基于虚拟仿真技术的计算机系统能力培养

刘 丽 陈 松

（安徽新华学院大数据与人工智能学院，安徽 合肥 230088）

现代计算机工程呈现出系统整体规模日趋庞大、 子系统数量日趋增长且交联关系日趋复杂等特征，这就要求计算机工程技术人才必须从系统的高度多维度地研究与构思， 综合运用多种知识进行工程实施， 并在此过程中反复迭代以寻求理想的系统平衡性要求[1]。

目前存在一些问题在于计算机专业人才的培养方面，主要有以下两个部分：

（1）各门课程知识体系缺乏系统性，大多各自为政，学生在建立计算机系统观念时不能很好地将课程关联融合。

（2）在实践过程中缺乏工程训练，在训练时，项目的难度和规模也难以达到要求。

综合以上问题，课程改革是非常必要的，可以利用计算机仿真技术，对电路、微机原理与接口技术和嵌入式等硬件课程进行仿真平台搭建，并将实体实验进行虚拟仿真、调试，通过计算机网络硬件平台和电子仿真软件以及虚拟实验教程，构建了一个设备先进的虚拟实验室[2]。 虚拟实验室的本质就是以虚代实、以软代硬。

1 虚拟仿真融入计算机系统能力的需求

1.1 计算机系统能力培养的意义

近几年，在高校计算机类专业中推动系统能力培养的重大课题由教育部高等学校计算类专业教学指导委员会提出，系统能力是指能理解计算机系统的整体性、关联性、层次性、动态性和开放性，掌握计算机硬软件协同工作及相互作用机制，并综合运用多种知识与技术完成全系统开发的能力[3]。 系统能力培养并非要求所有学生都成为计算机系统的设计者和研究者，而是通过连续的培养过程使得学生能够更加深刻地理解计算机系统，为后续课程学习奠定了坚实的基础。 针对我校计算机专业的人才培养定位的差异性，系统能力培养的方法也在探索中，通过采用虚拟仿真技术，尝试在同一仿真平台上实现对计算机知识的系统性理解，具有成本低、易实现、符合学生认知水平等特点，有助于丰富计算机系统能力的培养[4]。

1.2 我校计算机硬件课程开设现状

目前，我校计算机硬件课程主要在计算机科学与技术、网络工程、软件工程等专业开设了计算机电路基础、数字电路、模拟电路、微机原理与接口技术、计算机组成原理、单片机、嵌入式系统。 同时，由于学科的交叉性，智能制造和电子学院的多个专业也开设了电工电子技术、微机原理、单片机、嵌入式系统等课程，涉及专业包括物联网工程、机电一体化等。

现在，相关课程的实验教学仍是各自为战的。 例如计算机电路基础、数字电路、模拟电路、计算机组成原理使用的是传统试验箱，单片机采用的是仿真软件PROTEUS 7.8 以下版本加实物，嵌入式系统采用专用试验箱。 其中，嵌入式系统课程的实验设备相对较为新颖，电路课程、组成原理的实验设备老化严重，已在考虑实验室的更新建设。

1.3 虚拟仿真一体化实验平台建设

通过多年的实践教学，发现对于我校计算机专业的学生来说，毕业后从事专业的计算机硬件相关工作的学生总体较少，大多从事软件开发、网络建设等方面的工作。 对于这些学生而言，计算机硬件的相关知识更侧重于原理的理解，侧重于这些知识对于软件开发、网络建设的支撑作用。 在相关课程的实验教学过程中， 通过Proteus 仿真软件仿真已能满足大部分学生的学习需要，降低了教师的设备管理工作量，使得教师可以有更多的精力投入科学研究之中[5]。

2 硬件课程进行虚拟仿真实践教学体系的构建

2.1 基于Proteus 的硬件课程实验体系的实施方案

配合原计算机电路实验室的改建工作，重点修订数字逻辑电路、 计算机电路基础课程新的实验大纲与实验指导书。 修订计算机组成原理、微机原理、单片机技术等课程的实验方案， 侧重于体现知识的前后关联，课程的前后关联。研究基于Proteus 仿真的计算机硬件实验实施的统一平台，统一规范，以及在此过程中可能出现的各种问题及解决方案。 构建硬件课程实验体系。 基于Proteus 的虚拟实验项目在进行过程中,可以使原理图设计、元器件选择、性能测试、功能动态仿真、 结果分析和实验报告集成在一个工程项目完成。

2.2 在统一实验平台上进行多课程融合

电路知识计算机硬件的基础知识， 组成原理在基础电路知识的基础上介绍了普适的计算机硬件组成知识，微机原理则以具体的CPU，介绍计算机软硬件结合的相关知识， 单片机课程则在前面课程的基础上，更加侧重于知识的应用，学生可以用单片机来解决一些较为具体的问题。 课程之间是紧密联系的。在设计虚拟实验项目时， 在考虑人才培养方案和教学大纲的基础上，针对学生的知识水平、理解能力等因素，科学合理地制定实验项目，加强各门课程实验之间的联系，就能帮助学生完善知识结构，提高学生能力。 因此多门课程建立统一的仿真实验平台很重要。 以Proteus 仿真软件为基础，完成多课程的实验，促进课程之间的融合， 加强学生对课程之间联系的理解，为培养应用型人才奠定基础。 融入竞赛元素的优势。

2.3 计算机系统能力的提升及教学方法改革

以Proteus 平台为基础， 探索合适的培养方式方法以提升学生的计算机系统能力。 可以在仿真平台上实现从基本电路设计，到集成芯片连接，再到组成微型计算机、单片机最小系统，通过接口连接简单外设，实现编程控制。 通过这样一个自底向上的搭建过程，使学生对计算机的硬件基础有一个更为具体的认识，帮助学生更好理解计算机的工作过程，并能和计算机软件开发相结合，培养更有竞争力的计算机从业者。

3 虚拟仿真实践教学体系的特色

3.1 促进课程融合、增强课程体系的系统性

计算机系统能力的培养是一个系统性工程，涉及多个学期的多门课程，如数字电路、微机原理、组成原理、单片机、嵌入式系统等。 在这些课程的教学内容中，有相关的知识点，也有对各自不同侧重点。 利用Proteus 仿真平台，可先以实验为纽带，初步建立课程间联系，然后拓展到理论教学，促进课程间的融合，完善硬件课程群建设，更好地服务于人才培养方案。

3.2 锻炼师资队伍、促进人才培养

目前， 教学团队的建设仍主要以课程为单位，课程之间的联系并不紧密。 教师所带课程较为单一，或者缺乏系统性。 本课题的开展将促使教师更加关注课程间联系，项目组成员尝试贯通相关硬件课程，先从教师层面完善对计算机系统的整体性理解，才能更好地培养学生的学习能力。

3.3 资源整合，节约硬件的维护成本

构建Proteus 局域网版软件，添加相应模块，少量实验验证板即可满足课程需要。 软件的维护费用极低，能有效减少原有实验教学方式对耗材的消耗和设备的折损，节省实验成本。 教师可以基于仿真软件，自主开发更多综合型实验， 新的实验项目设计好后，可以长期使用，如有需要，变更起来也很方便。