基于工程思维的计算机硬件课程群的实验教学研究

史月美，胡玉兰··

（忻州师范学院 计算机系，山西 忻州）

一 引言

布鲁纳的结构主义教学理论倡导学生在掌握相关学科知识时，要寻找并掌握其基本结构及内在规律，在获取知识时，要注重知识的体系和事物之间的联系，培养学生的有效思考能力和创新性思维，激发学生的智慧潜力。高等学校计算机相关专业的社会使命是培养工程实践和创新能力俱佳的高素质人才，特别地，伴随着美国对我国芯片领域的打压乃至封锁、人工智能及物联网技术的蓬勃发展，全球特别是我国出现了对计算机硬件人才从需求到渴求的局面，而课程实验的设计与教学是计算机硬件教学质量的关键。

二 国内外研究现状

美国的麻省理工学院曾经在工程教育领域提出教育模式CDIO，引导学生主动学习、重视实践、注重课程与课程之间的衔接方式来学习工程为目的，提出较完整的符合工程科技人才成长规律和特点的教育模式，旨在培养全面发展的创新型工程技术人才[1-3]。

晓白、曹健从国家芯片战略的角度论述了我们国家在集成电路领域所面临的严峻考验，提出了集成电路行业是国家五年规划的非常重要、紧迫需求和攻坚的领域，同时涉及国家安全领域和战略层面的定位[4-5]。严辉、李莹莹以安徽建筑大学计算机科学与技术专业为研究对象，提出面向卓越工程师的人才培养模式，从优化课程体系、开放实验室和校企合作等方面，为我们提供了一些借鉴，并提出培养学生的专业素养、专业技能和工程实践能力相结合的观点[6]。

卢建华论述了Proteus 在数字逻辑“交通灯控制系统”实验中的应用[7]；冼进、赖晓铮提出基于Multisim 仿真的数字逻辑实验教学改革，阐述了虚拟仿真教学过程中实验教学灵活性比较高的特点，在虚拟仿真平台设计从简单到复杂的实验，达到提高学生对计算机硬件课程的学习兴趣，从而增强学生的创新思维，提高学生的实践能力[8]。范琳、翟社平等针对计算机组成原理课程目前的实验箱教学法存在实验次数较少、粒度较粗、学生实验一知半解等问题，提出在实验教学过程中使用Proteus 仿真软件，作为传统实验教学的补充[9]。

荆蕾、焦来磊在“计算机专业硬件主干课程群建设”中，提出硬件课程群的概念，分析了硬件类课程教学中当前所面临的困惑，从激发学生学习兴趣、调整群内课程设置合理化、有机组织课程内容及实验环节的考核方面进行了阐述[10]。谭志虎等将Logisim 引入硬件课程实验，阐述了与商业软件Multisim、Proteus 对比，Logisim 具有的很多优势[11]；特别指出功能比商业软件相对简单，操作简单，几乎可以即学即用，为我们整合硬件课程群的统一实验平台提供了指引。

研究者们从国家芯片安全战略、计算机专业相关课程角度进行研究，在人才培养方式和硬件课程实验方式上都取得一定的研究成果，为我们的前期研究提供了很好的思路借鉴，将研究重点立之于如何以工程思维的视角整合课程群中课程的实验教学体系。针对计算机硬件人才的培养，将“工程思想”具体结合和贯穿到我们的日常硬件课程实验教学中，统一硬件课程群的实验平台，就成为硬件课程群实验研究的主要指导方针。

三 硬件课程群的工程思维体系

针对计算机硬件课程群的知识体系进行分析和研究，大致可以分为系统组成、工作机制、指令系统和接口技术等几个部分[12]。随着计算机硬件技术的多维快速发展，计算机硬件知识的教学要求的侧重点已经从逻辑器件的设计和小规模硬件设计逐渐向系统工程设计方面转移，与之相适应的对学生掌握计算机硬件知识的要求也在不断调整。先进的学习理论，开始强调建立知识体系在整个学习效果中的关键作用。因此，如何将该理论结合到计算机硬件课程群实验体系中，我们采用“总-分”设计，“分-总”实验的计算机硬件实践教学体系。

研究创新主要集中在以下两个方面。

（一） 运用工程思维

使学生掌握数字系统的构成及其指令系统和接口技术，理解各组成部分是如何通过有机连接最终组成整个数字系统的概念，储备分析问题与深入理解问题的能力，最终为学生具有良好的数字系统分析、设计、实现和调试能力奠定工程思维基础。

（二） 以计算机专业的硬件课程群为依托

构建硬件课程群中各门课程的知识体系，实验采用统一的仿真设计平台。将数字逻辑+计算机组成原理+微机原理+接口与通信等多门课程形成课程群，在实验层面打通。从基础的逻辑门开始逐步设计组合逻辑电路、进而设计同步时序逻辑电路，然后设计构建小型数字系统，再设计构建中央处理器所需要的运算器、存储器和控制器，并最终构建一个能够处理各种冲突冒险的MIPS、五段流水CPU 及其指令系统和相关接口技术。这种工程思想的实验设计，有利于培养学生的硬件思维能力和整体项目的设计实现能力。

四 硬件课程群实验的设计

（一） 设计思路

以最终实现一个五段流水CPU 的数字系统作为硬件课程群的一个系统工程，运用工程思维进行分析设计：

1.需求分析，分析数字系统的主要逻辑功能需求；

2.系统分析，确定系统方案；

3.概要设计，划分数字系统为控制电路和运算电路两部分；

4.详细设计，至顶向下逐步细化各个电路的组成逻辑部件并构建数据通路和控制单元；

5.系统实现，构建数字系统并集成联调。

将复杂任务逐步细分为相关的几个阶段，利用组合逻辑模块对输入数据进行预处理，把处理后的结果用锁存器保存起来，这些锁存器构成一个大的同步时序逻辑电路，每来一个时钟信号，各部件开始工作，其中前面一个部件处理后的数据将作为下一部件的数据输入，行如流水。通过这种流水线机制可以大幅度提升数字系统的执行效率。如图1 所示是典型的五段流水线逻辑结构。

（二） 实验体系

设计实验体系从五段流水CPU 及其接口技术的顶层开始，逐步细化到机器指令系统、运算器、处理器和存储系统，进一步细化到中规模集成芯片层，一直细化到最终的逻辑门部件，高屋建瓴指导实践教学。根据需求统一实验环境平台，从底层逻辑门开始，逐步向上构建小型的数字系统，设计构建中央处理器所需要的运算器、存储器和控制器，并最终构建一个能够处理各种冲突冒险的MIPS 五段流水CPU 及接口技术的完整实验体系，最终使整个硬件课程群的实践形成一个有机的整体，实验体系如图2 所示。

图1 五段指令流水线逻辑结构

图2 实验体系逻辑结构图

（三） 改革成效

通过构建硬件课程群相关课程的知识体系，特别在实验环节打通，构建前后衔接紧密的实验体系，经过几年的实践，通过问卷调查和测试成绩结果分析，实验教学的有效改革不仅可以提高学生的实践热情，激发同学们钻研知识的欲望，同时反过来促进相关课程的理论学习，逐渐形成良性循环。在学生的学习自主性、对硬件课程的兴趣度、师资力量的优化和家国情怀方面都取得了一定的进步。

五 结语

针对硬件课程实验教学中内容相对独立、各自为政的教学问题，提出了建立基于工程思维的硬件课程群整体实验体系，针对硬件实验环境欠缺、学生对硬件实验畏难、知识零散的问题，从实验平台的统一选择和实验内容的设置上，利用绘制原理图的方式来构建硬件电路，设计实验难度递进，逐步将各单元实验中构建的单元部件集成为复杂系统。指令系统和相关接口与通信，统一使用汇编语言设置与调试。对于有效解决学生缺乏整体工程设计能力、缺乏钻研精神的问题，提供了较好的解决思路，具有一定的新意。