計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

摘要：針對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程難度大、抽象性強(qiáng)、學(xué)時(shí)緊張等問(wèn)題，闡述對(duì)該課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改進(jìn)思想和措施，提出基于案例法使理論和實(shí)踐緊密結(jié)合、通過(guò)仿真軟件加強(qiáng)課前預(yù)習(xí)、結(jié)合EDA技術(shù)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)以及改進(jìn)考核方式等方法。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)方法改革

文章編號(hào)：1672-5913（2013）18-0045-03

中圖分類號(hào)：G642

0 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校教學(xué)的重要組成部分，是對(duì)課堂所學(xué)理論知識(shí)的直觀認(rèn)識(shí)與補(bǔ)充，是學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的重要途徑，在培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力方面有著不可替代的重要作用。在我國(guó)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也經(jīng)歷了一個(gè)不斷深化、完善的過(guò)程。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般是作為理論教學(xué)的補(bǔ)充和輔助，大多以驗(yàn)證為目的，在理論教學(xué)過(guò)程中以教學(xué)實(shí)驗(yàn)的形式出現(xiàn)。近年來(lái)，在教育部質(zhì)量工程中，隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式和方法的改革也得到飛速發(fā)展。實(shí)驗(yàn)教學(xué)從理論教學(xué)中獨(dú)立出來(lái)，既有驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，又有綜合設(shè)計(jì)型、研究探索型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵和形式不斷充實(shí)，具有豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、多元化的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和自主化的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)從教學(xué)實(shí)驗(yàn)向?qū)嶒?yàn)教學(xué)的轉(zhuǎn)變，成為創(chuàng)新人才培養(yǎng)的一種重要的教學(xué)形式。

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，該課程以馮·諾依曼結(jié)構(gòu)為主線，主要講授計(jì)算機(jī)各組成部件的構(gòu)造和組織方式，使學(xué)生扎實(shí)掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部分的工作原理，牢固建立整機(jī)的概念，具有綜合性強(qiáng)、知識(shí)面廣、抽象性強(qiáng)和學(xué)習(xí)難度大等特點(diǎn)，在整個(gè)課程體系中占有重要的地位。近年來(lái)，隨著高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的不斷推進(jìn)，計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)驗(yàn)課程體系、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)手段和教學(xué)方法等方面都有了很大的改進(jìn)。

從2010級(jí)開(kāi)始，齊齊哈爾大學(xué)對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了重大改革，將該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。其中基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)分別針對(duì)于課程的各個(gè)核心模塊，就計(jì)算機(jī)的某一部分或功能進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)試，而綜合設(shè)計(jì)教學(xué)則是在前者的基礎(chǔ)上，由學(xué)生完成模型機(jī)的基本設(shè)計(jì)、調(diào)試和測(cè)試過(guò)程，建立整機(jī)的概念。同時(shí)，為保證教學(xué)效果，在教學(xué)過(guò)程中從多方面對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段進(jìn)行了改進(jìn)與嘗試。

1 理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，以案例的形式將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于理論教學(xué)之中

在以前的教學(xué)中，理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容具有相對(duì)的獨(dú)立性，教材中所列舉的例子和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)差別較大。而學(xué)生處于剛剛接觸該課程的初級(jí)階段，很難在兩者之間建立對(duì)應(yīng)的關(guān)系，理論和實(shí)際不能有效地結(jié)合起來(lái)。因此，在本課程的理論教學(xué)中，任課教師通過(guò)2種方式將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容引入到教學(xué)過(guò)程中。

第一，在課程的緒論部分，把所要用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備COP2000組成原理實(shí)驗(yàn)儀以一個(gè)實(shí)例的形式，和其他型號(hào)的計(jì)算機(jī)一起展示給學(xué)生。其中既包括K Computer、天河一號(hào)、曙光星云等超級(jí)計(jì)算機(jī)，也包括一些小的單片機(jī)、嵌入式等應(yīng)用系統(tǒng)，明確說(shuō)明本課程中的計(jì)算機(jī)是一個(gè)廣義的范疇，與大家平時(shí)接觸最多的個(gè)人電腦不同。并強(qiáng)調(diào)該實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有構(gòu)成一臺(tái)計(jì)算機(jī)的各種基本特征，雖然功能簡(jiǎn)單，但不可否認(rèn)該設(shè)備可以當(dāng)之無(wú)愧地被稱為一臺(tái)計(jì)算機(jī)，使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有初步認(rèn)識(shí)，并建立清晰的“計(jì)算機(jī)”概念。

第二，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備作為案例融入到理論教學(xué)之中。計(jì)算機(jī)組成原理的理論教學(xué)結(jié)構(gòu)一般按照馮·諾依曼結(jié)構(gòu)劃分，分別講授運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、指令系統(tǒng)、總線等各部分的原理及組成。每個(gè)部分都充分體現(xiàn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的實(shí)例。但這些實(shí)例很難結(jié)合成一個(gè)整體。因此，在各部分的教學(xué)完成之后，單獨(dú)利用理論課，將COP2000組成原理實(shí)驗(yàn)儀作為實(shí)際案例，以該實(shí)驗(yàn)儀的硬件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，介紹其運(yùn)算器、存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，指令系統(tǒng)的指令格式和指令功能，重點(diǎn)分析微指令格式設(shè)計(jì)思想、后繼地址形成法及微程序的設(shè)計(jì)方法。使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)各部分的工作原理和工作過(guò)程有直觀認(rèn)識(shí)，明確建立起整機(jī)的概念，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真軟件，安排學(xué)生在課外進(jìn)行充分預(yù)習(xí)

預(yù)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考能力的重要手段，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)是保證實(shí)驗(yàn)質(zhì)量與效果的前提。因此要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前要認(rèn)真預(yù)習(xí)并完成預(yù)習(xí)報(bào)告。但大部分學(xué)生只是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)把實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟等直接抄在預(yù)習(xí)報(bào)告上，而對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的設(shè)計(jì)和結(jié)果預(yù)測(cè)等重要工作并不認(rèn)真思考。這樣的預(yù)習(xí)效果很不理想，等到真正進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)還是沒(méi)有明確的方法和目標(biāo)。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，把所有工作都放在課內(nèi)完成，則很難完成實(shí)驗(yàn)要求的所有內(nèi)容，難以達(dá)到充分動(dòng)手操作和設(shè)計(jì)的目的。

為解決該問(wèn)題，教師在教學(xué)過(guò)程中，充分發(fā)揮COP2000實(shí)驗(yàn)儀配置的仿真軟件的作用。該軟件可以采用模擬方式脫機(jī)工作，無(wú)需連接實(shí)驗(yàn)儀硬件，只用計(jì)算機(jī)就可完成微程序控制方式的大部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而且在完成各步驟工作的同時(shí)還可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示，實(shí)驗(yàn)儀上的地址總線、數(shù)據(jù)總線、指令總線的狀態(tài)及各寄存器的內(nèi)容可以實(shí)時(shí)地隨著操作過(guò)程進(jìn)行變化，直觀、生動(dòng)、易于理解。將此軟件交給學(xué)生，讓學(xué)生利用課余時(shí)間通過(guò)仿真軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了解、預(yù)習(xí)和試做，并在預(yù)習(xí)報(bào)告上給出試做方案和結(jié)果。即可以為學(xué)生的預(yù)習(xí)工作提供充分的條件，又可以通過(guò)直觀的演示幫助學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解，為實(shí)驗(yàn)室向?qū)W生寢室延伸、實(shí)驗(yàn)課時(shí)向業(yè)余時(shí)間延伸了提供了條件，極大地提高了實(shí)驗(yàn)課的課堂效率。

3 調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和形式，培養(yǎng)學(xué)生的分析設(shè)計(jì)能力

計(jì)算機(jī)組成原理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)由基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)兩部分構(gòu)成?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的基本設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐能力為目的。共安排了4個(gè)基本實(shí)驗(yàn)，為加強(qiáng)對(duì)學(xué)生分析設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，將設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的數(shù)目由原來(lái)的1個(gè)調(diào)整為2個(gè)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比例達(dá)到50%。在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，只給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、功能要求等，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程完全由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。如在微程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生在熟悉COP2000實(shí)驗(yàn)儀原有指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)2條以上新指令并編寫(xiě)相應(yīng)的微程序。指令功能不做具體要求，但要求在兩條指令中要用到運(yùn)算器功能，用到兩種以上的尋址方式等。即激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)習(xí)興趣，又幫助學(xué)生充分理解了計(jì)算機(jī)各部分的結(jié)構(gòu)原理和工作過(guò)程。

由于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分學(xué)時(shí)有限，各實(shí)驗(yàn)都是有針對(duì)性地對(duì)應(yīng)某一部分教學(xué)內(nèi)容，很難使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)有整體的認(rèn)識(shí)。而且，因?yàn)镃OP2000實(shí)驗(yàn)儀本身的硬件結(jié)構(gòu)是固定的，學(xué)生難以對(duì)硬件的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了解和嘗試。因此，在原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，又增加了綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，利用COP2000實(shí)驗(yàn)儀所配備的FPGA控制實(shí)驗(yàn)板，采用EDA技術(shù)，讓學(xué)生用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)完整的模型機(jī)。將學(xué)生5～7人分成一組，由組長(zhǎng)帶領(lǐng)組內(nèi)其他同學(xué)共同完成該模型機(jī)設(shè)計(jì)方案的研討和論證，并進(jìn)行分工協(xié)作，每人完成一部分設(shè)計(jì)工作?？煞譃檫\(yùn)算器設(shè)計(jì)、控制器設(shè)計(jì)、指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)、指令周期流程圖設(shè)計(jì)等各個(gè)部分，分工由學(xué)生自行安排，教師只提供參考意見(jiàn)和指導(dǎo)。最終由組長(zhǎng)帶領(lǐng)同學(xué)將各部分整合在一起進(jìn)行調(diào)試與測(cè)試，并完成設(shè)計(jì)報(bào)告。所有工作由組長(zhǎng)負(fù)責(zé)管理并和老師溝通，即要使學(xué)生學(xué)會(huì)獨(dú)立思考，鍛煉獨(dú)立工作能力和分析解決問(wèn)題的能力，又培養(yǎng)了學(xué)生的合作精神和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，學(xué)會(huì)與他人共同工作，并鼓勵(lì)學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行創(chuàng)新。

4 改革考核方式，量化實(shí)驗(yàn)成績(jī)，激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性

為進(jìn)一步增強(qiáng)成績(jī)?cè)u(píng)定的客觀性和合理性，使學(xué)生更加積極主動(dòng)地參與到學(xué)習(xí)過(guò)程中，將實(shí)驗(yàn)課當(dāng)成一種樂(lè)趣，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核方式也重新進(jìn)行設(shè)定。在原有的考核方式中，主要根據(jù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。但由于教師不可能全程跟蹤每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，而實(shí)驗(yàn)課采用2人一組的方式，每組中的2名學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中所完成的工作和所起到的作用是不一樣的，因此不能做到對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)有完全客觀地評(píng)定。為解決該問(wèn)題，教師在整個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中增加了2次操作考試，分別安排在數(shù)據(jù)通路實(shí)驗(yàn)和微程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中。這2個(gè)實(shí)驗(yàn)本身都是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，教師不對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和過(guò)程進(jìn)行具體的安排，但要求在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要用到相關(guān)的知識(shí)和技術(shù)。而考核工作就是針對(duì)這些知識(shí)進(jìn)行的。為保證考核的公平性和客觀性，采用了抽簽答題的方式。因?yàn)閷W(xué)生水平和能力有所差異，題目也分為兩種難度，A級(jí)和B級(jí)，學(xué)生可根據(jù)自身的情況自行選擇題目難度。兩種難度的題目起評(píng)分也不一樣，即保證了成績(jī)的公正性，又考慮了學(xué)生的不同層次，避免了一些對(duì)知識(shí)掌握較差的同學(xué)不能完成考核題目的問(wèn)題。

綜合設(shè)計(jì)部分的考核成績(jī)則包括分為兩部分，成果驗(yàn)收和答辯，各占50%。成果驗(yàn)收包括模型機(jī)的結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)的合理性，運(yùn)行效果和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)報(bào)告的質(zhì)量，以及本人在設(shè)計(jì)過(guò)程中所起的作用等幾部分構(gòu)成。答辯過(guò)程還是采用通常的學(xué)生自述和教師提問(wèn)兩部分，但在評(píng)分環(huán)節(jié)進(jìn)行了改革，由原來(lái)的教師評(píng)分變?yōu)榻處熀蛯W(xué)生共同評(píng)分。每組答辯結(jié)束后，其他組的同學(xué)都為該組評(píng)定分?jǐn)?shù)，并在最終成績(jī)中占有一定的比例。這樣，即可以使成績(jī)?cè)u(píng)定公開(kāi)、公平、公正，又可以培養(yǎng)學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

5 改革效果

從2010級(jí)開(kāi)始，齊齊哈爾大學(xué)從各方面全面開(kāi)展對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)方法改革，并收到顯著效果。

以往的實(shí)驗(yàn)課，部分學(xué)生有依賴思想，等、靠現(xiàn)象嚴(yán)重。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方式改革后，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性提高，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主動(dòng)上手，有些動(dòng)手能力相對(duì)差的學(xué)生積極向其他同學(xué)請(qǐng)教，而接受能力較強(qiáng)的學(xué)生也能主動(dòng)進(jìn)行指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)效果顯著提高，最后在抽簽答題時(shí)90%以上的同學(xué)均能獨(dú)立完成考核題目，剩余同學(xué)在老師簡(jiǎn)單的提示下也能完成考核內(nèi)容。把實(shí)驗(yàn)設(shè)備作為模型機(jī)實(shí)例融入教學(xué)之中，使學(xué)生在課程初始就對(duì)計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)有了直觀認(rèn)識(shí)，在講到各個(gè)組成部分時(shí)，學(xué)生會(huì)主動(dòng)將理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)儀上的組成部分對(duì)應(yīng)起來(lái)，變抽象為具體，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，減輕理論教學(xué)壓力。從模型機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尋址方式和指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、指令執(zhí)行流程和微程序設(shè)計(jì)、編程仿真和下載實(shí)現(xiàn)等各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使學(xué)生不僅對(duì)整機(jī)的概念有了更直觀的認(rèn)識(shí)，更熟練地掌握了EDA技術(shù)，有效提高了學(xué)生分析設(shè)計(jì)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

6 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方式方法的改革，充分激發(fā)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的興趣，調(diào)動(dòng)了學(xué)生上實(shí)驗(yàn)課的積極性，使學(xué)生能夠積極主動(dòng)地參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生互相配合，互相幫助，即保質(zhì)保量地完成了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，又培養(yǎng)了學(xué)生的協(xié)調(diào)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和理論教學(xué)內(nèi)容緊密地結(jié)合起來(lái)，將抽象的理論知識(shí)給予直觀的展示，使教學(xué)內(nèi)容形象化、具體化。

參考文獻(xiàn)：

[1]李英姿，龔靜，陰振勇，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)突出應(yīng)用能力培養(yǎng)[J]，實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31（10）：98-102

[2]馬傳峰，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索與思考[J]，實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31（9）：89-91

[3]竹小晶，武俊鵬，程旭輝，關(guān)于提高“計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)質(zhì)量的探討[J]，計(jì)算機(jī)教育，2009（8）：96-98

[4]張振宇，陳明，工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式化改革[J]，黑龍江教育：高教研究與評(píng)估，2012（10）：34-35

（編輯：趙廓）