摘要：結(jié)合計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)和情況，從環(huán)境建設(shè)、考核方式以及教學(xué)體系構(gòu)建等多方面，介紹計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)的教學(xué)理念，提出互動式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新方案，為后續(xù)計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供研究路線和參考內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)硬件；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；創(chuàng)新人才；教學(xué)改革

文章編號：1672-5913（2013）03-0046-04

中圖分類號：G642

0 引言

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)主要面向軟件工程、信息安全等專業(yè)開設(shè)，它是計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中最為重要的教學(xué)內(nèi)容之一。通過計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以掌握計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)等多方面的技能。學(xué)生利用VHDL以及波形圖等對實(shí)驗(yàn)結(jié)果和中間環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證，可以訓(xùn)練自身對計(jì)算機(jī)底層技術(shù)的創(chuàng)新技能，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)。

隨著電子設(shè)計(jì)自動化（EDA）和可編程邏輯器件（PLD）技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)外高校普遍采用硬件描述語言進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行功能仿真，最后下載到編程邏輯器件中進(jìn)行測試。哈爾濱工程大學(xué)于2005年在黑龍江省率先引進(jìn)了單片大規(guī)模FPGA來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這種方法將使實(shí)驗(yàn)過程從“驗(yàn)證為主”轉(zhuǎn)變到以“設(shè)計(jì)為主”，有助于提高學(xué)生的硬件設(shè)計(jì)能力。

目前，計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)的突出特點(diǎn)是仿真實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)過于復(fù)雜。從編程到測試，再到實(shí)時測試的過程過于繁瑣，學(xué)生不易掌握。教師往往需要花費(fèi)大量的課時，講解QUARTS軟件的基本使用方法以及FPGA實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)原理，這就大大降低了計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

互動式計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)將主要研究如何通過多媒體教學(xué)手段以及教師學(xué)生互動交流等方式，使學(xué)生在脫離實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下，快速掌握軟件系統(tǒng)及硬件平臺的使用技巧，提高計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生培養(yǎng)效果。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀、水平與發(fā)展趨勢

目前，歐美發(fā)達(dá)國家的理工科大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)普遍重視硬件類課程實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生必須掌握一種硬件描述語言，會使用先進(jìn)的EDA工具進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和測試。美國、日本、新加坡等國早在20世紀(jì)90年代初期，就開展了有關(guān)互動式輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究。利用多媒體、教師個人網(wǎng)站等多種電子交互手段，提高教師知識傳授和學(xué)生間技術(shù)交流的效果，達(dá)到課內(nèi)外同步教學(xué)的目標(biāo)。

互動式實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要解決大量基礎(chǔ)知識的講授以及基本技能問題驗(yàn)證占用有限課時的問題，目的是有效降低教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。日本、韓國在互動硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)上具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，在多所高等學(xué)校進(jìn)行推廣，如日本北海道大學(xué)、韓國釜山大學(xué)等均建有獨(dú)立的互動實(shí)驗(yàn)門戶或交互系統(tǒng)。

我國的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展相對較晚，近年來，隨著大批實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)以及高校對實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革與研究的逐步重視，包括清華大學(xué)、北京大學(xué)、上海交通大學(xué)在內(nèi)的許多高校都陸續(xù)開展了對互動式實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的研究。目前我們將重點(diǎn)闡述如何通過互動實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，縮短學(xué)生理解基礎(chǔ)知識、熟悉設(shè)備使用的時間，最終獲得理想的教學(xué)效果。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

2.1計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)的重要性

嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，因其軟硬件可裁減，已受到歐美發(fā)達(dá)國家的廣泛關(guān)注。哈爾濱工程大學(xué)依據(jù)當(dāng)今國際電子設(shè)計(jì)業(yè)對人才培養(yǎng)能力的普遍認(rèn)同標(biāo)準(zhǔn)，集中強(qiáng)化學(xué)生嵌入式開發(fā)技術(shù)技能的培養(yǎng)。

為此，我們?yōu)橛?jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及相關(guān)專業(yè)勾畫了以數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)為終結(jié)的，包含計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)部件實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)為一體的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程群。要求本科生從大學(xué)第四學(xué)期到第七學(xué)期硬件實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不斷線、銜接連貫、層次提高；強(qiáng)調(diào)各門課程明確分工、分層次培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立組織硬件實(shí)驗(yàn)的能力、軟件仿真驗(yàn)證能力和測量儀器使用能力。

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)是該課程群針對軟件工程、信息安全等專業(yè)設(shè)置的，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊緊圍繞計(jì)算機(jī)組成原理，兼顧VHDL描述語言、數(shù)字邏輯有關(guān)組合、時序邏輯電路的有關(guān)知識；每個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是一個獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)單元，可進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)和測試，同時，所有的實(shí)驗(yàn)單元又能夠組成一個有機(jī)的整體，完成一個基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

基于上述原因，哈爾濱工程大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心（下簡稱“實(shí)驗(yàn)中心”）選用GW-48系列SOPC/EDA實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)完成一系列基本單元實(shí)驗(yàn)和模型計(jì)算機(jī)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，掌握計(jì)算機(jī)各個部件的功能和設(shè)計(jì)方法，也更加直觀地掌握計(jì)算機(jī)各主要部件的工作原理。實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)不但使學(xué)生更加深刻地理解了計(jì)算機(jī)組成原理理論知識，而且還能使他們在VHDL語言、EDA軟件工具和FPGA的應(yīng)用方面獲得大量實(shí)用的技術(shù)。

2.2“三化結(jié)合，四個并舉”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念

“三化結(jié)合”的教學(xué)理念：構(gòu)建軟硬件一體化實(shí)驗(yàn)環(huán)境有利于培養(yǎng)學(xué)生軟硬件綜合素質(zhì)，實(shí)驗(yàn)平臺綜合化有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容系統(tǒng)化有利于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)思想和能力，為較好地實(shí)現(xiàn)“理論教學(xué)注重基礎(chǔ)，實(shí)踐教學(xué)注重能力，創(chuàng)新教學(xué)注重個性”的目標(biāo)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

四個并舉的教學(xué)理念：

1）工學(xué)并舉。

工程教育與經(jīng)濟(jì)建設(shè)相結(jié)合，按照工程教育專業(yè)認(rèn)證要求調(diào)整實(shí)踐育人目標(biāo)；按照卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃建立面向校企合作的實(shí)踐育人體系。

理論教學(xué)與工程實(shí)踐相結(jié)合，修訂2009版人才培養(yǎng)方案，加強(qiáng)理論課程與實(shí)踐課程內(nèi)容的相互融合，打造科學(xué)合理的實(shí)踐育人平臺。

科學(xué)研究與社會服務(wù)相結(jié)合，以ACM人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)班為依托，培養(yǎng)拔尖人才，打通進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)研究模式；提高科技創(chuàng)新普及率，增加學(xué)生接觸社會、服務(wù)社會的鍛煉機(jī)會，提高社會實(shí)踐能力。

開辟提高實(shí)踐教學(xué)辦學(xué)水平、推動區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的“三結(jié)合”辦學(xué)道路。

2）點(diǎn)面并舉。

以數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)驗(yàn)分為三個階段：①組合邏輯實(shí)驗(yàn)階段采用虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境與現(xiàn)場器件驗(yàn)證操作相結(jié)合方式；②時序邏輯實(shí)驗(yàn)階段采用實(shí)際器件操作與理論研究相結(jié)合方式；③創(chuàng)新設(shè)計(jì)階段采用自主設(shè)計(jì)與教師指導(dǎo)相結(jié)合方式。不同的實(shí)驗(yàn)類型和階段，采用不同的授課方式和教學(xué)設(shè)備資源。

3）教研并舉。

將科研資源有機(jī)融合，科研實(shí)驗(yàn)室、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室全部面向?qū)W生開放，遴選科研團(tuán)隊(duì)教師納入兼職教師序列，研究生助教充實(shí)教學(xué)輔助力量，科研方向助力推動科技創(chuàng)新，提高學(xué)生的科學(xué)研究水平；積極開展面向教學(xué)輔助系統(tǒng)的科學(xué)研究，開設(shè)MATLAB等科研工具與科研方法的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，鼓勵學(xué)生參與科研實(shí)踐，使學(xué)生了解科技最新發(fā)展，提升學(xué)生科學(xué)研究和科技創(chuàng)新的能力。夯實(shí)教師隊(duì)伍和教學(xué)質(zhì)量工程建設(shè)，教學(xué)科研相互促進(jìn)，共同推動實(shí)踐教學(xué)發(fā)展。

做到“教學(xué)-科研-創(chuàng)新-服務(wù)”一線牽，從教學(xué)中發(fā)現(xiàn)問題，并凝練問題；在創(chuàng)新中探索問題，并剖析問題；以科研來處理問題，并解決問題；由服務(wù)來普及“問題”，并消除“問題”。

4）建改并舉。

以軟件工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程和信息安全四個專業(yè)為依托，分別建設(shè)國家工程實(shí)踐教育中心、實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地、工程師培養(yǎng)基地、校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地等。

加大計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)力度，特別是文化平臺的建設(shè)，設(shè)立圖靈文化長廊、計(jì)算機(jī)歷史展廳、計(jì)算機(jī)技術(shù)展廳以及實(shí)驗(yàn)中心宣傳展廳，強(qiáng)調(diào)“格物窮理、知行合一”的辦學(xué)思想。

面向軟硬件實(shí)驗(yàn)課程，開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，開展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)開放系統(tǒng)建設(shè)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)與實(shí)踐課程建設(shè)。

面向創(chuàng)新實(shí)踐活動及教學(xué)，與科研密切聯(lián)系，結(jié)合科研方向，依托計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程兩個一級學(xué)科，設(shè)立集成科研團(tuán)隊(duì)技術(shù)優(yōu)勢的創(chuàng)新平臺，即物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新平臺、網(wǎng)絡(luò)與信息安全創(chuàng)新平臺、機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新平臺、軟件工程創(chuàng)新平臺和ACM/ICPC創(chuàng)新平臺。

2.3計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

由于計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)主要面向計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)以外專業(yè)開設(shè)，參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生絕大多數(shù)未學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯等基礎(chǔ)課程。為此，按照計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程群的整體安排，考慮到知識點(diǎn)的傳承，我們制定了由邏輯電路到重要部件，最終回歸基本模型機(jī)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路。具體內(nèi)容見表1。

3 互動式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3.1互動式實(shí)驗(yàn)考核方式

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方法的多樣性決定了考核方式的多樣化，考核方式應(yīng)能真實(shí)地反映學(xué)生的理論水平和實(shí)驗(yàn)技能水平。為此，課程組提出了“3+5+2互動式實(shí)驗(yàn)成績考核方式”。其突出特點(diǎn)在于將“生寫師查、生做師察、生疑師答”三種交互方式貫穿于整個實(shí)驗(yàn)考核過程中。

1）生寫師查。突出預(yù)習(xí)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用，預(yù)習(xí)成績占總成績的30%，預(yù)習(xí)報告是學(xué)生對于教師所教授理論知識理解和掌握程度的直觀體現(xiàn)。教師查看預(yù)習(xí)報告，有針對性地指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，從而提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

2）生做師察。實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)收集是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的中心環(huán)節(jié)，占總成績的50%。教師通過現(xiàn)場觀察和抽查的方式，對學(xué)生的動手能力進(jìn)行全面考核，包括：①是否遵守實(shí)驗(yàn)規(guī)則；②設(shè)計(jì)能力；③分析、解決問題能力；④對理論設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)能力等。

3）生疑師答。實(shí)驗(yàn)報告是實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果的總結(jié)，它反映了學(xué)生對科學(xué)實(shí)驗(yàn)的概括總結(jié)能力，占總成績的20%。對于學(xué)生的疑惑和操作難題，教師有必要進(jìn)行針對性解答和輔導(dǎo)。

上述多角度的師生互動方式，考核了學(xué)生的真實(shí)水平，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整體質(zhì)量，達(dá)到了實(shí)踐創(chuàng)新的培養(yǎng)目標(biāo)。

3.2互動式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

互動式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)是：①減輕教師繁重的教學(xué)指導(dǎo)任務(wù)，提高師生互動頻率和次數(shù)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量；②降低設(shè)備使用的冗余時間，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的靈活性和創(chuàng)新型，實(shí)現(xiàn)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)。由此，互動式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺應(yīng)運(yùn)而生。

互動式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺是以虛擬現(xiàn)實(shí)為技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程建立起來的，以加強(qiáng)師生互動、挖掘?qū)W生創(chuàng)新潛能、節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)為目的。教學(xué)平臺依托于校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源不足、實(shí)驗(yàn)室開放與日常學(xué)習(xí)任務(wù)沖突等問題，實(shí)現(xiàn)最大負(fù)荷情況下的多人數(shù)在線虛擬實(shí)驗(yàn)。

互動式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺內(nèi)部運(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖l所示。該教學(xué)平臺不受場地和教學(xué)課時限制，學(xué)生可根據(jù)自身基礎(chǔ)，完成任何基于虛擬元器件的邏輯電路，并在FPGA平臺上給予實(shí)現(xiàn)。借助于該教學(xué)平臺，教師能夠靈活考查學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)原理的掌握程度、實(shí)驗(yàn)操作的熟練程度以及技術(shù)創(chuàng)新的拓展程度。

3.3互動式實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革反饋

為了檢驗(yàn)互動式計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革效果，實(shí)驗(yàn)中心對全校159名學(xué)生進(jìn)行了“互動式計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果”調(diào)查問卷。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，89.5%的學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)完全理解了相關(guān)理論知識；91.2%的學(xué)生可以熟練運(yùn)用有關(guān)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，92.6%的學(xué)生能獨(dú)立完成或在教師提示下完成應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，96.2%的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)對考研或就業(yè)有較大幫助；94.3%的學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，認(rèn)為教學(xué)內(nèi)容和課程設(shè)置合理，能滿足需求。很多學(xué)生反映新修訂的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容注重能力培養(yǎng)，加強(qiáng)了老師與學(xué)生的溝通，特別是增強(qiáng)了對創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，使其終生受益。

4 結(jié)語

互動式計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革對于培養(yǎng)高素質(zhì)人才、創(chuàng)建一流的研究型大學(xué)至關(guān)重要。計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的出發(fā)點(diǎn)是為了提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，主要體現(xiàn)在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，提高實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、語言表達(dá)能力等方面。實(shí)驗(yàn)中心以嵌入式技術(shù)為核心，建立了符合“三化結(jié)合”和“四個并舉”的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，目前已經(jīng)進(jìn)行了三輪的教學(xué)實(shí)踐，效果良好?；邮匠煽冊u價手段以及虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，推動了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的不斷翻新和改進(jìn)，提高了教師自身的業(yè)務(wù)素質(zhì)和學(xué)習(xí)熱情，對于計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)起到了很好的推動作用。

（編輯：彭遠(yuǎn)紅）