计算机硬件应用系统实验教学改革的研究与实践

计算机硬件应用系统实验教学改革的研究与实践

戴先中　马旭东　李久贤　孟正大　顾　群

一、前言

伴随着全球信息技术高速发展，计算机技术得到了广泛的应用，它已从最初的仅能科学计算发展到目前几乎无所不能，渗透到人类生产、学习、生活的各个角落。与此同时，计算机硬件与软件产品亦正以几年一代的速度在不断翻新，而价格却在逐年下降，从而进一步促进了计算机技术的普及和应用，系统的概念、网络的概念与集成的概念已逐步成为工科专业本科生需要掌握的计算机应用基础知识。但必须看到的是，国内计算机技术的应用还相当落后，大多数企业还处于半自动化生产状态，在国家信息化和工业化建设的过程中，迫切需要一大批不仅掌握计算机软件知识、而且掌握计算机硬件应用和系统设计能力的高级科技人才。然而，由于工科大学生在计算机硬件结构与系统应用上获得的训练远远少于在计算机软件使用与程序编制上得到的培养与指导，无法满足工业、商业以及民用环境下对高级计算机应用人才的迫切需求。

东南大学自1995年起即开始了人才培养方案、教学内容和课程体系的改革。为了全面培养和提高工科（非计算机专业）学生的计算机硬件综合应用能力，东南大学提出了全新的实验教学改革思路，提出并实施了集中有限资金和师资，研制一批高质量的实验设备，编写配套的高水平教材，面向全校集中建设高功能实验基地的总体方案，在国内率先进行了面向工科各专业的计算机硬件应用教学体系与教学内容、实验设备与实验手段的综合改革，开展了实验基地、课程、教材与教师队伍的综合建设。

课题组历经3年，研制了9种设备并批量生产170台套，编写了8种配套教材与讲义，建成了教育部电工电子教学基地“计算机硬件应用实验中心”。实验中心于1998年通过东南大学验收与全国高校现场会观摩（评价均为国内领先水平），研制的设备获江苏省教委教学仪器评比4个二等奖。此后在两年多的运行实践中，有全校6个系6000多学生通过12万多学时的计算机硬件实践和综合设计强化训练而受益，全国80多所院校的教师前来观摩交流，教改经验和方法辐射到全国，部分实验设备和技术还推广转让到兄弟院校，取得了非常好的教学效果和示范作用。

鉴于该项改革思路明晰，并经实践检验是非常成功的探索，2000年5月和2001年1月由江苏省教育厅先后组织国内著名高校的两批专家对该教改项目和教学成果进行鉴定，一致评价为国内领先水平，并获得2000年度江苏省高等教育教学成果特等奖。

本报告详细介绍这一实验教学改革实施的意义和目的，系统地论述了成果的基本内容，回顾了项目的建设和实践过程，总结了项目实施和示范推广所取得的各项成果，并在最后介绍了有关的经验和体会。

二、意义与目的

基于计算机硬件技术的应用更多地表现为将计算机用作一种强有力的控制器或监控操作设备实现系统级应用，或作为智能工具和部件嵌入到各种仪器和装置中，从而使这些设备的性能获得质的飞跃和新的生命力。这类应用构成了工业、农业、交通运输、邮电通信和国防现代化的重要基础，不仅要求技术人员掌握计算机硬件和软件的基础知识和使用技巧，还要求他们具备分析和综合计算机系统的能力。对他们来说计算机不再是一个现成的可操作的设备，而需要在它的总线和接口基础上根据规范和实际需要选配标准（或非标准）模板和设备，或设计特殊功能的电路、板卡和模块，开发相应的控制管理软件来实现不同系统特有的自动化和智能化功能，满足从状态检测、设备控制、信息处理到远程服务等各种复杂任务的需要。

同样地，由于计算机硬件应用涉及计算机本身、接口电路、输入/输出设备、各种应用对象、数据通信、图形显示、控制算法、实时软件等许多方面，实验设备复杂、昂贵，相比一般的纯软件编程和应用，对实验开发与教学人员的系统应用和综合设计调试能力亦有着更高的要求。但由于目前国内高校普遍现状是计算机硬件与应用系统实验教学设备少、水平低（原因之一是经费不足），且缺少熟悉计算机硬件应用、有丰富实践经验的教师，使工科学生在计算机硬件结构与系统应用上获得的训练也远少于在计算机软件使用和程序编制上得到的培养与指导，造成在工科学生中普遍存在重视软件轻视硬件，即所谓“重软（件）轻硬（件）”与“欺软怕硬”的现象，难以造就国家急需的全面掌握计算机应用技术的高级人才，造成我国在计算机、自动化设备硬件方面的整体水平与国外的差距远大于在软件方面的差距，严重制约了现代化的进程。

针对在高校本科生计算机硬件应用能力培养方面缺少合适的实验设备（及配套实验教材）和有丰富实践经验的教师，教学经费紧张的客观现实，为了培养高素质的现代化人才，东南大学自1995年底起，作为教育部面向21世纪电工电子系列教学内容与课程体系改革子项目，对“计算机硬件应用系统实验教学改革的研究与实践”立项开展工作。

教改工作在学校的统一领导下，由一个系负责、相关系协助，在充分调研、分析、反复论证的基础上，规划了新的实验教学体系，提出了集中学校有限资金和有限师资，自行研制一批较全面、高质量的实验设备，面向全校非计算机类工科不同专业，集中建设实验中心，集中开设实验课程，对工科学生进行计算机硬件综合应用能力的全面培养与提高的一揽子改革与建设方案。通过采用国际主流机型IBM－PC总线系列微型计算机为计算机硬件平台，以接近于实际应用环境完成高质量实验为训练手段，以掌握计算机硬件结构与应用系统设计为主要目标，培养和提高工科专业本科生的计算机硬件与系统的综合应用水平、动手能力、创新能力以及与硬件相关的（实时）软件编程调试能力，使他们能够掌握以下几点：①掌握计算机应用系统典型硬件接口电路的原理、设计、连接与基本调试技术；②掌握典型计算机应用系统的结构、组成、配置与综合调试技能；③掌握典型的计算机实时检测、控制、通信以及CRT图形显示等技术。

与此同时完成相应的实验教材建设，培养一支实验开发管理人员队伍，为培养和提高工科专业本科生的计算机硬件应用能力，向国家输送更多符合新世纪要求的高级人才探索一条新路。

三、教改的基本内容

1.总体思路

为了提高工科学生计算机硬件综合应用能力，原优先考虑的是在相关的专业课（如计算机控制技术、过程控制、机电一体化、电力系统自动化、动力工程自动化、检测技术与仪表等）中增加与计算机硬件应用有关的实验设备与相应的训练内容。这样做虽然针对性强、训练效果好，但由于面广、量大且设备利用率低，在目前教学经费紧张的情况下难以普遍采用，更难以推广，即使一时实现了也难以不断更新（而随着微电子技术的飞速发展，相关的计算机硬件与应用系统的发展也日新月异，实验设备的不断更新已是大势所趋）。针对这种需求与经费的矛盾，东南大学提出了面向全校集中建设高水平高质量实验室（中心），集中开设实验教学课程（配以一批较全面、系统的实验设备和配套教材），对工科学生进行计算机硬件综合应用能力强化训练的总体教改思路。实验课程可面向多个系甚至全校工科专业（除计算机专业）开设，不仅可以大大提高设备的利用率和人员效率，也使设备的不断更新成为可能。本教改项目的完成与东南大学计算机硬件应用实验中心建成开放两年多来的运行实践表明，这的确是目前比较切实可行的方法。经验和方法不仅对计算机教学有效，对其他的教学改革也有参考意义。

2.实验教学课程

面向不同专业，建设带有通用性质的实验教学课程，在此方面国内外没有完整的经验、教材可参考，为此课题组在学校领导下，组织了10多位教师与实验室工作人员，集思广益，在充分调研、反复论证的基础上提出了一整套适合中国国情的实验教学改革方案，以当前国际主流机型IBM－PC总线系列微机为计算机硬件平台（考虑其通用性、易升级与可扩充性），以接近于实际应用环境完成高质量实验为训练手段（使学生建立系统的概念与工程的概念），以掌握计算机硬件结构与应用系统设计为主要培养目标，设置面向全校的“计算机硬件应用综合设计与实践”类实验课程，以对不同专业的工科学生进行计算机硬件应用能力与创新能力的强化训练。

主要实验教学课程包括“计算机硬件应用单元实验与综合设计”（原理与接口）和“计算机硬件应用系统实验与综合设计”（系统与综合）两部分，各专业应用在此基础上进行调整。

第一部分“计算机硬件应用单元实验与综合设计”提供了基于PC总线硬件系统的微机应用原理与接口基本实践和设计，类似于（但在内容与要求上要略高于）一般的微机原理课程配套实验及课程设计，包括典型环境、典型接口芯片、典型单元控制方法，使学生通过实验和设计掌握微机硬件基本知识、基本操作技能，熟悉理解汇编语言编程、硬件I/O控制、实时系统基本概念，培养基本的硬件动手能力和目标代码级软件调试能力。主要由单元实验10个、综合设计4个和综合测试组成，它们分别是：

实验一　汇编语言程序设计与调试

实验二　简单输入输出

实验三　8255并行接口

实验四　8253定时/计数接口

实验五　8259中断控制接口

实验六　通信接口

实验七　模数（A/D）转换

实验八　数模（D/A）转换

实验九　存储器扩充

实验十　DMA传送

综合设计一　键盘控制和实时时钟

综合设计二　信号发生与监测

综合设计三　简单对象控制

综合设计四　串行通信

综合设计综合采用了基本验证性实验中的多个单元组成具有指定结构的小型应用系统，仍带有验证性实验性质。

综合测试提供了各类应用系统的原型，如乒乓球比赛、移动射击靶比赛、反应测试仪、抢答计时器、电子琴、猜数字游戏、比赛计算器、模拟电梯、可变参数波形发生器、实验装置自检系统等共10种，每种测试分别规定基本和提高性要求部分，主要用于测试和锻炼提高学生的设计与创新能力，要求学生在现有实验平台基础上自行设计选择软、硬件实现方案。实验效果表明综合测试对于学生对硬件原理和单元实验的理解和掌握，尤其是综合应用能力的培养效果很好。

但是，上述实验部分仍属“原理”性的实验，主要作为学习微机硬件基本知识的入门实验，相应的实验装置（考虑价格）亦设计成原理性的装置（类似于国内绝大多数同类装置）并进行改进和功能增强。但如果将该实验装置或其中的某单元电路（如A/D、D/A）直接用于存在各种干扰的工业应用现场，就很可能像早期的Z80单板微型计算机那样很难达到预期的目的，甚至根本不能正常运行。而对实际的微机应用系统来说，只能用于安静的甚至是恒温、恒湿、抗震、防静电功能的实验室环境是远远不够的。同样的，对工科专业本科生来说，对微机硬件应用仅局限于“原理性”的了解与掌握亦是远远不够的。

作为教学实验改革和该实验教学课程的重点与主要特色，第二部分内容“计算机硬件应用系统实验与综合设计”提供了基于PC总线硬件系统的微机应用系统与综合设计实践，涵盖运动与静止、快过程与慢过程、真实与虚拟对象的三大类典型应用系统，使学生通过从单机系统应用到多机综合应用实验，掌握工程应用环境下的软硬件基础知识和基本设计方法，培养和提高学生与硬件相关的（实时）高级软件编制与调试能力、系统调试与应用能力，为今后的学习和工程应用打下良好的理论与实践基础。

相应的实验装置不再仅仅是“原理”性的，它们不仅在原理上，而且在线路设计与结构设计上已接近于甚至完全适用于实际（工业或其他）应用（如光电隔离AD/DA与D/PIO接口板），这虽然增加了实验装置的成本，但对于提高学生计算机硬件的综合能力是非常必要的，也是值得的。

实验装置在三大类典型应用实验装置的基础上，配上两级计算机网络，构成接近于工程应用环境的实验系统。实验部分包括计算机测控系统和网络应用两个层次，允许教师和学生有一定的选择范围，包含了9个实验与6个综合设计，分别是：

实验十一　微机应用系统认识实验

实验十二　微机监测系统

实验十三　采用虚拟工业对象的微机控制系统

实验十四　微机控制系统——温度控制

实验十五　微机控制系统——电机控制

实验十六　网络基本操作

实验十七　网卡编程

实验十八　NetWare IPX的网络编程

实验十九　TCP/IP网络编程

综合设计五　微机网络、通信（分布式系统）

综合设计六　微机监测系统

综合设计七　微机控制系统（一）——虚拟工业对象控制

综合设计八　微机控制系统（二）——转速控制

综合设计九　微机控制系统（三）——位置控制

综合设计十　微机控制系统（四）——炉温控制

另外新增了针对高配置机型的2个Windows环境的网络应用实验：

实验二十　Windows环境下的网络操作

实验二十一　Windows环境下的网络编程

此外还设计了基于信号转接和扩展板，实现简单课程实验，如控制模拟二阶电路系统对象、模拟步进电机控制、软盘驱动器步进电机速度/位置控制等。

3.实验系统

实验系统总体结构如图1所示，主要包括：①PC系列微机；②PC总线微机应用实验装置；③PC总线光电隔离AD/DA与D/PIO接口板；④信号转接＋简单对象实验板——步进电机系统；⑤通信网卡；⑥小型系统数字模拟机；⑦直流电机控制系统实验装置；⑧电加热炉温度控制系统实验装置；⑨服务器等9种主要设备与模板。其中①～⑤为每套实验装置的基本配置，⑥～⑧为可选实验装置；每10～20套实验装置通过网卡联到服务器，构成完整的实验系统。在以上设备中，①⑤⑨购买现成的产品，②～④及⑥～⑧完全为自行研制、开发的实验设备。

图1　系统结构图

①PC系列微型计算机

整个实验系统在结构上以PC系列微机作为宿主实验设备，由ISA总线提供I/O扩展通道。其基本配置为（运行环境为MS－DOS和Windows 3.X，第二期建设升级后的配置为PIII667B/64M/10G/PCI网卡，运行环境为MS－DOS和Windows 9.X）：

CPU：486DX以上；高速缓存cache：128K以上；内存：4M以上；硬盘：420M以上，1.44M软驱；ISA扩展槽：4槽以上；512K以上显示卡；0.31彩显；2串1并口；101/2标准键盘。

②PC总线微机应用实验装置

SEUC－3PC总线微机应用实验装置由总线隔离驱动板、实验平台与微机原理单元接口实验板组成，可方便地安装在一便携式实验箱里。实验时，将总线隔离板插在PC系列机的8位ISA总线插槽里，通过总线隔离驱动板上60芯扁平电缆将PC总线安全引到实验平台（实验平台上亦提供标准PC总线插槽），再在实验平台上插入各种接口实验板即可开展各种微机原理与微机应用实验。

实验平台提供了各类辅助器件和芯片，如开关、按钮、键盘、LED显示器、3－1/2模数转换器（数字电压表）、基准电压源、各类门电平转换电路、模拟分频器电路、模拟变换电路等，可支持各种单元和原理性综合应用实验。

微机原理单元接口板包括基本的单元芯片，如并行输入输出i8255，串行i8251，定时计数器i8253，扩展存储器HM6264，模数转换器ADC0809，数模转换器DAC0832以及译码电路和中断控制器i8259、DMA控制器i8237的辅助电路等，用于验证各类单元芯片功能和构成各类原理应用系统。

该实验装置的设计特点是：

a.将PC总线通过总线隔离驱动板安全引到实验平台，既保证了PC总线原理上的一致（仅引入很小的时间延迟），又为实验者提供了方便可靠的实验环境。

b.各接口实验板按标准PC总线插板设计，可灵活地插在PC机总线槽内或插在实验平台的总线插槽进行实验，便于实验者加深理解PC系列机的结构。

c.实验平台与基本接口实验板设计时，既考虑到充分利用微机自身软硬件的丰富资源，又提供了许多插孔，用于引出接口芯片的信号，把接线的自由权完全交给实验者，各部分电路既可单独使用，又能灵活组合，使组织实验更加灵活多样，给实验者设计和完成实验留下了广阔的想象空间。此外，还提供了面包板，用户如需另加线路可在面包板上插好，再与实验装置上的线路相连。

利用该实验装置能够方便地进行汇编语言的编辑、汇编与调试、汇编语言程序设计、输入输出实验、8255并行口实验、键盘与LED显示实验、8253可编程定时器实验、8259中断控制器实验、模数及数模转换实验、存储器扩充实验以及DMA传送实验等大量的微机原理与微机应用单元实验。还可进行组合电路（门）、触发器（锁存器）、缓冲器、计数器、时基电路、单稳电路、可编程逻辑器件、F/V－V/F转换等许多微机基本电路实验。

在实验平台上的总线插座上，还可插入各种接口（实验）板，可方便地进行各种微机应用系统实验，如：

a.插入带光电隔离的A/D、D/A接口板可完成对工业对象的数据采集与实时控制；

b.插入通信接口板可开展网络通信实验与分布式控制试验；

c.插入图像处理卡可开展遥测、遥控实验。

③PC总线光电隔离AD/DA与D/PIO接口板

a.PC总线光电隔离12位AD/DA接口板

PC总线光电隔离12位AD/DA接口板（下简称AD/DA卡）与PC系列ISA总线在电气性能与机械性能上完全兼容，只要插入PC系列微机（ISA总线）任一插槽内即可投入使用。

AD/DA卡采用AD574作为模/数转换芯片（允许16路单端输入或8路双端输入），MAX526作为数/模转换芯片（允许4路输出），均具有12位分辨率，非线性误差＜1LSB。信号输入采用光电隔离，使模拟信号及A/D、D/A转换部分与总线完全隔离，从而免除了公用电源与地线所引起的各种干扰及地环流问题。

PC总线光电隔离12位AD/DA接口板具有通道多、速度快、使用方便、通用性强及抗干扰能力强等一系列优点，不仅可用于安静的实验室环境，亦可用于一般工业控制及数据采集现场。

b.PC总线光电隔离开关、脉冲量输入输出D/PIO接口板

PC总线光电隔离D/PIO接口板提供经过光电隔离的8路开关量输入电路、8路开关量输出电路和3路脉冲输入、输出电路，插入PC系列微机（ISA总线）任一插槽内即可使用，具有通用性强，使用方便和抗干扰能力强的特点，不仅可用于实验室环境，亦可用于一般工业控制与检测现场。

④信号转接＋简单对象实验板

设计的“转接＋对象板”包括转接部分（上半部分）和对象部分（下半部分）。转接部分用于将AD/DA板的26芯扁平电缆（A/D，D/A信号等）和D/PIO板上的40芯扁平电缆（DI，DO信号等）转换成端子排输出（共28个端子）并增加了一些测试孔（以方便实验）和2个可调电位器以及过渡转换插座。

对象部分包括一个用IC运放构成的可调二阶模拟对象、一个用8个LED发光管构成的模拟步进电机和真实的三相/四相步进电机驱动电路。

实验系统设计中采取废旧利用，选择现已淘汰的5英寸软驱作为控制对象，构成一简单的典型应用系统，实验效果很好。

PC系列微机的各接口板大多采用扁平电缆与外部设备相连，但大多数工程应用中一般采用端子排接线的方式，两者之间往往需要一块转接板加以转接过渡。作为实现系统的开放和可扩展部分，该板采用工程化的端子排的接线方式实现外部连接，构成微机应用系统，完成扩展功能，实现其他各类应用实验。

⑤通信网卡

基本系统采用的网卡为AN2000网卡。该网卡与Novell公司的NE2000卡相兼容，均属于Ethernet网卡，适用于16位ISA总线。通信系统支持同轴电缆和双绞线（集线器）方式，支持实现各种规模通信。

作为网络通信的基础实验，可实现基本网卡编程实验，使学生加深对网络（高速同步）通信控制的理解，进一步掌握通信软件中断控制技术。

⑥小型系统数字模拟机

SEUS－2小型系统数字模拟机是以8098（或80196）单片机为核心含有丰富输入输出接口（A/D，D/A，DI，DO，HSO，HSI，PWM，RS－232）的微机系统。作为虚拟对象，小型系统数字模拟机（以下简称模拟机）可用来对一些生产过程（工业对象）进行仿真、模拟，如模拟产生电网的电压、电流波形，模拟产生随机干扰信号，模拟仿真小型温控（一阶对象）和电机对象（二阶对象）等等。

与配置A/D、D/A等输入输出的PC机配合，应用模拟机作虚拟对象，可完成对工业对象的计算机监测（如图2所示）和计算机控制（如图3所示）实验，达到掌握计算机监测系统、计算机控制系统的组成原理，掌握计算机监测与控制软件设计的目的。

图2　应用模拟机组成的计算机监测系统实验示意图

图3　应用模拟机组成的计算机控制系统实验示意图

⑦直流电机控制系统实验装置

SEUM－2直流电机控制系统实验装置（下简称电机控制装置）由直流电机机组（包括力矩电动机、测速发电机和光电码盘等）和直流电机控制系统实验平台两部分组成，配有直接与PC总线AD/DA接口板和D/PIO接口板相连的接口，构成直流电机速度、位置计算机控制系统，可完成计算机数字控制、数模混合控制的直流电机调速和伺服跟踪实验。

⑧电加热炉温度控制系统实验装置

SEUT－2电加热炉温度控制实验装置（下简称炉温控制装置）由电加热炉炉体、控制加热电路、测温显示电路、干扰风扇、操作面板及报警保护电路等几部分组成。其结构图如图4所示，配有接口直接与PC总线AD/DA接口板和D/PIO接口板相连，构成典型的计算机控制系统。

图4　电加热炉计算机控制系统方框图

炉体内设有三个测温点和两组相对独立的加热电阻丝，计算机可分别控制两组电阻丝进行加热，完成各种复杂的计算机控制系统实验。

该装置可工作在联机和脱机两种状态。联机时，构成计算机控制系统。计算机通过数据输入口采集当前温度信息，经给定的控制算法计算出控制量，再通过输出口输出控制量，对炉温进行控制，此种控制方式即为自动控制方式。脱机时，计算机不参与控制，炉温的控制由操作人员通过手动控制旋钮进行控制，此种控制方式即为手动控制方式。当系统处于调试阶段或出现故障时，常采用手动控制方式（本系统在手动控制情况下也可以联机，此时计算机不参与控制，仅起操作指导作用，即仅在屏幕上显示三测温点温度，绘制温度响应曲线）。

该实验装置还可用于计算机控制技术、过程控制、自动控制系统等课程中有关对象建模、PID控制、多回路控制、多变量控制以及模糊控制、参数识别等实验。

综合应用上述通信系统和各实验装置可实现更为复杂的分布式计算机综合应用系统，如已开发的分布式电机控制系统（图5），综合应用了计算机输入输出、控制对象、数据通信、图形显示、控制算法、实时软件等各种技术，使学生能够通过实验全面掌握计算机硬件综合应用技术，学习协作开发计算机应用系统的技能和方法。

图5　分布式控制系统综合实验

四、项目建设与运行实践过程

项目分建设、实践运行和总结提高三大阶段进行。

1.项目建设

第一阶段（1995.10—1996.10）——方案论证与基本系统开发。

课题组成立后，在对全国许多高校进行调研的基础上，在学校的协调下组织校内各系相关教师进行研讨，确定教改方案与实验中心建设方案，获得了学校批准，于1996年1月投资100万元启动建设。通过师生的共同努力，于1996年8月初步完成基本系统的开发，通过其后两个月的测试、完善和文档整理于1996年10月底结束，所完成的工作有：

（1）PC总线的扩展、实验平台及计算机原理实验箱系统；

（2）模拟量数据转换（A/D、D/A）、数字量I/O及脉冲量输入两种应用接口卡；

（3）单片机化数字式模拟对象及数据发生系统；

（4）电机、电加热炉两种小型对象系统及控制装置硬件设备样机制作调试以及相应的基本软件、基本实验和演示系统。

第二阶段（1996.10—1997.9）——设备研制和实验课程规划。

工作包括硬件改型设计（1996.10—1997.3）、基本实验准备和高级实验开发（1997.4—1997.7）、学生试用和用户测试、批量制作和实验室改造建设（1997.4—1997.9）、实验课程规划（1997.1—1997.9）。其中硬件设备改型、制作接口实验箱3套、I/O卡6套、模拟对象系统、温控系统、电机控制系统各两套。通过课题组的努力工作与奉献，按期完成了上述工作。

第三阶段（1997.7—1998.5）——批量制作、实验室建设与教材编写。

大批量投产自制硬件应用实验装置（电机控制系统12套、温控系统14套、小型数字模拟机33套、微机原理实验装置65套，以及相应的PC总线光电隔离AD/DA与D/PIO接口板等）组成60组120台套基本硬件应用实验系统，包括外购微机60台及相应的写保护卡、网卡以及网线的连接等（1997.7—1998.3）；同时组织编写相应的实验讲义、整理和完善相应的技术文档（1997.7—1998.3）；经过4个月的小规模试开放运行，至1998年3月完成“计算机硬件应用实验中心”实验室改造并新建250平方米实验室，具有接待60组硬件实验系统能力，提供14个基本单元实验、15个基本系统实验供不同专业不同系科学生选择，并同时确定硬件中心的管理、运行、发展和协调规划（1997.7—1998.5）。

2.运行实践（1998.4—　）

项目建设于1998年4月通过了东南大学组织的验收，随后实验中心对全校正式开放。两年多来全校共有6个系6000多学生参加了12万多学时的计算机硬件实践和综合设计训练。

1998年底为了满足学生对网络环境日益增长的需要，进一步挖掘现有设备的潜力，开发Internet网络实验环境，并向非计算机专业的学生开放。

3.总结提高（1999.4—　）

通过一年的运行实践，项目取得了丰硕的成果，整理讲义试用效果，在新的高度上重新组织编写出版了实验教材《微机硬件应用实践——原理与接口》和《微机硬件应用实践——系统与综合》；通过对成果的总结，不断完善实验的组织、管理，充实实验内容。

计算机硬件应用试验中心运行后普遍受到各系师生的欢迎，更多系的学生要求参加实验和综合设计，同时学生对实验设备提出了更高的要求，因而2000年3月开始二期建设任务，再建40组设备，计算机升级换代，并重点对网络应用实验进行研究，开发出新的实验，出版新的教材，同时进一步完善已经建成的硬件中心局域网。这一工作已于2000年8月完成。

五、项目建设成果

经过课题组十多位教师和实验人员历时两年多的努力工作与奉献，1998年初自行研制了以SEUC－3PC总线微机应用实验装置65套、SEUS－2小型系统数字模拟机33套、SEUM－2直流电机控制系统实验装置12套、SEUT－2电加热炉温控制系统实验装置14套等为核心的一整套（9种）实验设备（1998年10月获江苏省教委教学仪器4个二等奖），并且编写了与之配套的实验讲义6本，正式出版《微机硬件应用实践——原理与接口》和《微机硬件应用实践——系统与综合》教材，实验系统170套，可同时开出100余组实验，建成东南大学计算机硬件应用实验中心，面向全校开放，并且成为教育部电工电子教学基地之一。

1998年4月项目建设通过了东南大学验收，认为已达到并超过了原定的教改目标，取得的成果主要有：

（1）提出了解决高需求（不断添置高水平高质量的实验装置）与低可能（教学经费年年紧缺）矛盾的一种可行方法，面向全校集中建设高水平的实验室；

（2）研制了一整套（9种）能明显提高学生计算机硬件综合应用能力的、目前国内领先水平的实验设备，并且已经批量生产，为学校节约了大量经费；

（3）编写了一整套（8种）配套的实验教材，其中《计算机硬件应用实验与综合设计》的思路、内容与质量在国内同类教材中具有领先水平；

（4）培养、锻炼了一支队伍，为进一步深化实验教学改革打下了坚实的基础。

运行两年多的实践表明这一教学改革非常成功，示范和推广作用显著，2000年5月和2001年1月江苏省教育厅先后组织了来自清华大学、上海交大、西安交大、浙江大学等国内著名院校的两批专家对本项目和教学成果进行了鉴定，各位委员充分肯定了东南大学所完成的创造性的工作和教改成果在国内所起到的良好示范与推广作用，一致评价该成果为国内领先水平，对提高教学质量和学生的实践能力有很大意义，建议在全国推广。

六、实践成果与效益

1.开放情况与学生反映

实验中心建成后，首先对自动控制系试开放，摸索运行经验，1998/1999学年完成了机械系、自动控制系、电气工程系三个系1838名34112人时的教学实验任务。1999/2000年度，截至1999年底已完成机械系、自动控制系、电气工程系、电子工程系、仪器系、物理系6个系40340人时的教学实验，2000/2001年度，截至2000年底完成以上6个系37160人时的实验。两年多来，还完成其他系及专升本的实验累计1万多学时。此外，许多系的研究生也充分利用硬件中心计算机实验系统进行实验，为论文课题研究积累实践经验。

通过对6名毕业生和以上6个系310名在校学生的抽样调查，证明了教学改革的目的已经达到。6名已毕业的学生一致反映，他们通过实验在计算机硬件结构与系统应用能力、计算机应用系统实践能力及创新能力上都有了很大的提高或较大的提高；对在校310名学生的抽样调查表明，所有学生都反映在计算机硬件结构与系统应用能力等方面有很大提高或较大提高，其中90％的学生还反映他们通过实验在计算机硬件应用创新能力方面也有很大提高或较大提高。同时，部分同学提出建议，希望设备升级，加强网络环境的建设，多开实验，表达了对硬件实验的欢迎。

2.取得成果与对外示范、辐射作用

（1）1998年10月自行研制的四大类设备获江苏省教委教学仪器4个二等奖；

（2）1998年4月国家工科基础课程教学基地建设研讨会期间接待了与会近百所院校领导与专家教授的观摩交流，获得了很高的评价，称赞我中心在计算机硬件应用系统实验方面在全国领先；

（3）1998年底根据国家教委《关于印发高等学校基础课教学实验室评估办法和标准的通知》通过了江苏省教委组织的高校基础课教学实验室评估验收；

（4）运行期间接待了国内80多所兄弟院校领导、专家和教师的参观与交流，经验和方法辐射到了全国；

（5）1999年以来，设备和技术还转让到10多所兄弟院校，其中南京航空航天大学制作了140套PC总线微机实验装置，使该校短期内实现了微机硬件应用实验教学条件的很大改善，取得了良好的教学实验效果。

3.课程与教材建设

紧密围绕面向21世纪课程建设，提出了一整套完整的实验教学改革方案，规划了实验教学课程，课程内容涵盖原理与接口、系统应用、网络综合应用三个层次，设计并开发出各类实验21个和综合设计、综合测试19个，这些实验与综合设计大多为国内首创，形成了特色鲜明的高质量实验与综合设计体系，并编写出配套讲义6种：①《计算机硬件应用实验与综合设计》；②《计算机控制技术实验指导书》；③《计算机网络实验讲义》；④《Internet网络应用实验指导书》；⑤《小型直流电机控制系统实验讲义》；⑥《过程控制实验讲义》。

在此基础上总结编写出思路、内容与质量在国内同类教材中具有领先水平的教材2种：①《微机硬件应用实践——原理与接口》（1999.8出版）；②《微机硬件应用实践——系统与综合》（2000.10出版）。

五年多来的实践证明，这一改革是十分成功的，对于提高教学质量，培养学生计算机硬件应用与创新能力效果显著。

4.队伍建设

在有限的经费条件下，要大幅度提高工科学生计算机硬件应用能力的确是个大难题，无经验可借鉴，无教材、实验设备可参考，一切要从头做起。几年来，课题组成员硬是凭着一股子干劲，拧成一股绳，克服了重重困难，提出、尝试了一种种方案，设计并制作了四大类9种实验装置，并批量生产了170台套，设计并开发了各种实验、综合设计、综合测试40个；编写了实验讲义6种和教材2种，其工作量可想而知，尤其是其中许多工作是无报酬的。

由于计算机（硬件）应用涉及计算机硬件接口电路、输入/输出设备、数据通信、图形显示、控制算法、实时软件等技术，相比一般的纯软件编程和应用，不仅对实验开发人员而且对教学与管理人员的水平和能力都有着更高的要求。亦因此不仅在学生中，在教师和实验人员中同样在一定程度上存在着“重软轻硬”、“欺软怕硬”和“选软避硬”现象。要克服这一现象，对于参与者来说也是一个战胜自我，学习、提高的过程。

历经三年建设与两年多的运行实践磨炼，可以说，真正造就了一支教学改革的攻坚队伍，为进一步深化实验教学改革打下了坚实的基础。

七、特色与经验总结

总结历时五年的建设和实践，项目创造性地完成了以下工作：

（1）提出并实施了以接近工程应用环境完成高质量实验为训练手段，以建立系统与工程的概念、掌握计算机硬件应用与系统设计为培养目标，设置“计算机硬件应用综合设计与实践”类实验课程的教改方案。

（2）针对不同工科专业共性需要，创造性地研制出涵盖运动与静止、快过程与慢过程、真实与虚拟对象的三大类典型装置，配合标准微机系统和两级通信网络，构成接近于工程应用环境且开放性好的实验系统，较好地实现了不同专业均能开设高水平实验的目的，节约了大量的经费。

（3）从提高学生计算机硬件应用能力与动手能力出发，基于自行研制的高水平实验设备，设计完成基本单元和系统实验21个，综合设计和测试实验19个（大多数为国内首创），编写出兼顾各专业需要并且思路、内容创新，特色鲜明、质量高的实验教材（国内首套）和讲义8种。

（4）集中学校有限资金、师资，在国内率先建成面向全校工科专业、高水平的计算机硬件应用实验中心，较好地解决了开设高水平实验与教学经费紧缺的矛盾，并大大提高了设备的利用率和人员的工作效率，为全面培养和提高工科学生计算机硬件综合应用能力，探索了一条新路。

（5）不断改革实验教学方法，通过开设“计算机硬件应用综合设计与实践”实验课程，开展学生创新能力的培养。

总结多年来的工作经验和这次教学改革实践，使我们深深体会到：

（1）要提高工科学生计算机硬件综合应用能力，光靠“微型计算机原理”课程中开设的计算机硬件单元与局部实验是远远不够的，必须增加计算机系统（包括检测系统、控制系统与网络等）的实验。

（2）要真正提高工科学生计算机硬件应用的实际能力与水平，光靠“原理”性的实验是不够的。在条件许可时应使实验装置（从而使实验内容）不仅在原理上，而且在线路设计与结构设计上接近于甚至完全适用于（工业或其他）应用环境。

（3）要解决开设高质量高水平的实验（并不断更新，以满足提高工科学生计算机综合应用能力）与教学经费紧缺的矛盾，面向一个系、一个学院甚至面向全校工科专业建立实验室并开设实验教学课程（根据不同需求作适当区别），是目前比较切实可行的方法。

（4）由于计算机技术的飞速发展，必须配备一支技术全面的实验开发和管理队伍，需要不断更新知识，革新实验内容，改进实验方法。

八、结束语

“计算机硬件应用系统实验教学改革的研究与实践”和所取得的成果，真正是集中了东南大学10多位教师与实验室工作人员的智慧与创造性工作。无论是立项阶段、建设阶段，还是运行实践阶段；无论是教改方案的制定、完善，还是实验中心的规划、建设、运行；几乎每个环节的进展、每种教材的编写、每台实验设备的研制开发都包含了多位老师的辛勤劳动，而且很难分清以谁为主。这里只能列出主要的贡献者，技术总顾问仇仪杰，项目负责人戴先中、马旭东，主要参加人员李久贤、孟正大、顾群、路兆梅、周俊、王勤、徐以荣、马天河、廉明以及宋文晶、田洪波、邹雁萍、徐寿东、孙培勇、黄钺等。

历经三年建设与两年多的运行实践，“计算机硬件应用系统实验教学改革的研究与实践”虽然取得了国内领先水平的成果，研制的仪器、编写的教材与制定的教改方案，深受学生欢迎与国内众多高校的好评，但我们还要清醒地认识到国内学生在计算机硬件应用训练和创新能力培养方面与国外相比还有很大差距，尤其是在实验室、实验设备向学生全面开放（可由学生自主设计实验）上还有相当长一段路要走，还需要我们继续努力。

作为下一步的改革目标，我们将在实验室的全面开放与学生创新能力培养方面再大大前进一步。只要我们目标明确，组织得力，再加上教师的无私奉献，我们的教育事业一定能实现跨越式发展，为国家培养出更多符合新世纪要求的创新人才。