高等学校计算机硬件实验教学体系改革研究与探讨

文章编号：1672-5913(2008)08-0125-03

摘要：本文针对目前高等学校计算机硬件实验教学存在的问题，提出适合本科生及研究生联合培养的创新实验教学体系，设计了支持基础验证型、综合设计型和创新研究性实验一体化的计算机硬件实验平台。

关键词：教学改革；创新型人才；计算机硬件实验

中图分类号：G642

文献标识码：B

1计算机硬件实验普遍存在的问题分析

目前，国内大多数高等院校的实验组织模式和实验手段主要存在以下问题：

“一人动手大家看”的“放羊式”

实验的内容、步骤严格按照教材(实验指导书)进行

实验内容陈旧、与工程实际脱节

本科生和研究生的实验环境分别建设

计算机学科的课程内容具有很强的交叉性和相关性。针对每门具体课程单独设置实验及单独提供实验环境，一方面很难使学生对其前导课程所完成的基础能力做要求，同时也很难兼顾到其后续课程，各自独立，相互间缺少有效的贯通；另一方面实验环境重复建设，实验资源得不到充分利用。下面以“数字逻辑”、“计算机组成原理”和“计算机系统结构”三门硬件主干课程为例说明计算机硬件实验的现状。

(1) “数字逻辑”是计算机专业必修的专业基础课，目的在于掌握计算机数字电路设计和调试方法，为后续硬件课程奠定基础。而相应的“数字逻辑实验装置”一般仅能用于TTL与GAL器件的实验；有部分学校购置的实验装置还不能进行GAL器件的实验。实验一般使用小规模74系列TTL器件，通过面包板实现输入/输出连线，其可靠性低、元器件易损，复杂实验受到限制，很难支持设计型实验；许多目前流行的硬件设计方法，如采用EDA(电子设计自动化)工具的基于CPLD(复杂可编程逻辑器件)的逻辑设计等，更是因为硬件设计环境不够而无法进行。

(2) “计算机组成原理”作为计算机专业的核心课程，目前很多大学采用类似清华大学计算机厂早期研制的实验装置，采用面包板和拨位开关等输入/输出接线，调试手段缺乏，支持的实验内容少，对CPU设计之类的实验没法很好地开展。即使一些新的实验装置，重点仍然是支持验证型实验，设计型实验的开展仍具有局限性。

(3) “计算机体系结构”作为计算机专业的高端专业课，由于缺乏实验条件，很多学校还没有开设实验，少数开设实验的学校也只能采用系统结构模拟软件进行模拟实验。大多数该类模拟软件运行在UNIX平台上，参数设置复杂、接口界面不友好，使用起来费时费力。学生只是通过课堂学习来掌握计算机体系结构的内容，缺乏对计算机体系结构的感性认识，更谈不上培养学生的设计与创新性能力。

由于以上三门课程目前都只针对自己的课程内容单独设置实验并单独提供实验环境，这些相关性非常强的课程各自独立，相互间缺少有效的贯通，不仅导致了实验环境的重复建设，实验资源得不到充分利用，而且也不利于学生对计算机硬件体系有一个系统的了解，更无法对本科生的课程设计、毕业设计等大型和综合型训练提供必要的支撑环境。

为了解决目前计算机硬件实验教学中存在的问题，需要建立能满足计算机专业实验教学需求的，集实践性、先进性、开放性、创新性为一体的先进硬件实验教学体系，结合EDA、软件模拟和虚拟现实等先进的实验手段建立集基本验证、综合设计和创新研究为一体硬件实验平台，促进理论教学与实践教学紧密结合，以适应学科发展和IT企业对高层次计算机专业人才的更高需求。

2 适应多层次人才培养需要的计算机硬件实验体系的建立

为了构建适合本科生、研究生多层次需要的一体化的实验教学体系，我们对国内外著名大学的课程及实验教学大纲等做了深入的研究，主要做了以下几个方面的研究工作：

(1) 研究计算机专业硬件课程及其实验课程当前的设置和今后的发展趋势；

(2) 剖析计算机专业硬件相关课程之间的衔接关系；

(3) 分析教学实验和科研实验的本质，发现本科阶段以及研究生阶段主要硬件课程教学实验的规律。

基于以上研究工作，我们设计的计算机硬件实验体系主要包含以下层次。

2.1系统化的计算机硬件实验内容层次

计算机学科是目前更新换代最快的学科之一，实验在设计时必须和实际工程结合紧密。实验内容和手段的设计必须是以培养具有很好实践能力和一定创新能力的本科毕业生为目标。因此，我们将每门课程实验的内容分为以下三个层次：

基础验证型：主要用于验证课程当中所讲的内容，加深对课堂知识的理解，并培养学生的基本专业技能和实际操作能力。

综合设计型：这类实验一方面可以加强学生对相关课程的理解，更主要的是培养了学生综合分析能力和独立解决问题的能力。

创新研究性：这类实验要求学生自行设计目标并进行实验；实验允许失败，但是必须对失败原因和改进设想做深入的分析和探讨。这类实验是学生早期参加科学研究的一种重要形式，主要培养学生的创新意识、创造性思维及创造性个性，使学生创新性的想象力、判断力、思维能力和实践能力得到提高。

这三个实验从内容上由浅入深、由易到难，从对学生的要求上是由低到高的。其中前两类实验主要针对本科生设计，第三类实验主要针对少数有余力的低年级本科生、多数毕业设计阶段的本科生和所有研究生设计。

在多层次实验教学中，教师的主要作用在于启发学生认识实验教学的目的和意义，组织开展实验教学活动，引导学生研究问题，指导学生的实验过程和认真完成各项实验任务。在实验教学中，教师要教育学生树立严谨的科学态度，鼓励学生勇于求异的创新意识，注意培养学生独立解决问题的能力。

2.2计算机硬件课程层次的建立

以西安交通大学计算机学科为例，本科生和研究生的硬件相关课程体系中主干课程由“数字逻辑与数字系统”、“计算机组成原理”、“计算机体系结构”、“高性能计算机体系结构”和“计算机系统的量化研究方法”组成，其中前三门课程为本科生课程，后两门课程为研究生课程。与主干课程相关的本科生必修课程还包括“汇编语言程序设计”、“微机原理和接口技术”、“操作系统原理”、“计算机网络原理”、“嵌入式系统”；研究生课程包括“计算机网络理论及应用”、“VHDL和FPGA设计”、“分布式系统”等。这些课程，特别是主干课程，不仅有较强的顺序性，而且课程内容的相关性很强。图1给出了计算机硬件主干课程的实验层次。其中，虚线方框部分为偏软件类型的实验。

图1 计算机硬件主干课程实验层次

从图1可以看出，计算机专业本科阶段硬件主干实验课程主要为数字逻辑专题实验、计算机组成专题实验、微机接口专题实验；并且这三个实验中，每个实验的开展必须以前一个课程为基础；课程实验从内容到形式都有很密切联系。为了让学生学习完这些课程后对计算机硬件结构有一个系统和感性的认识，我们在设计这三个实验时，首先设立了一个总的培养目标，每个课程组根据这个目标，结合本课程的内容和培养目标分阶段完成相关支撑的实验内容，并且这些实验可以采用一致的实验手段和平台。具体措施主要包括以下两方面内容：

(1) 对于每门具体的计算机硬件课程均设置8学时的课内实验，实验类型为独立的基础验证性。

(2) 硬件课程都有配套的专题实验，专题实验均为综合设计型。主干课程的实验为必修专题实验，其他小部分课程实验为选修专题实验。以工程项目设计实验为目标形成多个系列，同一系列实验间具有时间先后关系、支撑与被支撑关系。例如图1中的“数字逻辑”、“计算机组成原理”和“计算机系统结构”三门硬件课程就构成了一个主干的硬件实验系列。这三门课程的实验必须在内容上具有前后相关性，并采用基本一致的实验方法和平台。

2.3多样化的计算机硬件实验平台层次

在硬件开发平台的设计上兼顾不同层次人才的培养需要，综合本硕博各个阶段的不同需求，构建多层次的实验环境，提高实验效率，促进学生的创新思维，进行创新式构建实验。还要考虑对毕业设计的实验环境以及本科生创新性研究活动实验体系的支持，结合软件设计的方法和手段(即硬件设计软件化)构建灵活多样的硬件实验平台。此外，实验平台设计要具有层次性，并且考虑课程间内容交叉和互补。

从国外的发展趋势来看，计算机硬件课程的实验由传统的孤立的实验装置承担，发展到了由EDA和CPLD/FPGA仿真器联合承担的阶段。

传统的实验装置支持相对简单的连线类的实验，这类实验只能使用中小规模的集成电路器件。设计大规模的实验几乎是不可能的，因为大规模的实验用中小规模的芯片来实现费时、费力，且受面包板等空间和实验装置能提供的电源限制。

使用HDL语言，如AHDL、VHDL和Verilog等，通过EDA工具软件设计各种规模的数字电子系统是目前工程师的设计潮流。通过EDA和CPLD/FPGA仿真器能完成计算机硬件课程的各类实验。图2是我们设计实现的一款低成本综合实验装置，该装置使用了Xilinx公司Spartan-3系列FPGA芯片(40万门)，通过扩充板可以满足大部分的实验要求。

图2 一款综合实验装置的PCB的元器件布局示意图

2.4多层次的实验考核体制

实验的考核主要有以下几种形式。

(1) 实验过程的跟踪考核：改变传统的根据实验结果和报告打分的体制，对实验过程中的主要环节进行记录、评价，并作为最终成绩考核的依据。

(2) 实验报告撰写：实验结束后，要求学生撰写实验报告，以总结个人实验结果，明晰实验思路，实现知识的融合、升华和再学习。通过实验报告的撰写可以培养学生对科技活动的总结能力，科技论文的写作能力，使学生的科研素养得到初步锻炼。

(3) 实验答辩机制：对于综合设计型，特别是创新研究型实验，前两种考核机制存在明显的不足，因此需要引入新的机制来评价学生所做工作及取得的成绩。可通过学生讲解、演示，教师提问和回答，课程设计报告撰写三个步骤来进行考核。

参考文献

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