDA》课程在计算机专业硬件体系实验教学中的作用［J］.实验技术与管理，2005，22（10）：88-91.

［8］王凤刚.基于TMS320C54X的快速傅里叶变换的实验设计［J］.实验科学与技术，2005（S1）：132-134.