關(guān)于提高“計算機組成原理實驗”課程教學(xué)質(zhì)量的探討

付小晶　武俊鵬　程旭輝

文章編號：1672-5913(2009)08-0096-03

摘要：本文結(jié)合實際教學(xué)經(jīng)驗，從實驗內(nèi)容、教學(xué)方法、實驗結(jié)果驗收、成績考核和實驗教師隊伍建設(shè)等方面，對提升“計算機組成原理實驗”教學(xué)質(zhì)量做了一些研究與探索。

關(guān)鍵詞：計算機組成原理實驗；實驗教學(xué)；教學(xué)質(zhì)量

中圖分類號：G642

文獻標(biāo)識碼：B

1引言

“計算機組成原理”是大學(xué)計算機專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個課程體系中占有重要的地位。該課具有綜合性強、知識面廣、抽象性較強和學(xué)習(xí)難度大等特點。因此，該課的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)非常重要。近年來，隨著高校實驗教學(xué)改革的不斷推進，“計算機組成原理”的實驗教學(xué)在實驗課程體系、實驗內(nèi)容、實驗手段和教學(xué)方法等方面都得到了很大的改進。我院在“計算機組成原理”的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，單獨開設(shè)了2門實驗課：“計算機部件實驗”和“計算機組成實驗”，分別為32學(xué)時。前者主要完成計算機單個部件的設(shè)計與調(diào)試，后者主要在部件實驗的基礎(chǔ)上完成模型機系統(tǒng)整體設(shè)計和測試。兩門實驗課是一個有機的整體，后者以前者為基礎(chǔ)，共同構(gòu)成“計算機組成原理”課程的實驗教學(xué)內(nèi)容。本文結(jié)合這兩門實驗課程(在本文中統(tǒng)一稱為“計算機組成原理實驗”)實際教學(xué)過程中取得的一些成功經(jīng)驗，從以下幾個方面來探討如何提高“計算機組成原理實驗”課程的教學(xué)質(zhì)量。

2實驗內(nèi)容與方法

“計算機組成原理實驗”課程的內(nèi)容主要包括：運算器、存儲器、控制器、時序電路、總線傳輸控制和模型機系統(tǒng)設(shè)計。實驗類型以驗證性實驗為主，保證設(shè)計性和綜合性實驗的比例。實驗項目安排遵循由淺入深，先局部后整體的原則，符合學(xué)生接受知識的習(xí)慣。實驗引入EDA技術(shù)，采用基于FPGA的實驗開發(fā)系統(tǒng)，不但提高了實驗效率，也豐富了實驗手段。每個實驗項目的內(nèi)容、步驟和具體要求需要根據(jù)自身特點來設(shè)計，并且根據(jù)實際教學(xué)效果和學(xué)生反饋意見逐步進行完善。目前，計算機組成原理實驗項目具有以下特點：

(1) 實驗內(nèi)容靈活性。為了滿足不同層次學(xué)生的要求，實驗項目內(nèi)容盡可能有可選性。例如，存儲器實驗要求在完成基本的ROM和RAM實驗外，可以選擇雙端口RAM實驗?？偩€控制實驗允許學(xué)生自行選擇設(shè)計總線上的部件和數(shù)據(jù)通路。

(2) 實驗方法多樣性。一些驗證性實驗中，我們在參考代碼上故意設(shè)置一些錯誤，要求學(xué)生分析查找并更正錯誤。有能力的學(xué)生可以發(fā)揮自主設(shè)計能力完善設(shè)計方案，這樣既達到了驗證性實驗的目的，又彌補了驗證性實驗“照抄照搬”的不足。

(3) 設(shè)計方法多樣性。邏輯電路設(shè)計可以采用硬件描述語言或者框圖輸入。部分實驗項目要求學(xué)生分別采用二種方式實現(xiàn)。例如運算器實驗和時序電路實驗。對于模型機系統(tǒng)設(shè)計，可以采用二者相結(jié)合的方法。

3實驗教學(xué)方法

“計算機組成原理實驗”課程是一個難度比較大，耗時比較多的實驗課。學(xué)生們的能力有所差異。為了滿足不同層次學(xué)生的要求，保證每個學(xué)生能夠得到充分的實踐鍛煉，在教學(xué)過程中必須采用多種方法，充分發(fā)揮教師的指導(dǎo)作用和學(xué)生的主觀能動性。我們在實驗教學(xué)過程中主要采用了以下幾種方法：

3.1集中講解與個別輔導(dǎo)相結(jié)合

實驗理論講解是“計算機組成原理實驗”課程的重要組成部分。每次實驗課不僅要說明實驗?zāi)康暮蛯嶒炓螅€要引導(dǎo)學(xué)生如何將理論知識和實際電路結(jié)合起來，把計算機部件和模型機系統(tǒng)的設(shè)計思想深入淺出地灌輸給學(xué)生。另外，實驗過程中針對共性問題的集中講解也是非常必要的。例如，在基本模型機系統(tǒng)設(shè)計實驗中，總共安排了4個學(xué)時的實驗理論學(xué)習(xí)，主要講解模型機的設(shè)計思想和實驗方法，復(fù)習(xí)實驗過程用到的基本理論知識。大部分理論學(xué)時穿插在實驗過程中，根據(jù)實驗進度，在適當(dāng)?shù)碾A段統(tǒng)一講解重點難點問題。這樣分階段講解比一次性全部講完所有實驗理論效果好。例如，當(dāng)大部分學(xué)生都提出關(guān)于微程序設(shè)計的問題時，可以集中講解學(xué)生提出的問題。借助多媒體課件和展臺，通過實例以及實際操作來講解實驗理論，可以顯著提高講解效果。在實驗過程中，教師還要針對個別學(xué)生進行單獨輔導(dǎo)。例如，有些學(xué)生在實驗中遇到困難，經(jīng)自己長時間努力也無法解決時。指導(dǎo)教師要耐心的幫助他發(fā)現(xiàn)問題解決問題，鼓勵學(xué)生增強自信心，使其能夠繼續(xù)認(rèn)真做實驗。對于一些思維活躍的學(xué)生，應(yīng)該對其提出的設(shè)計想法給予正確引導(dǎo)。并鼓勵其通過實踐檢驗自己的設(shè)計方案。

3.2重視“個性化”培養(yǎng)，鍛煉學(xué)生創(chuàng)新能力

“個性化”教育是創(chuàng)新教育的組成部分。由于學(xué)生能力的個體差異，應(yīng)該對他們提出不同要求，因材施教。在實驗大綱允許的范圍內(nèi)。適當(dāng)調(diào)整實驗要求和難度。鼓勵學(xué)生根據(jù)自己的能力，提出多種設(shè)計方案并優(yōu)化設(shè)計。在實際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，有些實踐能力突出的學(xué)生在教師的指導(dǎo)下完成的實驗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實驗要求。例如有些學(xué)生完成了實現(xiàn)多條指令的復(fù)雜模型機。還有的學(xué)生自行設(shè)計指令，增加了堆棧操作等指令。指導(dǎo)教師應(yīng)該注意發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀或有特長的學(xué)生，開展“個性化”培養(yǎng)，鼓勵他們培養(yǎng)設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。組織他們參加各種科研訓(xùn)練和電子設(shè)計競賽。

3.3嚴(yán)肅實驗課堂紀(jì)律，保證學(xué)生獨立完成實驗

計算機組成原理實驗引入了EDA技術(shù)，提高了實驗效率，但所有電路設(shè)計文件都在PC機中完成，文件拷貝非常容易，這給實驗作弊提供了方便。在以往的實驗教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)有少數(shù)學(xué)生作弊。作弊情況主要有：

(1) 不喜歡做實驗，驗收實驗時，拷貝別人的工程，希望能蒙混過關(guān)。

(2) 實驗進度慢，為了提高實驗速度，拷貝進度較快的學(xué)生的實驗工程。

(3) 對自己的實驗仿真結(jié)果不滿意，拷貝實驗結(jié)果優(yōu)秀學(xué)生的仿真設(shè)計文件。

作弊不但使學(xué)生個人失去了實踐的機會，而且如果不及時發(fā)現(xiàn)，會導(dǎo)致了考核的不公平，甚至影響整體的實驗風(fēng)氣。因此，必須嚴(yán)肅實驗課堂紀(jì)律。根據(jù)實際經(jīng)驗，采用了以下有效措施：

(1) 發(fā)現(xiàn)作弊，給與扣分。作弊嚴(yán)重者，此次實驗成績?yōu)椴患案瘛?/p>

(2) 實驗中的工程名稱、實體名稱、信號名稱等需要命名的地方，盡量保持名稱的唯一性，例如以自己學(xué)號后兩位結(jié)尾。由于文件互相關(guān)聯(lián)，修改名字比較麻煩，并且容易產(chǎn)生錯誤。這樣避免了學(xué)生由于未完成實驗而臨時拷貝他人實驗工程進行驗收的情況。

(3) 實驗驗收階段，通過提問以及現(xiàn)場提出要求進行操作等方式，發(fā)現(xiàn)獨立性較差的學(xué)生，并進一步確定其是否獨立完成實驗。

(4) 實驗課堂上允許正常地討論，共同探討問題、分析解決問題。但教師應(yīng)該給與正確的組織，避免有些學(xué)生不獨立思考而過分依賴他人。

采取一系列措施后，可以保證基本沒有作弊現(xiàn)象出現(xiàn)，保持了優(yōu)良的實驗風(fēng)氣。學(xué)生們能夠認(rèn)真獨立地完成實驗。對于動手能力較弱的學(xué)生，在同學(xué)和指導(dǎo)教師的幫助下，能夠堅持獨立完成實驗。

3.4鼓勵學(xué)生利用課余時間做實驗

教學(xué)計劃內(nèi)的實驗課時可以保證大多數(shù)學(xué)生按時完成實驗。但為了能夠給學(xué)生提供充分的實踐機會，提高實驗室資源的利用率，實驗室對學(xué)生提供額外的開放時間。只要學(xué)生提出申請，就可以利用課余時間到實驗室做實驗。實驗室開放采用網(wǎng)絡(luò)化管理軟件，實現(xiàn)網(wǎng)上預(yù)約實驗，現(xiàn)場刷卡簽到，為學(xué)生實驗提供了方便。這樣一些動手能力較差的學(xué)生可以多花時間保證按時完成實驗。一些學(xué)習(xí)興趣濃厚，刻苦鉆研的學(xué)生，也可以有充足的時間更好的完成實驗。對于額外利用課余時間做實驗并表現(xiàn)突出的學(xué)生給予適當(dāng)?shù)丶臃止膭睢?/p>

4實驗考核體系

4.1嚴(yán)格考察學(xué)生答辯演示，加強實驗驗收環(huán)節(jié)

實驗結(jié)果驗收環(huán)節(jié)是非常重要的。為了保證學(xué)生能夠真正在實踐中提高自己的動手能力，并且掌握相關(guān)的基本原理，必須抓好實驗驗收環(huán)節(jié)。在實驗結(jié)果檢查時，需要檢查所有的電路設(shè)計文件、仿真波形和實驗臺演示的完成情況。并且每個學(xué)生要講述實驗原理、分析仿真波形、闡述有哪些獨特的設(shè)計之處或者改進之處。并且對每個學(xué)生提出5到10個問題。學(xué)生現(xiàn)場答辯演示情況可以反映出學(xué)生獨立思考、獨立分析問題和解決問題的能力，能夠直觀地了解學(xué)生是否能夠?qū)W以致用，達到提高實踐動手能力的目標(biāo)。對于答辯演示不合格的學(xué)生給予警告，并根據(jù)具體情況決定是否給予再次答辯的機會。另外，在平時的實驗過程中，指導(dǎo)教師需要經(jīng)常與學(xué)生交流，這樣可以跟蹤學(xué)生的實驗狀況，是實驗考核的重要參考依據(jù)。

4.2建立量化的成績評定方法

考核是檢查和評價教學(xué)質(zhì)量的重要手段。計算機組成實驗課的主要內(nèi)容是在EDA實驗臺上設(shè)計并實現(xiàn)一個8位的基本模型機，實驗課程成績評定結(jié)果共分為5個級別：優(yōu)、良、中、及格和不及格，主要由學(xué)生的預(yù)習(xí)情況、現(xiàn)場表現(xiàn)和實驗報告三個成績綜合評定。其中，現(xiàn)場表現(xiàn)成績?yōu)橹饕u分依據(jù)。實驗成績的具體考核方式為：

(1) 預(yù)習(xí)情況占20%，具體考查項包括實驗準(zhǔn)備情況和預(yù)習(xí)報告完整性。

(2) 現(xiàn)場表現(xiàn)占60%，具體考查項包括實驗規(guī)范性、實驗原理掌握、調(diào)試排錯能力、操作熟練程度、演示與答辯和設(shè)計創(chuàng)新能力。

(3) 實驗報告占20%，具體考查項包括報告內(nèi)容完整性、報告內(nèi)容組織結(jié)構(gòu)、報告文字表述、實驗過程與分析、圖表規(guī)范性和字跡與版面。具體的評分標(biāo)準(zhǔn)采用傳統(tǒng)的加權(quán)計算方法。

實驗成績的計算方法不復(fù)雜，但由于各項成績考核主觀性比較強，因此各項成績評定本身難度較大。尤其是現(xiàn)場成績評定。在考核過程中，為了減少主觀評價的不穩(wěn)定因素。應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場成績考核細(xì)則制定非常詳細(xì)的現(xiàn)場考核依據(jù)。例如，實驗完成的次序，回答問題正確的個數(shù)，錯誤的個數(shù)，演示過程中出現(xiàn)的錯誤個數(shù)，與教師交流的次數(shù)等?？己艘罁?jù)盡量量化。這樣記錄方便，評定結(jié)果一目了然，是建立客觀公正實驗考核體系的有效方法。

4.3實驗教師隊伍建設(shè)

實驗教師的素質(zhì)是保證實驗教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。為了提高實驗教學(xué)質(zhì)量，我們不斷壯大實驗教師隊伍，提高實驗教師的能力，建設(shè)先進的實驗教師團隊。經(jīng)過多年來的實踐，我們總結(jié)出高效的實驗教師隊伍建設(shè)經(jīng)驗。主要有：

(1) 提高實驗教師專業(yè)能力。我們實驗室的教師整體具有較高的學(xué)歷和職稱，都具有碩士學(xué)歷或中級職稱。大多數(shù)教師為在讀博士。教師的專業(yè)能力較好，給實驗教學(xué)質(zhì)量提高提供了保障。

(2) 實驗教師隊伍組織科學(xué)化。計算機組成原理實驗課和其他硬件系列實驗課程都由教學(xué)小組完成。每個教學(xué)小組由兩位教學(xué)經(jīng)驗豐富的老教師和兩名年輕的教師組成。充分發(fā)揮老教師教學(xué)經(jīng)驗豐富和年輕教師干勁十足的優(yōu)勢。從實驗原理講解、實驗過程指導(dǎo)、實驗結(jié)果驗收、實驗報告批改等各個環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮教學(xué)小組的優(yōu)勢，保證實驗教學(xué)質(zhì)量。

(3) 積極從事實驗項目開發(fā)和教材編寫工作。多年來，我們的實驗室教師積極參加學(xué)校的實驗室教改項目，編寫實驗講義和指導(dǎo)書，編寫出版了《數(shù)字電路與可編程技術(shù)實驗教程》，在實驗過程中取得了良好的效果。

5結(jié)束語

近年來，我院不斷推進“計算機組成原理實驗”等一系列硬件實驗課程的改革，并取得了一定的經(jīng)驗。學(xué)生整體的實踐動手能力得到提高，在學(xué)科競賽、科研訓(xùn)練、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計以及就業(yè)方面都取得了明顯的成績?！坝嬎銠C組成原理實驗”是一門非常重要的計算機專業(yè)實驗課。提高課程教學(xué)質(zhì)量是一項長期的任務(wù)，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，新的實驗設(shè)備和實驗技術(shù)將會引入到實驗教學(xué)中，為實驗教學(xué)改革提出了挑戰(zhàn)和契機。實驗教師應(yīng)該在實驗教學(xué)過程中，根據(jù)實驗效果和學(xué)生的反饋意見不斷修訂實驗內(nèi)容，開發(fā)經(jīng)典的實驗項目，豐富實驗教學(xué)方法，建立科學(xué)的考核體系，切實提高計算機組成原理實驗的教學(xué)質(zhì)量，提高計算機本科學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力。

參考文獻：

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Discussion on Enhancing the Teaching Quality about Computer Composition Principle Experiment

FU Xiao-jing, WU Jun-peng, CHENG Xu-hui

(College of Computer Science and Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract: Based on the practical teaching experience, we did some research and exploration to enhance the experimental teaching quality of the computer composition principle experimental course, which was discussed in this paper from some aspects such as experimental contents,teaching methods, experimental result examining, grade assessment and the organization of the faculty.

Key words: computer composition principle; experimental teaching; teaching quality