農(nóng)業(yè)院校計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)箱使用思考

徐淑艷 王玉潔

計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程體系設(shè)置中處于核心地位。該課程具有理論性強(qiáng)、知識(shí)面廣、抽象不易理解、內(nèi)容繁多且難以掌握的特點(diǎn)，是硬件及編程課程的基礎(chǔ)，在課程體系中起著承上啟下的重要作用。計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)實(shí)踐教學(xué)尤其強(qiáng)調(diào)形象、直觀以及可操作性，通過(guò)實(shí)踐教學(xué)不但能夠加深學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部分的工作原理、內(nèi)部相互聯(lián)系和作用的理解，而且培養(yǎng)了學(xué)生理論和實(shí)踐相結(jié)合的能力。因此，如何使用和開(kāi)發(fā)出組成原理箱的各項(xiàng)功能，對(duì)該課程的實(shí)踐教學(xué)具有重要意義。

1 目前普通高校計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)原理箱在使用中存在的問(wèn)題

重理論輕實(shí)踐 計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程因涉及知識(shí)面廣，內(nèi)容繁多，而采用理論教學(xué)為主、少量實(shí)踐教學(xué)為輔的教學(xué)模式。以教師講授為主，學(xué)生圍繞教師的講課思路被動(dòng)地接受，這種教學(xué)模式不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。事實(shí)上，計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，如果不能充分結(jié)合實(shí)踐進(jìn)行教學(xué)，將會(huì)使得學(xué)生對(duì)抽象的理論知識(shí)缺乏深刻理解與掌握，不利于對(duì)學(xué)生進(jìn)行理論聯(lián)系實(shí)際能力的培養(yǎng)，并且這與培養(yǎng)實(shí)用、創(chuàng)新人才的理念相違背。

計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)箱以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，操作簡(jiǎn)單在實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生側(cè)重通過(guò)操作硬件了解電子器件和電路構(gòu)成，對(duì)學(xué)生理解計(jì)算機(jī)的組成和工作原理有一定幫助。然而目前大部分高校采用的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)箱是以驗(yàn)證性為主，操作簡(jiǎn)單。由于組成原理硬件課程的特殊性，面對(duì)底層的電路，很多學(xué)生不知如何下手，往往是實(shí)驗(yàn)做完了，結(jié)果也正確，可是信號(hào)具體在芯片內(nèi)部是如何產(chǎn)生和傳遞的過(guò)程卻并不清楚。這種以驗(yàn)證性為主的實(shí)踐教學(xué)，不利于學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容深入地理解，不利于對(duì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

過(guò)度依賴(lài)仿真軟件，弱化了原理箱在實(shí)踐教學(xué)中的地位和作用 目前，許多高校在實(shí)踐教學(xué)中用仿真軟件替代組成原理箱，即:學(xué)生在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬操作，只需要點(diǎn)擊相應(yīng)的按鍵，就能看到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。這種完全脫離了硬件環(huán)境的實(shí)踐教學(xué)模式導(dǎo)致課程學(xué)完后，學(xué)生只知其然，不知其所以然，根本不知道具體的硬件芯片和電子電路的構(gòu)成，更不能深入地了解CPU的結(jié)構(gòu)和具體的工作原理。

理論指導(dǎo)有限，影響原理實(shí)驗(yàn)箱的使用 該課程實(shí)踐教學(xué)中的普遍情況是學(xué)生人手一套原理箱和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，教師進(jìn)行簡(jiǎn)單的講解后要求學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的要求進(jìn)行操作，看到應(yīng)該出現(xiàn)的結(jié)果就可以了。教師對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原理講解不充分，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原理不理解，不知道如何查找故障，更談不上自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)了。這種教學(xué)方式限制了原理箱功能的開(kāi)發(fā)，起不到理論聯(lián)系實(shí)際、培養(yǎng)動(dòng)手能力的作用，更談不上創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 北京農(nóng)學(xué)院計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)設(shè)備的應(yīng)用情況

北京農(nóng)學(xué)院組成原理箱情況簡(jiǎn)介 北京農(nóng)學(xué)院重視計(jì)算機(jī)組成原理與體系結(jié)構(gòu)課程的建設(shè)，尤其重視實(shí)踐教學(xué)建設(shè)。學(xué)校組成原理實(shí)驗(yàn)設(shè)備從最初的面包板上連接芯片發(fā)展到使用集成度高、操作簡(jiǎn)單、易于理解的組成原理箱，功能從最初只做簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)發(fā)展到現(xiàn)在能開(kāi)出具有研發(fā)、設(shè)計(jì)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。組成原理箱的使用把學(xué)生的精力從簡(jiǎn)單的接線(xiàn)、檢查線(xiàn)路等低端的工作中轉(zhuǎn)移到原理箱的功能使用和開(kāi)發(fā)上來(lái)，使學(xué)生加深對(duì)本課程的理解和把握，為理論知識(shí)的學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)培養(yǎng)了一定的研發(fā)和創(chuàng)新能力。

目前，北京農(nóng)學(xué)院采用COP-FLY-1計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)箱和與之配套的CZ-FLY通訊演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用軟硬結(jié)合的形式，即硬件原理箱+軟件通訊演示系統(tǒng)相結(jié)合的形式:硬件實(shí)驗(yàn)保證了學(xué)生能了解CPU的具體組成，了解當(dāng)前一些流行的技術(shù)和芯片；配套的通訊軟件則提供了可視化的界面，通過(guò)實(shí)時(shí)的信號(hào)采集和傳輸，直觀而形象地展示了信號(hào)和數(shù)據(jù)在CPU內(nèi)部的流動(dòng)情況，有助于學(xué)生更好地理解原理。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，軟件和硬件相結(jié)合，學(xué)生在軟件中選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，軟件會(huì)顯示出該實(shí)驗(yàn)所涉及的硬件的原理框圖。按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的步驟操作硬件，軟件會(huì)實(shí)時(shí)采集到數(shù)據(jù)和信號(hào)，并用不同的顏色在原理框圖上顯示出來(lái)，這樣學(xué)生既了解了硬件的組成，又更加直觀地理解了CPU運(yùn)行的過(guò)程，大大提高學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)水平。

認(rèn)真研究原理箱的功能，參與編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū) 實(shí)驗(yàn)師認(rèn)真研究實(shí)驗(yàn)箱的各項(xiàng)功能，提前在每一臺(tái)原理箱上做出全部的實(shí)驗(yàn)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，找出故障的原因和處理方法。同時(shí)在系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)原理箱的基礎(chǔ)上和任課教師一起開(kāi)發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，參與編寫(xiě)組成原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。

創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方法，充分發(fā)揮原理箱的作用，創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的新模式 采取任課教師指導(dǎo)為主、實(shí)驗(yàn)教師指導(dǎo)為輔共同指導(dǎo)實(shí)踐教學(xué)，充分開(kāi)發(fā)原理箱的功能。任課教師注重實(shí)驗(yàn)原理的講解和對(duì)學(xué)生的啟發(fā)式引導(dǎo)，負(fù)責(zé)實(shí)踐教學(xué)的全過(guò)程；實(shí)驗(yàn)教師要參與實(shí)踐教學(xué)全過(guò)程，也就是前期對(duì)實(shí)驗(yàn)原理箱設(shè)備進(jìn)行研究和調(diào)試，參加新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)教材編寫(xiě)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中負(fù)責(zé)指導(dǎo)和解決學(xué)生出現(xiàn)的問(wèn)題，課后負(fù)責(zé)設(shè)備的維護(hù)和故障檢修等工作。這樣把任課教師從繁瑣的事務(wù)性工作中解放出來(lái)，使他們把更多的精力用于對(duì)學(xué)生的啟發(fā)和引導(dǎo)等重要的環(huán)節(jié)中來(lái)。這種“任課教師+實(shí)驗(yàn)師”共同指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式能夠提高原理箱的應(yīng)用水平，有力地促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)的順利進(jìn)行。

配合3+1培養(yǎng)方案的教學(xué)內(nèi)容安排 在16學(xué)時(shí)的計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)之后，開(kāi)設(shè)30學(xué)時(shí)的小學(xué)期課程設(shè)計(jì)強(qiáng)化實(shí)踐訓(xùn)練。在實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容上強(qiáng)調(diào)整體觀念，實(shí)驗(yàn)師配合教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，用計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)箱預(yù)留出來(lái)的開(kāi)發(fā)功能，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)一些有一定實(shí)用性的實(shí)習(xí)項(xiàng)目，增強(qiáng)學(xué)生的開(kāi)發(fā)興趣。這樣不但培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)和動(dòng)手能力，而且培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考、解決問(wèn)題的能力，實(shí)現(xiàn)了“3+1”培養(yǎng)方案教學(xué)的目標(biāo)。學(xué)生反饋說(shuō):“用組成原理箱進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)比直接做實(shí)驗(yàn)困難許多，通過(guò)自己的設(shè)計(jì)實(shí)踐對(duì)計(jì)算機(jī)原理有了更深入的理解，收獲特別大?！?/p>

3 一些經(jīng)驗(yàn)

北京農(nóng)學(xué)院目前采用COP-FLY-1計(jì)算機(jī)組成原理箱和與之配套的CZ-FLY通訊演示系統(tǒng)。筆者在與任課教師配合指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，通過(guò)不斷摸索，總結(jié)出一些原理箱使用上有益的經(jīng)驗(yàn)做法。

掌握相應(yīng)的理論是做好實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ) 本計(jì)算機(jī)組成原理箱采用微程序和組合邏輯控制器方案，要求學(xué)生必須很好地掌握程序控制器的結(jié)構(gòu)與工作原理，掌握組合邏輯控制器的基礎(chǔ)原理，并且在此基礎(chǔ)上理解熟悉模型計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)，記住ALU控制信號(hào)的功能和意義，看得懂程序，提前預(yù)計(jì)出每一步應(yīng)該出現(xiàn)的結(jié)果，進(jìn)行有的放矢的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，通過(guò)實(shí)驗(yàn)使得所學(xué)知識(shí)得到升華。在實(shí)驗(yàn)中會(huì)結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)重點(diǎn)的理論知識(shí)，使學(xué)生明確每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的與意義，杜絕囫圇吞棗、不知所以然地盲目實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生細(xì)心認(rèn)真的作風(fēng) 計(jì)算機(jī)是由許多的集成電路模塊組成的，其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用都要求認(rèn)真仔細(xì)，來(lái)不得半點(diǎn)馬虎，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)培養(yǎng)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的細(xì)致認(rèn)真作風(fēng)。不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，粗心的學(xué)生往往在搭建好實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路后沒(méi)有注意設(shè)置開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果錯(cuò)誤。實(shí)驗(yàn)教師在指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，會(huì)提示讓學(xué)生自己通過(guò)仔細(xì)檢查、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行改正，從而加強(qiáng)一絲不茍作風(fēng)的養(yǎng)成。

配置原理箱與PC機(jī)之間的端口 連接PC執(zhí)行演示系統(tǒng)時(shí)，要提示學(xué)生提前配制好USB端口，一般系統(tǒng)默認(rèn)為COM1，但是根據(jù)實(shí)際情況端口會(huì)有所不同，需要重新配置，否則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)與原理箱連接失敗。

計(jì)算機(jī)組成原理箱簡(jiǎn)單故障處理的方法 計(jì)算機(jī)組成原理箱大多數(shù)故障為顯示燈不能正常顯示，影響了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的直觀展示及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確輸出，影響了實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量，必須及時(shí)進(jìn)行分析處理。這就要求對(duì)實(shí)驗(yàn)箱有一個(gè)完整細(xì)致的掌握，檢查發(fā)現(xiàn)有的是芯片燒制程序過(guò)程中出錯(cuò)，只有對(duì)各部分的硬件組成及軟件程序都了如指掌，才能夠正確找出故障的原因，有針對(duì)性地進(jìn)行解決，為實(shí)驗(yàn)的正常開(kāi)出提供保障。

按照實(shí)驗(yàn)的模塊化結(jié)構(gòu)判斷顯示燈的位置 本計(jì)算機(jī)組成原理箱的地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)分別采用紅、綠、黃三種顏色的LED燈進(jìn)行顯示。由于實(shí)驗(yàn)箱功能模塊多、面積小，顯示燈擺放得相對(duì)集中且沒(méi)有標(biāo)識(shí)，使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中不能順利及時(shí)地找到各個(gè)功能模塊的顯示。這時(shí)就指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)的類(lèi)型按照模塊化的結(jié)構(gòu)和功能區(qū)進(jìn)行判斷，很快找出相應(yīng)的信號(hào)燈進(jìn)行觀察。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際教學(xué)的基本情況，針對(duì)組成原理箱的使用中存在的問(wèn)題進(jìn)行研究，在開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)上注重綜合性、趣味性和應(yīng)用性，大大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生的動(dòng)手能力和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力得到很大的提高，創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力得到一定的培養(yǎng)。

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