徐 翀 金洁洁 戴国骏 徐争前

杭州电子科技大学 浙江杭州 310018

基于远程网络平台的硬件实验教学模式的研究

徐 翀 金洁洁 戴国骏 徐争前

杭州电子科技大学 浙江杭州 310018

计算机硬件实验课程对培养学生的动手能力，创新思维能力有重要的意义。根据目前硬件实验教学的现状，提出了基于网络化硬件实验统一平台的新型实验教学模式，并对该模式进行了初步探讨。

硬件实验；远程网络；统一

计算机专业是实践性要求非常强的专业，高等学校的计算机教育不仅要让学生掌握扎实的理论基础，更要培养他们硬件和软件开发的能力。计算机硬件课程群由数字逻辑、计算机组成原理、计算机硬件系统结构、嵌入式系统、单片机原理等众多课程组成，硬件课程的理解和掌握，对学生进行硬件的开发和设计以及系统维护具有非常深远的影响，而实验课程是整个教学过程中的一个重要环节，它可以弥补课堂教学中实践少的缺陷，其教学目标在于激发学生的学习兴趣，提高动手能力，强化创新意识。笔者就目前硬件实验课教学普遍存在的问题，提出一种基于网络化硬件实验统一平台的新型实验教学模式，并对此做了分析和探讨。

1 硬件实验课程教学现状

1.1 学生难以实际操作

硬件实验课程对实验条件的要求比较高，需要专门的实验设备，如实验箱、示波器等，而且通常不能按学生比例配备这些实验仪器，一般都是几名学生一组做实验，这样使得学生实际动手的机会少。另外，目前的计算机硬件实验设备，集成化程度比较高，学生在实验中出现问题时，很难判断是接线问题还是IC组件的问题，调试难度较大，使学生认为硬件实验的直观性、可操作性比不上软件实验，进而失去了学习兴趣[1]。

1.2 实验模式限制了学生的创新性

硬件实验室由于其特殊性，平时一般不会向学生开放，学生只能在实验课上使用实验仪器，由于每门实验课的学时有限，学生通常只能完成一些验证型实验，而无法进行设计型或创新型的实验[2]。这种实验模式一方面限制了实验资源的共享和利用，另一方面不利于综合型、探究型和研究型实验的开展，对学生综合能力的提高有一定的影响。

1.3 硬件类实验课程的系统性较差

目前在高校教学中普遍存在课程之间联系不强的情况，学生只能看到一个个独立的计算机硬件，而无法从整体上理解硬件知识体系。硬件类课程通常都各自设有独立的实验课，所用实验仪器也是各自独立，实验相对单一，各门课程的实验设置缺乏连贯性、整体性，学生只能看到个别不够完整的计算机硬件系统，无法全面地了解计算机硬件系统的组成、结构和功能[3]。

1.4 实验室管理成本高，实验仪器耗损率高

学生在实验室做实验，就需要对实验场地、实验室管理人员配备提出很高的要求，实验电路是用电线和插座连接的，容易发生短路或者接触不良等状况，当电源接错时，甚至会出现元件爆裂烧坏等不良后果，而且由于学生对实验仪器的不熟悉，使得实验仪器的耗损率较高，学校不得不在实验仪器的更新中花费大量经费。

1.5 虚拟实验实时性差

目前，有很多硬件实验可以利用软件仿真来实现，但虚拟实验的实时性较差，不适用在实时性要求强的应用系统中，如在单片机实验中，有些虚拟实验的效果并不理想，另外，真实实验中出现的各种误差、元件出现故障等情况在虚拟实验中无法体会。

综上所述，如果硬件实验教学还停留在传统的实验教学模式和实验平台上，那么将在很大程度上限制学生的自主性、综合性、创新性能力的培养[4]。为了提高实验教学的质量，适应学科发展，使学生能由浅入深、全面系统地掌握计算机硬件课程知识体系，我们对实验教学模式进行了改革，为相关硬件类课程构建一个先进、统一的网络化实验平台，集实践性、先进性、开放性、创新性于一体，开创了以网络为媒介的新型硬件实验方式。

2 构建基于统一平台的硬件实验课程体系

计算机硬件类课程之间存在着密切的联系，目前有数字逻辑、汇编语言，计算机组成原理、接口与通讯、计算机体系结构、单片机等课程，其中主干课程为数字逻辑、计算机组成原理、计算机体系结构。其中数字逻辑为入门课，是整个硬件课程及实验的基础，学生需要完成组合逻辑和时序逻辑电路的设计，通过这些实验让学生掌握常用数字电路的分析与设计方法，为后续课程打下良好基础。计算机组成原理是基础课，介绍了计算机基本组成和工作原理，让学生认识整台计算机的硬件环境，掌握计算机硬件组成的分析方法和设计方法，建立计算机系统整机概念[5]。学生学习计算机各个部件、数据通路及简单整机的设计方法，通过实验模拟设计计算机各部件，设计一台完整的简单计算机，使学生了解计算机硬件的设计方法、过程，增加学生对计算机底层硬件的了解，训练学生的硬件动手设计能力。计算机体系结构则属于硬件课程体系中的提高层。根据各门课程的内容及特点，我们构建了纵三层横三级的实验课程体系结构(如图1所示)。

图1 硬件实验课程体系

在硬件类课程的实验设置上，一方面，重点突出课程之间的连贯性和系统性，摒弃以前各自为主、相互独立的状态，帮助学生建立起完善的硬件知识体系；另一方面，考虑到学生基础不同，掌握知识的程度不同，在具体课程实验设置时要满足不同程度的需要，既要让基础差的学生保持学习的兴趣，又要为优秀的学生提供发挥的空间。主要在以下几个方面进行了改革。

2.1 统一的实验平台

主干硬件类实验课程都使用统一的实验平台，该平台采用大规模集成电路FPGA为实验核心芯片，各门硬件类课程的实验均可在该实验芯片上进行，学生只需要一次学习，即可在多门课程上使用，从而减少了熟悉实验仪器的时间，可以把更多的精力投入到实验过程和实验设计上。

2.2 阶梯式实验设置

在具体课程的实验设置上，我们遵循由易到难、循序渐进的方式，设置了验证型、设计型和创新型实验，逐步引导学生从按部就班到自主设计。其中，验证型实验由于难度不大，即使是基础薄弱的学生，也能完成，从而大大增强其自信心；而对于优秀学生来说，挑战设计型和创新型实验更能提高自身的能力。

2.3 实验游戏化

针对学生爱玩的心理特点，我们对单门课程中的每个实验都进行打分，根据其完成时间、完成的正确率等规则来给出相应的分数，随着实验的逐个进行，分数可以不断累积。根据每位学生的分数情况进行排名；对于有些实验，我们借鉴游戏中通关方式，要求学生必须完成规定实验方可继续进行。通过这种游戏化的方式，使学生在玩中学、做中学，激发学生的学习兴趣，提高学习动力。

表1～表3是数字逻辑、计算机组成原理、计算机体系结构这3门课程的部分实验安排。

表1 数字逻辑实验

表2 计算机组成原理实验

表3 计算机体系结构实验

3 统一硬件实验平台网络化

针对目前存在的硬件实验设备配比不足，实验时间有限等现状，有些院校自制实验仪器，可供学生租借，但仪器数量有限，而且频繁租借后破损情况严重。因此，如何既能较好地管理和维护实验仪器，又能为学生提供方便的使用环境，成为迫切需要解决的问题。根据这一思路，我们将实验平台网络化，硬件实验平台设备统一放置在实验室，学生只要在个人电脑上安装相应的客户端软件，即可远程访问实验室里的实验仪器。这样，既节省了管理、维修的成本，又为学生提供了切实的便利，无论何时何地都可以通过网络进行硬件实验。

基于网络的硬件实验统一平台从总体来讲分为客户端和服务器端两部分。在服务器端，实验平台服务器通过USB接口与硬件实验设备相连；在客户端，学生通过PC机上的应用软件来操作并浏览实验过程，它与服务器通过因特网连接实现通讯。实验平台架构如图2所示。

图2 基于网络的平台架构图

通过网络化的实验平台，打破了时间和空间上的限制，学生可以充分利用课余时间，通过客户端软件登录到服务器上，即可实时操作服务器端的硬件实验设备，实时监控并显示实验过程和结果；学生在使用结束后退出软件系统，硬件实验设备就可以为其他学生提供服务，从而大大提高了设备的利用率；另外，该平台还可以对学生的登录情况、实验完成情况等进行记录，方便教师了解学生的实验情况、学习进度，合理、科学地评估每位学生。

4 基于网络统一平台实验模式的优势

4.1 提高了硬件实验的系统性

主干硬件课程实验均在同一个实验平台上进行，循序渐进地开展实验，从简单逻辑电路到时序逻辑，从部件设计到CPU设计，从单流水线到超线程设计，学生一步一步地从最初的数字逻辑电路设计开始，到可以自己设计一台计算机。

4.2 开辟了新的实验模式，提高课内实验质量

基于网络的实验平台，让学生能充分利用自己的业余时间，在有网络的地方就可以进行硬件实验，摒弃了以前做实验一定要去实验室的旧模式。同时，将硬件类课程实验平台一体化，学生无需在每门实验课程开始时熟悉不同的实验仪器，教师也可以从解决一些低级错误中解放出来，将更多的精力用于和学生沟通交流实验内容，提高学生对知识的掌握，为创新能力的培养提供条件。

4.3 减少实验器材的损耗，提高硬件实验室管理效率

学生做实验可以不再直接摆弄实验仪器，而是在PC机上通过网络完成，大大减少了实验器材的损耗情况；另外，实验设备集中管理，可以提高实验室管理员的管理效率，降低其管理和维护的成本。

5 结束语

基于网络的硬件实验教学模式，打破了传统的学生做实验必须去实验室的方式，解决了自制实验仪器带回寝室的弊端，并帮助学生构建起系统的硬件知识体系，提高学生学习硬件课程的兴趣，为动手能力和创新能力的培养提供了良好的基础。

[1] 全成斌,管晓培,李山山,等.计算机硬件实验统一平台设计[J].计算机教育,2008,18:3-5.

[2] 陈妍,王换招,伍卫国,等.高等学校计算机硬件实验教学体系改革研究与探讨[J].计算机教育,2008,8:125-127.

[3] 冯强.计算机硬件实验教学初探[J].科技信息,2009,28:212.

[4] 刘新平,郑秋梅,孙士明,等.计算机硬件课程群实验体系的改革与完善[J].计算机教育,2008,12:117-119.

[5] 李珍香,王红.立体化创新性的计算机硬件实验教学体系与模式研究[J].实验技术与管理,2009,26(10):104-106.

Research of hardware experiment teaching mode based on remote network

Xu Chong, Jin Jiejie, Dai Guojun, Xu Zhengqian
Hangzhou dianzi university, Hangzhou, 310018, China

Computer hardware lab course has important significance to cultivate students' practice ability and creative thinking ability. According to the current hardware lab teaching situation, this paper presents a novel lab teaching mode based on the unified network hardware experiment platform companied with some preliminary discussion.

hardware experiment; remote network; unif ed

2011-10-26

徐翀，硕士，讲师。金洁洁，硕士，讲师。戴国骏，博士，教授。

2011年杭州电子科技大学高教研究课题(编号：YB1126)；2011年浙江省教育技术研究规划课题(编号：JB121)。