《计算机硬件技术基础》实验教学改革的探索与实践

谢方方，谢志英，陈静，韩月霞，张英

（军械工程学院信息工程系，石家庄　050003）

《计算机硬件技术基础》实验教学改革的探索与实践

谢方方，谢志英，陈静，韩月霞，张英

（军械工程学院信息工程系，石家庄050003）

0　引言

《计算机硬件技术基础》课程是通信电子类专业的科学文化必修课，主要讲授计算机的基本构成、汇编语言程序设计、存储器设计及常用接口技术等内容，分理论教学和实验教学两个部分。该课程是学生信息化素质培养课程体系核心课程之一，而学生信息化素质的培养主要体现在学生学习能力、实践能力、创新能力的培养上。课程实验教学对这些能力的培养所起的作用是理论教学无法替代的。

在我院，《计算机硬件技术基础》的实验教学在整个课程的课时量中的占比只有1/4，在实际的教学过程中，常常出现学生刚刚熟悉实验却没有课时余量的情况，无法深度参与实验。当然，这在其他院校也基本上都发生过。为了让学生能够更好地学习，培养他们的实践动手能力，这些院校也都做出了一定程度的改革［1-2］。我院针对这种情况，经过不断探索，对《计算机硬件技术基础》这门课的实验教学进行了大胆的创新改革，逐步形成了具有自我特色的教学方法和手段，并在实践过程中取得了良好效果。

1　实验教学现状

针对课程的理论教学内容，现有实验主要分为两大模块：汇编语言程序设计和硬件电路设计。

1.1汇编语言程序设计部分

由于《计算机硬件技术基础》这门课是以8086处理器为核心展开，因此需要学习与相应CPU对应的指令集。现有教学是首先在理论课上讲解各条汇编指令的用法［3］，介绍汇编语言的程序结构，然后在Debug环境下调试程序。

Debug.exe是与8086相应的操作系统DOS提供的一个用于调试可执行程序的工具软件，有关它的命令包括Debug的启动和退出、常用的Debug命令如A、U、R、D、G、T、P、E等，如果要完成相应汇编程序的调试，必须首先熟练掌握这些Debug命令。

在实验教学过程中如果能够利用DEBUG调试引导学生对汇编语言的执行过程进行详细跟踪分析，那么对学生而言可以更加深入地理解计算机的底层工作原理。然而在实际实验过程中，由于部分学生认为8086相比现有的微处理器太过老旧，产生“学了也没用”的错误心理，本身对课程的兴趣已经降低，又要记忆大量的Debug调试命令，造成实验进行过程中，学生不积极参与或只用几个简单命令的情况，实验效果不理想。

1.2硬件电路设计部分

目前基于8086 CPU的硬件电路设计主要包括存储器设计、常用接口设计等部分，相应的实验教学以DVCC-5286JH实验箱为平台，在过去的十年学生都是在该实验箱上根据实验指导书的要求完成相应验证性的实验即可。这虽然在一定程度上培养了学生将理论知识与实际电路相结合的能力，但是在如今学生信息化素质培养的要求下显然是远远不够的，主要有以下两点原因。

首先，以实验箱为平台的实验教学不能充分锻炼学生的实践动手能力。实验箱的底层电路连接已经由厂家设计完成，可供学生进行电路连线的部分很少，学生在做实验时只是按照实验指导书上的实验步骤一步步连线，将教师给的程序下载进实验箱的存储器中即可，学生无法深度参与到实验的设计过程中，更无法进行综合性实验。

其次，《计算机硬件技术基础》的实验课时不多，地点固定。课程安排上用于接口实验的课时只有4个，学生只有在这4个课时的时间里才能够接触到实验箱，并且还得到固定的实验室完成，其它时间如果有学生想进一步地做实验，就得与学校的各部门去协调，这显然非常不方便。针对以上现有实验中所存在的问题，进行《计算机硬件技术基础》相应的实验改革就显得尤为重要了。

2　实验教学改革

2.1改革的基本思想

《计算机硬件技术基础》是一门实践性要求很强的课程，在信息化素质培养的要求下，通过实验教学的改革，希望能够达到培养学生学习能力、实践能力和创新能力的目标。

由于现有实验教学存在课时少、实验工具落后、实验平台不够开放等特点，实验效果不理想，学生实践能力和创新能力不能得到充分培养，在改革的过程中，我们针对这些问题，一方面寻找能够激发学生实验兴趣、提高学生动手参与度的新型实验工具，另一方面对实验内容重新规划设计，以期深度挖掘学生的潜力。

2.2改革的具体措施

通过引入新的教学手段：EMU8086和Proteus VSM for 8086，调动学生的积极性。通过层次化的实验内容设计，激发学生学习的主观能动性和探索知识的欲望。

（1）实验手段的改革

①EMU8086

汇编语言程序设计部分是《计算机硬件技术基础》的重要组成部分，也是学生认识并理解微机系统的重要基础。传统模式下所采用的实验手段是Debug调试，由于该工具本身的命令不易掌握，造成学生对课程兴趣的降低，学习效率也不高，为了改善这一现状，引入了EMU8086调试工具［4］。

该工具相比Debug而言直观、生动、形象，学生可以实时观察指令的执行过程，查看CPU内部几乎所有寄存器的动态变化以及每条指令反汇编后生成的机器码和在内存中所占存储单元的物理地址情况。可以说，EMU8086很好地展现了CPU的工作过程和原理，它将学生学习汇编语言时感觉晦涩难懂的东西表现得直观形象。这一方面提高了学生的学习兴趣，另一方面培养了学生观察、比较、验证、概括问题的能力。如图1所示。

图1　EMU8086调试工具

利用EMU8086进行汇编语言程序设计部分实验教学的过程中，教师把主要精力放在引导学生启发学生深入探索和思考上，而学生则发挥其主体地位，不断完善自主学习能力。

②Proteus VSM for 8086

硬件电路设计部分的实验是加深学生对存储器、常用接口芯片的理解，体会其功能、工作原理以及工作过程的重要教学环节，是培养学生学习能力、实践能力和创新能力的重要措施。但是由于传统实验平台的限制，学生一方面不能深度参与到实验的设计过程中，另一方面不能利用课余时间随时随地拓展实验项目，所以学生即使有能力也不能得到充分发挥。Proteus VSM for 8086平台就能够很好地破解这个难题。

Proteus是Labcenter Electronics公司研发的唯一将电路仿真、PCB设计和虚拟模型仿真合二为一的设计与仿真平台，它所提供的元器件和虚拟仪表接近真实元件和仪表的效果，免去了学生担心操作实验箱不当造成损坏的担心，让学生可以大胆实验，体会实验的乐趣。Proteus VSM for 8086平台则是该公司在2010年推出的基于Intel8086的仿真环境，这无疑为《计算机硬件技术基础》这门课硬件电路设计部分的实验提供了有利条件［5］。

基于Proteus VSM for 8086平台，学生可以选取元件，搭建电路，下载程序，然后通过观察仿真环境下电路的运行效果，判断电路设计的正确性和完整性，如果效果不理想，可以反复修改，不受实验课时和实验地点的限制，直到达到理想效果，如图2所示。

图2　Proteus VSM for 8086平台

如果学生想进一步做出实物电路板，只需要进入Proteus的电路板制作环境下完成相应绘图即可。可见，通过该平台，学生不仅能够全程参与到实验的设计过程中，而且还可以充分利用课余时间完善实验、拓展实验。

但是，Proteus VSM for 8086平台毕竟是仿真环境，与实际电路的电气特性还有所差距，不可能完全替换传统实验箱，所以学生在仿真平台下完成的实验，仍需要到实验箱上加以验证，或者结合实验箱通过外部电路板搭建电路拓展实验，这样才真正做到理论联系实际，提升自我的学习能力、实践能力和创新能力。也是基于这样的考虑，我院对实验内容进行了相应的改革。

（2）实验内容的改革

传统模式下，学生在完成相应章节的理论学习后，按照教师给出的实验步骤在实验课上进行相应的验证性操作，得出实验结果。在实验的过程中，学生的潜力并没有被充分挖掘，甚至造成部分学生的厌学情绪，为了充分调动学生的积极性，发挥学生的主观能动性，我们对实验内容进行了层次化设计，改革了原有的验证性实验，并且进一步引入设计性实验和综合性实验。

①验证性实验

《计算机硬件技术基础》是一门比较抽象的课程，学生在学习的过程中一定要紧跟教材，及时消化理论课堂上教师教授的知识点，而验证性实验就是将教材上的例子在EMU8086和Proteus上运行，查看执行过程和结果，帮助学生进一步消化和理解知识点。

在汇编程序设计部分，例如统计一组数据中奇数和偶数的个数，教材上有写好的代码，课堂上也分析过这个例子，但是有部分学生仍然对程序的执行过程不理解，通过EMU806的单步调试功能查看程序执行过程中各寄存器值的变化以及最后的结果，抽象的程序变得具体化，学生也就更加容易理解。

在硬件电路设计部分，例如在8255A接口中通过一组开关控制一组发光二极管的亮灭，教材上给出了现成的电路连接，8255A的初始化程序和开关控制发光二极管的程序，但是由于书本知识是静态的，学生只能想象，而在Proteus环境下，学生可以自己动手将该电路搭建好，然后将程序下载好验证结果，在仿真环境下按下或断开开关观察发光二极管的亮灭，动态效果明显，学生自然也更加乐于学习。

②设计性实验

通过验证性实验完成了课程的去抽象化，然而学生的兴趣并未充分激发，还需要通过设计性的实验进一步加强。设计性实验是将部分自主权交到学生手里，教师给出基本的实验要求、实验目的和实验条件，而怎么设计则由学生独立完成。如数码管显示控制、跑马灯控制、行列扫描键盘控制［6］等。

设计性实验本身并不复杂，所涉及的内容也基本上是课程内的，但是对于学生而言又有一定的难度，这就激发了学生的探索欲，从而在自己能力范围内完成设计任务。

③综合性实验

由浅入深是学习的内在规律，在以上两种实验的基础上开展综合性实验是促进学生掌握课程精髓的关键步骤。综合性实验所涉及的知识点比较全面，不再局限于课程内，而有可能涉及到相关课程，具有一定的复杂性，因此通常采用分组方式由学生互相协作、完全自主设计，学生从自拟题目、设计方案、选择元件、搭建电路、EMU8086下编写程序、Proteus下仿真调试，结合实验箱制作电路板实物调试，最后到分析结果都是独立完成。例如，由学生完成的作品有篮球记分牌、数字钟、音乐播放器、计算器等等，如图3所示。

图3　实验作品

在任务完成的过程中，首先学生需要综合运用所学的计算机原理、数字电路、模拟电路以及电工电子等各方面的知识，培养了学生的综合学习能力；其次学生在调试电路、观察结果、再调试再观察的过程中收获了实践动手能力；再次由于实验是由小组协调完成，也就培养了学生的团队合作精神；最后，为了获得最后的实验结果，小组成员都是不遗余力通过各种方法经不同途径达到目的，培养了学员的创新能力。

综合性实验不仅对本课程有很大促进作用，而且为学生参加学院甚至全国的各种电子设计大赛打下了良好的基础。

2.3改革的实施效应

实《计算机硬件技术基础》课程改革的重要环节，对课程的促进作用非常明显，主要体现在以下两点上。

（1）学生的学习兴趣显著增强

通过实验教学的改革，学生对课程的积极性和主动性明显提高。课堂内，不仅紧跟教师思路展开学习，而且对某一实验案例能够提出不同的设计思路，课堂参与度较高；课堂外，学生拜访教师的次数明显增加，与教师探讨的问题往往不局限于本门课，还会涉及相关课程，求知欲望较强。

（2）学生的工程实践能力显著提升

通过多元化的实验手段、层次化的实验内容，学生掌握了计算机硬件系统的工作流程，建立了系统思维，熟悉了系统工作时所需要的软硬件环境如何搭建，学生的动手能力有所提高。

学生主动提出参加学院内科技创新制作和全国大学生各类设计大赛的人数明显增多，近三年学生在参加了全国大学生“嵌入式设计大赛”和“中国机器人武术擂台赛”以后，共获全国一、二、三等奖17个，2014年占8个，占总数的48%。

3　结语

基于《计算机硬件技术基础》课程比较抽象、实践性要求强的特点，我院对该课程的实验教学进行了深度改革，利用EMU8086程序调试工具和Proteus VSM for 8086仿真调试工具将课程变抽象为形象，全面激发学生的学习兴趣，通过验证性实验、设计性实验和综合性实验这三层递进的实验教学设计一步步引导学生从未知到已知，深度参与实验设计，培养了他们的学习能力、实践能力和创新能力。

［1］王昊.“微机原理与接口技术”教学改革探索与实践［J］.中国电力教育，2012，31（45）：84-85.

［2］张兰红，陆广平，周云龙.“微机原理与接口技术”课程教学的探索与实践［J］.电气电子教学学报，2008，30（5）：93-95.

［3］周荷琴，冯焕清.微机计算机原理与接口技术［M］.第5版.合肥：中国科学技术大学出版社，2013.

［4］谷兆麟.基于EMU8086的微机系统的辅助学习方法［J］.天津工程师范学院学报，2006，16（4）：26-27.

［5］李现国，张艳.Proteus仿真在微机原理及接口技术教学中的应用［J］.实验技术与管理，2010，27（12）：125-127.

［6］邹逢兴.微机原理与接口技术经典实验案例集［M］.北京：高等教育出版社，2010.

Computer Hardware Technology Course;Experimental Teaching Reformation;Information Quality

Exploration and Practice of Experimental Teaching Reformation in Computer Hardware Technology Foundation Course

XIE Fang-fang，XIE Zhi-ying，CHEN Jing，HAN Yue-xiang，ZHANG Ying
（Department of Information Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003）

1007-1423（2015）28-0012-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.28.003

谢方方（1984-），女，讲师，研究方向为信息安全

谢志英（1981-），女，河北秦皇岛人，硕士研究生，讲师，研究方向为数据恢复

陈静（1982-），女，河北石家庄人，硕士研究生，讲师，研究方向为数据恢复

韩月霞（1980-），女河北邯郸人，硕士研究生，讲师，研究方向为芯片安全

张英（1982-），女，四川成都人，硕士研究生，讲师，研究方向为数据恢复

2015-08-20修改日期：2015-09-30

在信息化素质培养要求下，针对《计算机硬件技术基础》原有实验设计不能完全满足现有教学需求的情况，对课程实验教学进行深度改革。通过多元化的实验手段和层次化的实验内容，培养学生的学习能力、实践能力和创新能力。

计算机硬件技术；实验教学改革；信息化素质

基于旁路攻击的硬件木马检测研究（No.61271152）、流水线延迟电磁旁路分析新方法研究（No.51377170）

Under the request of information quality education，in view of the original design of experiment in the Computer Hardware Technology course which cannot completely meet the demand of current teaching situation，implements the deep reformation of the experimental teaching.Through a variety of experiment method and hierarchical content，the students'learning ability，practice ability and innovation ability are cultivated.