叶海燕夏明珠

（1 巢湖学院，安徽 巢湖 238000）

（2 合肥市委党校，安徽 合肥 230000）

计算机专业硬件课程教学方法研究
——虚拟实验平台可行性分析

叶海燕1夏明珠2

（1 巢湖学院，安徽 巢湖 238000）

（2 合肥市委党校，安徽 合肥 230000）

通过对硬件课程教学方法的研究，从提高学生的逻辑思维能力、编程实践能力和软硬件设计开发能力等专业综合素质方面入手，培养其创新意识和能力，从而达到课程教学质量的提升。文章从不同角度探讨学习计算机硬件课程的局限性以及解决办法，给出一种使用虚拟仪器实验平台的教改方法，让学生将设计的理论性系统以实验的形式展现出来，完成对知识更好的理解和适当的更新。

硬件课程；虚拟仪器；直观；体系

1 引言

作为一名教育工作者，综合计算机专业学生学习状况，发现学生对于软硬件课程的不同关注度亟待解决。考量到综合能力和就业方面，因此必须要让学生从“要我学”变成“我要学”，这就需要学生提高学习热情，对课程产生兴趣。通过对硬件课程教学方法的研究，以提高学生的逻辑思维能力、编程实践能力和软硬件设计开发能力等专业综合素质，培养其创新意识和能力，从而达到课程教学质量的提升。从学生角度来看，要让每一个学生喜欢本课程，培养学生在各专业领域中应用计算机解决问题的意识和能力，为所学专业服务。从课程建设角度来看，树立高水平的教学理念、组织合理的教学内容，以“重实践、强能力、求创新”为目标进行课程教学改革与实践。从教学方法来看，让学生通过虚拟实验平台完成对于所学课程的综合运用，从而为后续的计算机系统的硬件设计与实现打下基础。

2 存在问题

目前硬件课程在教学中主要存在以下问题：

2.1 课程内容抽象难理解

《计算机组成原理》及《微机原理与接口》等硬件课程不仅可使学生从底层剖析电子数字计算机的基本组成和工作原理，掌握计算机系统的基本设计技术，而且可以培养学生分析和解决数字系统实际问题的能力，是培养计算机系统分析、系统设计和系统集成技术人员的一个有效的教育环节，从而打破学生对计算机的神秘感。随着计算机技术和电子技术的飞速发展，计算机内部结构日趋复杂和庞大而且高度集成化，这使学生普遍感到硬件课程难学、难懂、概念抽象、感性认识差，教师在教学中使用传统的教学方法和教学手段很难实现教学目标。

2.2 教学手段陈旧

必须改革课程教学，以《计算机组成原理》课程以及其他硬件课程为体系，整体地了解计算机系统的软硬件资源，辅以开发与研究，从而从根本上解决计算机专业学生对于硬件课程学习能力的短缺。提高这些课程的教学效果和教学效率，使它跟上计算机技术的发展，是我们当前亟待解决的问题。

2.3 教学大纲过于统一

课时安排以及上课内容方面，有很大的局限性。有些章节和内容可以适当地进行调整和修改，方便学生对于这个教学体系的知识全面了解。教材在编排的时候是大范围的综合考虑，未必适应所有使用课程的学校，如果一味的照搬，没有自己的特色，教学效果较差，学生该学的没全懂，提高的又模棱两可，这样不利于学生对于知识的掌握。

2.4 学生学习兴趣不浓

硬件课程相对于软件内容而言，我们不能直接通过已有的编程方法和模型直接套用。在学习过程中，学生就是直接把书上的理论知识进行机械化的验证，偶有综合性设计性试验也是脱离实际，不具有代表意义。学生无法有自己的主观创造性，因此学习兴趣不浓。

3 教改方法

经过对课程体系的教改探索，要达到培养学生具有扎实的理论基础和良好的实践动手能力的教学目的，我们将从以下几个方面进行教学方法的改革：

3.1 合理安排教学内容

突出重难点，以实例带动理论知识的学习。自然科学之所以能够吸引学生，主要原因就在于实验验证。适当地调整教学内容能更有助于学生对课程的理解，下面以微机原理课程为例。

第一，周明德版的教材在讲授时，可将第五章的时序和总线内容调整到第二章8086结构之后，在了解了8086处理器的结构之后，再来了解它的基本工作模式，以及在不同工作模式下各个引脚的工作状态和功能，这样不仅仅能够更好地理解结构，还可以通过对工作时序的了解，更好地理解指令在处理器中的工作流程。

第二，指令系统中将指令分成算术运算、输入输出指令和串指令等，笔者认为可以适当调整，将所有是传送实质的指令放在一起，这样学生可以通过了解mov指令，知道xchg是交换指令，可以在哪些寄存器和存储器内部完成交换；知道xlat也是交换，不过是将有效地址跟当前数据所在地址进行交换。

第三，将算术运算指令中sub减法指令和CMP比较指令放在一起，了解他们的实质是一样完成相减，只是CMP指令只关注相减的过程，不需要将目的操作数放到存储器中，通常和转移指令在一起操作完成比较的目的。

第四，将标志寄存器的各个标志位的介绍和条件转移指令放在一起，因为条件转移指令就是通过对于各个标志位的变化结果来判断是否完成转移。

这样的例子还有许多，但都是基于学生能更好地理解课程内容作为出发点来对课本上的原本章节进行适当调整。

3.2 充分利用多种教学手段

课程中很多工作过程都发生在芯片内部，很抽象，而且电路图、时序图也非常多。为了提高课堂教学效果，如果单纯通过PPT中的文档和静态图解进行教学，学生很难理解，我们需要遵循“少文多图，动比静好”的设计思想[1-3]。利用计算机动态演示课程中各部件的数据流、控制流以及工作时序等信息把高度抽象的知识直观显示出来（图1）就是从实际执行过程的动画演示来加深学生对于指令的理解，其较强的刺激作用有助于学生理解概念的本质属性，促进学生知识的建构。使用Flash制作指令的执行流程、流水线的工作过程以及指令在计算机内部执行过程等相关动画，不仅色彩丰富，而且动感十足，更有效地帮助学生学习该课程。

图1 in指令执行过程动画演示

3.3 构建虚拟实验平台

3.3.1 平台构建的意义与可行性分析

第一，理论知识需要实验课程进行验证才能为学生所理解，硬件课程不同于软件课程，软件的实践练习中，很多都是以编辑程序、调试、测试为主，可以很直接的找到可能的错误。而硬件课程像个魔术师，一个没有生命的电子元件，通过我们在实验箱中帮它加胳膊装腿[4-6]，从而成为有实际用途的设备。在这个过程中的错误纠查就要求学生对于原理及装置本身有一定的熟悉程度，因此硬件课程的实验学习中应多开设综合性设计性实验。放眼其专业必修课程中硬件课程，虽然都有实验课程，但是实验课程是单一模块，每一门课程的实验仅仅只是对于该课程的理论知识验证或者适当的提高就叫做设计，但是综合才是真正的设计，跟生活结合才是有用的设计，没有主观能动性，自然学习效果不好。因此需要一个硬件学习平台。

第二，加强各个课程之间的联系，以体系的形式完成对于硬件课程的整体统筹学习。硬件是系统的骨架，在学习硬件课程时，我们应该有“医生”的敏锐触觉，使每个硬件在其合适的位置，相辅相成。这一点，笔者在《计算机组成原理实验方法的研究和改进》教学研究项目中有过研究和实现。比如加入传感器模块，加入模数转换模块等方法。就像一个艺术家给呆板的画作加上灵动的眼睛，像设计师给贫瘠的屋子加入生活的气息。虽然是计算机专业，但是其实我们学习的硬件课程并不少，如果可以将所学的课程，联接起来学习效果会更好。计算机组成原理主要涉及的是计算机CPU内部的工作原理、工作方法、总线、内存等。而微机接口是在其基础上，更深层次的挖掘，让学生不仅仅了解基本原理，还加上其他的接口，这样就和其余设备联接起来，各个设备直接显示如何工作、时序，以及中断服务等等，这样说来，一个基本系统所需要的基础知识，再辅以之前所学的电路、模电等内容，让学生从信号采集和信号预处理上有一定的理论基础。这样我们就可以构建一个雏形[4]。教学，教是主动，学为被动。但是不管是主动的教还是被动的学，都需要有所依。如果完全由教师在课堂上将这些课程拉成一个体系，纯粹的纸上谈兵，无法收到好的效果。因此一个能够满足上述要求的，可以为多个课程综合应用的实验平台就亟待产生。

因此需要以虚拟仿真技术为手段，各个硬件课程为基础，建立虚拟实验平台，完成多个课程的综合化实验验证及设计就是最好的教学改进。[6]

3.3.2 平台描述

通过虚拟仪器建立虚拟工作平台，让学生可以通过添加元器件等等，完成整个系统。实验箱中的CPLD可编程模块，通过EDA电子设计，设计出一个个性化的CPU工作状态。配合微机接口的内容，加入一些其他的设备，了解其工作状态。辅以传感器以及基本信号处理再通过虚拟仪器，在虚拟平台将设想实际操作，这样学生可以真正了解硬件课程学习的实际意义。也可以培养学生的创新力，并且将所学知识系统化、体系化，更有益于对于知识的掌握。基于以上考虑，所构建的平台的基本模块和功能如图2所示。

图2 平台组成示意图

该平台使用动态网页技术、数据库技术、多媒体技术和虚拟仪器技术等，选择了适合的技术方案[4]。根据课程整体设计原则，结合虚拟仪器的实验要求，设计了整体框架和功能模块，将系统划分为6个主要模块：虚拟仪器技术、LabVIEW、HPVEE、虚拟仪器中心（虚拟仪器实验室）。

3.3.3 知识储备和实践能力锻炼

在学习前导课程时需要将虚拟仪器和计算机仿真课程的内容进行渗透。这个问题不仅仅需要教师的努力也需要学生的配合，可以适当地让学生了解，我们最后需要通过这些知识做出自己想要的虚拟系统。解决学生学习积极性，需要我们在大纲要求以及课程设置上有适当调整。

在学习计算机组成原理和微机接口等核心课程时，在实验环节中不是局限于课程本身，或者囿于理论知识的实际操作，而应该抽身出来，从全局来让学生了解课程设立的初衷，和可能会达到的效果。并在实验课程中适当地加入系统其他组成部件的实际操作，比如传感模块和模数转换模块的加入。

4 结语及展望

以上的教改方案主要从理论层面——大纲和教学内容修改、操作层面——教学方法改进、实用层面——虚拟实验平台建立等几个方面进行了探讨，如果确实能在学习的各个环节中认真执行，教学效果必然会得到大幅度提高。教改方案仅仅是启明灯，更重要的是实施，尤其是虚拟平台在实施过程中需要做一些准备，其中重点是在虚拟仪器技术的推广，学生目前对于虚拟仿真技术基本属于盲区，所以可以适当开设虚拟仪器或者计算机仿真课程，为我们虚拟平台的建立和掌握奠定基础。通过兴趣课程的形式吸引一部分对于硬件学习感兴趣的学生，自己动手做出虚拟平台。

完成虚拟实验平台设置后，面向相关专业开放，构建出完备的立体课程体系，从而实现教学内容、教学资源和教学模式的有机融合[5]。形成特定的教学模式，这样就把所有学习过的硬件课程结合成体系，不局限于已有知识的验证，而从创造力上对学生进行推动。学生在学习单个课程时可能会对课程本身产生怀疑，但是将他们结合起来，可以形成一个有既定目标的体系。另外可以通过个性化工程训练，在学生完成所有前导课程的学习之后，会以实际操作的方式让学生对于系统组成的所有硬件设备进行系统的设计与实现，寓教于乐，通过将设想变为可操作的实体的方式，让学生更深层次地了解和掌握硬件课程，为各个课程的课程设计以及毕业设计打下实训基础。

[1]王玉华，黄硕之.计算机组成原理课虚拟实验方案[J].实验技术与管理，2005，（4）:73-75.

[2]方恺晴，石琳，林亚平.EDA技术在计算机组成原理实验中的应用[J].实验技术与管理，2001，（3）:45-47.

[3]周克峰，杨军，孙静，等.计算机组成原理实验的仿真技术研究[J].云南民族大学学报（自然科学版），2004，（3）:236-240.

[4]WANG J X，CHEN S Q，JIA W J，et al.The design and implementation of virtual laboratory platform in internet[J].Proceedings of International Conference on Web learning（ICWL02），Hong Kong,2002，（8）:169-177.

[5]王建新，陆炜妮，基于CORBA技术的网上虚拟实验室系统架构设计[J].小型微型计算机系统，2004，（10）:1750-1753.

[6]王建新，裴慧民，陈松乔.基于Internet的虚拟实验室平台架构设计[J].中南工业大学学报（自然科学版），2002，（5）:530-533.

RESEARCH ON TEACHING METHODS OF HARDWARE COURSES FOR THE COMPUTER MAJOR——WITH A FEASIBILITY ANALYSIS OF THE VIRTUAL EXPERIMENT PLATFORM

YE Hai-yan1XIA Ming-zhu2
（1 Chaohu College,Chaohu Anhui 238000）
（2 Party School of Hefei Municipal Party Committee,Hefei Anhui 230000）

This paper,through the research on the teaching methods of the hardware courses,is aimed at enhancing the quality of teaching,hoping to improve students’logical thinking ability,practical ability of programming,developing ability of hardware and software design and other comprehensive professional ability,and to cultivate their innovative consciousness and ability.This paper discusses the limitations of computer hardware courses and their solutions from different angles, and gives a teaching method using virtual experimental platform,making students demonstrate the theory of system design in the form of experiments in order to better understand and appropriately update the knowledge.

Hardware courses；Virtual instrument；Intuitively；System

G424.1

A

1672－2868（2016）06－0154－05

责任编辑、校对：陈 凤

2016－09－25

叶海燕（1983－），女，安徽巢湖人。巢湖学院信息工程学院，助教。研究方向：物联网工程。