文章編號(hào)：1672-5913(2011)17-0082-03 中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
　　摘 要：自主創(chuàng)新能力是國家競(jìng)爭(zhēng)力的核心，而實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新，關(guān)鍵在人才。如何培養(yǎng)具備基礎(chǔ)性思維和創(chuàng)新能力的適應(yīng)社會(huì)需要的計(jì)算機(jī)人才，是各高校面臨的重要問題之一。本文針對(duì)計(jì)算機(jī)硬件類課程群的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀介紹本校改革實(shí)踐情況，并提出一個(gè)目標(biāo)、兩條線路、三步走的改革方案，取得良好成效。
　　關(guān)鍵詞：創(chuàng)新；計(jì)算機(jī)硬件類；課程群；實(shí)驗(yàn)改革
　　基金項(xiàng)目：湖北省教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃立項(xiàng)課題“基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)硬件類課程群建設(shè)”(2008B116)的研究成果之一。
　　作者簡(jiǎn)介：葉雪軍，男，講師，主要從事數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的教學(xué)工作，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用。
　　培養(yǎng)應(yīng)用型本科生，要求各院校根據(jù)本科生的培養(yǎng)目標(biāo)、學(xué)院擁有的教學(xué)資源和社會(huì)對(duì)人才的需求來制定培養(yǎng)計(jì)劃，并給予可行的實(shí)施方案，并不要求所有學(xué)校千篇一律。各學(xué)校每年都在為如何在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)對(duì)計(jì)算學(xué)科如此眾多的知識(shí)域進(jìn)行取舍、整合，制定出一個(gè)契合培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)計(jì)劃而探索。
　　本課題在IEEE/ACM關(guān)于計(jì)算(Computing)學(xué)科本科教學(xué)參考計(jì)劃CC2005(Computing Curricula 2005)指導(dǎo)下，針對(duì)我國高校本科計(jì)算機(jī)專業(yè)建設(shè)的現(xiàn)狀，結(jié)合本校的實(shí)際情況，為了滿足當(dāng)前計(jì)算機(jī)專業(yè)發(fā)展的需要，培養(yǎng)“研究+實(shí)踐型”的面向一線的應(yīng)用型工程人員，提高學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，針對(duì)計(jì)算機(jī)硬件類課程群實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提出了一個(gè)目標(biāo)、兩條線路和三步走的建設(shè)目標(biāo)和設(shè)想，并在部分課程中取得一定成果。
　　1 國內(nèi)外大學(xué)相關(guān)課程的教學(xué)現(xiàn)狀
　　計(jì)算機(jī)硬件類課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)情況比較復(fù)雜，全國各高校的教學(xué)資源不同，師資水平不同，學(xué)校的重視程度不同，教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用也有很大不同。
　　從國外計(jì)算機(jī)硬件課程調(diào)查報(bào)告中可以看出，國外大學(xué)的計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)內(nèi)容從基本的MOS管、集成電路到整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及外圍接口電路，涵蓋了計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ)、模擬電路、數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、微機(jī)原理與接口技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)、EDA等課程內(nèi)容。硬件實(shí)驗(yàn)課程更強(qiáng)調(diào)的是仿真工具的使用，原理設(shè)計(jì)——模擬實(shí)現(xiàn)——最終實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)提供給學(xué)生的資料大部分是元器件生產(chǎn)廠家直接給的技術(shù)手冊(cè)，使學(xué)生更快地適應(yīng)實(shí)際工作或者實(shí)際研究。而最終實(shí)現(xiàn)的開發(fā)裝置多數(shù)采用自主性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，體積較小，學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，時(shí)間自由，只需要在教師規(guī)定的時(shí)間內(nèi)上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、參加答辯，就可以獲得實(shí)驗(yàn)成績(jī)。
　　國內(nèi)各高校近年來也很重視硬件課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，也在教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中使用大量常用的仿真軟件，如EWB、Protel、Matlab、Proteus等。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也各具特色，有的學(xué)校使用的是廠家提供的實(shí)驗(yàn)箱、有的學(xué)校是根據(jù)自己學(xué)校情況自主開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。開設(shè)的實(shí)驗(yàn)從驗(yàn)證型到設(shè)計(jì)型、從單個(gè)分散的實(shí)驗(yàn)到綜合設(shè)計(jì)，從落后原始的調(diào)試手段到可視化虛擬儀器在線測(cè)試。所以，在計(jì)算機(jī)專業(yè)的教材中，計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)教材很難找到合適的，許多高校根據(jù)自己的情況自主開發(fā)了適合學(xué)生需求的實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)，提高學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中找到成就感。
　　
　　2 課程群建設(shè)情況
　　計(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)踐教學(xué)屬于計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)的重要組成部分，核心課程包括計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ)、數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、單片機(jī)原理與接口技術(shù)、VHDL和計(jì)算機(jī)模塊設(shè)計(jì)、微機(jī)原理及接口技術(shù)、匯編語言、微機(jī)控制技術(shù)、嵌入式技術(shù)等課程[1]，這些課程具有理論性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣且與實(shí)踐聯(lián)系緊密等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論知識(shí)的驗(yàn)證與鞏固的重要環(huán)節(jié)，采用有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，通過正確引導(dǎo)，可以大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，為學(xué)生以后走上社會(huì)，從事信息科技領(lǐng)域工作打下良好的基礎(chǔ)[1]。
　　結(jié)合我校的實(shí)際情況，總結(jié)多年來計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的成果，我們提出了一個(gè)目標(biāo)、兩條線路、三步走的改革方案。
　　2.1 一個(gè)目標(biāo)
　　針對(duì)我校計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)對(duì)象的特點(diǎn)和人才市場(chǎng)的需求，我校的畢業(yè)生定位為“研究型+實(shí)踐型”的面向一線的應(yīng)用型工程人員，我們提出了培養(yǎng)“有思想、有能力，實(shí)踐、實(shí)用、實(shí)干”型人才的辦學(xué)目標(biāo)。而真正培養(yǎng)“兩有三實(shí)”人才，就是要努力做好實(shí)踐教學(xué)的每一個(gè)環(huán)節(jié)。實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的重要過程，要將實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、形式進(jìn)行改革，注意分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)，始終以分析型、應(yīng)用型的信息管理和信息技術(shù)人才培養(yǎng)為核心，制訂實(shí)驗(yàn)方案和計(jì)劃。
　　2.2 兩條線路
　　該課題根據(jù)電子電路設(shè)計(jì)的兩種方式，確定了計(jì)算機(jī)硬件類課程群改革的兩條線路。
　　一條線路采用“軟碰硬”的實(shí)驗(yàn)方式，在計(jì)算機(jī)上調(diào)用元器件庫、連線畫圖、編制激勵(lì)信號(hào)文件，確定跟蹤點(diǎn)、調(diào)用參數(shù)庫及模擬程序等“軟”的手段去設(shè)計(jì)“硬”電路。即采用虛擬仿真的方式，不同的課程采用合適的仿真軟件，通過仿真實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解單元電路的工作原理和工作過程。
　　另一條線路采用“硬碰硬”的實(shí)驗(yàn)方式，即用元件、導(dǎo)線、集成塊、印刷板、焊錫、烙鐵、電源、信號(hào)源、示波器等“硬”的條件去設(shè)計(jì)一個(gè)新的“硬”電路。采用硬件的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力。
　　兩條線路貫穿整個(gè)計(jì)算機(jī)硬件類課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，虛實(shí)結(jié)合，相輔相成，相得益彰，又各有優(yōu)勢(shì)。
　　2.3 三步走
　　該課題研究的重點(diǎn)是如何優(yōu)化計(jì)算機(jī)硬件課程的實(shí)驗(yàn)資源，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。對(duì)計(jì)算機(jī)硬件類課程群的改革分為三步走。
　　第一步，基于EDA計(jì)算機(jī)硬件類課程群實(shí)驗(yàn)體系的改革。在數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用兩種模式的實(shí)驗(yàn)，軟硬結(jié)合，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，提高他們學(xué)習(xí)硬件的興趣，為后續(xù)課程打下良好的基礎(chǔ)。
　　第二步，基于Proteus+Keil的系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)的探索。在單片機(jī)、微機(jī)原理、嵌入式技術(shù)等課程中采用Proteus+Keil的虛擬仿真平臺(tái)，有效提高學(xué)生硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件編程和軟硬件聯(lián)調(diào)的能力，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，滿足學(xué)生的創(chuàng)新需求，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾。
　　第三步，基于SoC的自主性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究和實(shí)踐。自主開發(fā)便攜式實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)，學(xué)生可以從低年級(jí)開始，在技能訓(xùn)練中自己組裝焊接該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，一方面掌握電工焊接的基本技能，學(xué)習(xí)如何選擇器件、如何計(jì)算成本、如何制作PCB、如何焊接，另一方面可以了解該平臺(tái)的電路和基本原理，了解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計(jì)思路，掌握Proteus仿真軟件的使用。在學(xué)習(xí)了微機(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)等相關(guān)課程后，學(xué)生就可以在自己的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成和課程有關(guān)的一些基本驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)對(duì)課程知識(shí)的理解和掌握。在學(xué)習(xí)完微機(jī)控制技術(shù)等專業(yè)課程后，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生完成較復(fù)雜的綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，或者結(jié)合畢業(yè)論文自己找項(xiàng)目，書寫項(xiàng)目書，自主研發(fā)完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
　　3 課程群教學(xué)改革實(shí)踐
　　我校學(xué)生計(jì)算機(jī)硬件類課程的實(shí)驗(yàn)有多種模式，通過多年的實(shí)踐改革，部分課程已經(jīng)取得了預(yù)期成果。
　　數(shù)字邏輯課程改革后采用虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際制作相結(jié)合、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)相結(jié)合、傳統(tǒng)面包板和現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)箱相結(jié)合的方式，并大膽實(shí)施分級(jí)教學(xué)，大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)硬件的興趣，取得很好的效果。
　　計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)現(xiàn)兩種模式的課程實(shí)驗(yàn)。一種是采用傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方式，部件和整機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基本上是在實(shí)驗(yàn)室特定的硬件平臺(tái)上進(jìn)行的；另一種是采用EDA的方式，采用可編程邏輯器件，可以通過設(shè)計(jì)芯片來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，從而有效地增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性，提高了工作效率，并能夠縮小系統(tǒng)體積，降低能耗，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。經(jīng)過比較和研究后，結(jié)合我院學(xué)生的基本情況，將兩種方法結(jié)合，單元實(shí)驗(yàn)采用第一種方式設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部件，學(xué)生可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)電路幫助理解部件功能和工作原理，綜合實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)采用EDA的方式實(shí)現(xiàn)部件和整機(jī)的設(shè)計(jì)，給學(xué)生提供很大的設(shè)計(jì)空間。這種方式可以作為學(xué)生課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本研究方式，進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計(jì)等[2]。
　　
　　單片機(jī)原理與接口技術(shù)、微機(jī)原理與接口技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)等課程引入Proteus+Keil平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)仿真。利用Proteus 和Keil 聯(lián)調(diào)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真在Proteus 軟件中繪制電路圖，并進(jìn)行硬件電路調(diào)試，通過軟件中的虛擬儀器在Keil 軟件中選擇單片機(jī)型號(hào)，用匯編語言或C語言編寫程序并完成軟件的語法調(diào)試。在這個(gè)平臺(tái)上，學(xué)生不僅能夠獨(dú)立完成單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，還可以完成如溫度報(bào)警系統(tǒng)、萬年歷顯示系統(tǒng)等綜合設(shè)計(jì)。
　　仿真實(shí)驗(yàn)只是學(xué)生感觸系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的一個(gè)環(huán)節(jié)，更重要的是硬件開發(fā)平臺(tái)使用、程序設(shè)計(jì)和調(diào)試。如何將先進(jìn)的仿真工具引入教學(xué)，如何設(shè)計(jì)和使用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，虛實(shí)結(jié)合，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，提高學(xué)生的研究能力，使學(xué)生能更快地適應(yīng)實(shí)際工作或者實(shí)際研究，需要教師們認(rèn)真思考。當(dāng)前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)都是使用實(shí)驗(yàn)箱完成的，學(xué)生受到時(shí)間、地域以及實(shí)驗(yàn)箱的限制，無法自主創(chuàng)新。
　　該課題實(shí)現(xiàn)了基于SoC的自主性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，方便學(xué)生自主設(shè)計(jì)，擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的內(nèi)核芯片C8051F005為美國Silicon Labs公司生產(chǎn)的系列混合信號(hào)系統(tǒng)芯片(SoC)中的一種，該芯片的CPU構(gòu)架為8051內(nèi)核，集成了功能強(qiáng)大的可編程和可重配置的數(shù)字和模擬外設(shè)，在近年來的工業(yè)產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)具有可編程放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、可編程電流源、微控制器內(nèi)核及豐富的外圍設(shè)備等電路模塊，各電路模塊之間可重編程和重配置。其功能如下。
　　1) 1路1mA的恒流輸出，用于驅(qū)動(dòng)傳感器電路。
　　2) 1路4~20mA的電流輸出，用于構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。
　　3) 1路0~5V的電壓信號(hào)輸出，用于構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。
　　4) 1路4~20mA的電流輸入，用于采集現(xiàn)場(chǎng)儀表的電流信號(hào)。
　　5) 2路電壓采集輸入(0~2.4V)，可擴(kuò)充至6路電壓輸入。
　　6) 1路板載溫度傳感器，可用于熱電偶等測(cè)量電路的冷端補(bǔ)償。
　　7) 1路電壓比較器，可擴(kuò)充至2路比較器。
　　8) 2路繼電器輸出，額定電壓30V，額定電流1A。
　　9) 2路光電隔離輸出，額定電壓16V，額定電流50mA。
　　10) 2路光電隔離輸入。
　　11) RS485通信接口。
　　12) 4位LED數(shù)碼顯示管。
　　13) 4按鍵輸入。
　　14)板載系統(tǒng)時(shí)鐘24MHz，可使用片上時(shí)鐘，2-16MHz可調(diào)。
　　15) JTAG接口，支持在系統(tǒng)編程與調(diào)試。
　　該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有基本的硬件平臺(tái)和軟件模塊，用于學(xué)生在課內(nèi)課外開展自主性實(shí)驗(yàn)。由于SoC系統(tǒng)具有可重配置和重編程的特性，系統(tǒng)靈活性很強(qiáng)，學(xué)生可利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本軟硬件模塊完成設(shè)計(jì)目標(biāo)。學(xué)生可選擇某一感興趣的課題完成實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中經(jīng)歷控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)到在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的整個(gè)過程，既要了解實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件構(gòu)成，又要針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行軟件編程，基本等于完成了一個(gè)工程實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其自主性和創(chuàng)新性得到充分發(fā)揮。學(xué)生在該平臺(tái)上既可以做基礎(chǔ)的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，也可以做課程設(shè)計(jì)或者畢業(yè)設(shè)計(jì)等。
　　4 結(jié)語
　　計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件類課程群實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是一個(gè)長(zhǎng)期的過程。如何訓(xùn)練學(xué)生的思考能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力？改善實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，使用虛擬實(shí)驗(yàn)工具、自主性實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)，既能夠達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，又能夠節(jié)省實(shí)驗(yàn)資源，還可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鼓勵(lì)優(yōu)秀學(xué)生充分發(fā)揮想象力，去設(shè)計(jì)與實(shí)際生活工作有關(guān)的項(xiàng)目。我們將不斷完善實(shí)踐教學(xué)體系，在實(shí)踐中探索、改革、提高，以培養(yǎng)出更多適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的綜合型人才[3]。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1] 教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì). 高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)公共核心知識(shí)體系與課程[M]. 北京:清華大學(xué)