計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)探索

馮永政 鄭坤

摘要：該文通過分析以往計(jì)算機(jī)組成原理用實(shí)驗(yàn)箱開展實(shí)驗(yàn)存在的不足，結(jié)合新冠疫情期間需要“隔離”教學(xué)的特殊要求，換用一款開源虛擬仿真平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，輔助騰訊會議進(jìn)行在線指導(dǎo)和答疑，線上和線下可靈活選擇安排，解決了對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的物理依賴和實(shí)驗(yàn)效果不如意的情況，有助于學(xué)生硬件設(shè)計(jì)思維能力的培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)硬件課程實(shí)驗(yàn)虛擬方式完成的混合式教學(xué)改革。

關(guān)鍵詞： 組成原理實(shí)驗(yàn); 設(shè)計(jì)能力培養(yǎng); 仿真平臺; 虛擬實(shí)驗(yàn); 混合式教學(xué)

中圖分類號：G642.0? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）30-0125-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教指委提出，計(jì)算機(jī)本科專業(yè)應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生四種能力：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力、計(jì)算思維能力、程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力、算法分析與設(shè)計(jì)能力，其中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力占比四分之三，可見其重要性。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)要求學(xué)生建立計(jì)算機(jī)整體系統(tǒng)的理念，引導(dǎo)學(xué)生在硬件和軟件之間的抽象和協(xié)同設(shè)計(jì)思維，具備一定復(fù)雜程度的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。整體系統(tǒng)理念的培養(yǎng)就要夯實(shí)計(jì)算機(jī)組成原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯原理等這些主干課程的基礎(chǔ)，這些課程之間既分散著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的眾多知識概念，也有硬件和軟件之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以經(jīng)歷由點(diǎn)到面再到整體的邏輯思維完整的過程。在這些主干基礎(chǔ)課程中，計(jì)算機(jī)組成原理起到承上啟下的橋梁作用。計(jì)算機(jī)組成原理是接力數(shù)字邏輯課程，其后是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯原理等后續(xù)課程，是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)的核心主干基礎(chǔ)課程[1-2，8]。

計(jì)算機(jī)組成原理以馮·諾依曼結(jié)構(gòu)為主線，講授計(jì)算機(jī)基本硬件部件的組成構(gòu)造及其工作原理，學(xué)習(xí)和理解計(jì)算機(jī)運(yùn)行“存儲程序”的機(jī)理，培養(yǎng)學(xué)生硬件和軟件整體系統(tǒng)的思維方式和研析方法。理論教學(xué)完成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)認(rèn)知能力的培養(yǎng)，分別講授運(yùn)算器、存儲器、控制器、指令系統(tǒng)、總線等各部分的原理及組成，實(shí)踐教學(xué)讓學(xué)生從計(jì)算機(jī)最底層建立整機(jī)概念和系統(tǒng)觀，培養(yǎng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力[1，9]。陜西理工大學(xué)計(jì)算機(jī)本科專業(yè)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)14個(gè)課時(shí)，以往都是用江蘇啟東計(jì)算機(jī)總廠有限公司的DICE-CP226型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)箱開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)箱的特點(diǎn)，一般安排5個(gè)2課時(shí)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和1個(gè)4課時(shí)的綜合性實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果看，比較一般，反映出來的普遍現(xiàn)象是學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的主要工作就是實(shí)驗(yàn)箱的接線，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)象后就忙著寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，而不是花更多時(shí)間從結(jié)果現(xiàn)象反思其背后的硬件組成和工作時(shí)序原理，學(xué)生更多地把實(shí)驗(yàn)箱看待成“黑匣子”，接線、撥動(dòng)設(shè)置開關(guān)就是在“輸入”工作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)象就是得到的“輸出”成果，對“黑匣子”內(nèi)部不求甚解，大部分精力只是關(guān)注“輸入”和“輸出”，而忽視了“黑匣子”的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)理，這才是計(jì)算機(jī)組成原理課程關(guān)注的內(nèi)容反而被“冷落”了，撿了芝麻丟了西瓜。

計(jì)算機(jī)組成原理課程偏重硬件的特點(diǎn)明顯，從計(jì)算機(jī)最底層認(rèn)知硬件系統(tǒng)，那么計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課作為理論聯(lián)系實(shí)際的切入口顯得尤為重要，可是計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生普遍存在“吃軟怕硬”現(xiàn)象[4]，對待硬件興趣不高，這也是前面說學(xué)生主動(dòng)回避實(shí)驗(yàn)箱“黑匣子”內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)的背后原因，遇到硬件即想躲避，如何把學(xué)生的興趣和自信拉回來是亟待解決的問題。近兩年突如其來的新冠病毒疫情持續(xù)不斷在全球蔓延，學(xué)校根據(jù)疫情變化和防范要求把線下課程改為線上進(jìn)行，這種師生隔離和實(shí)驗(yàn)箱設(shè)備隔離的情況給計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課提出了新要求、新方式。困則思變，我們需要探索一種線上加線下混合式教學(xué)模式來滿足和適應(yīng)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)。

2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)備分析

目前大部分高校計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)多采用固定傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱，陜西理工大學(xué)亦是如此，以往一直用江蘇啟東的DICE-CP226型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)箱開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)通過插拔方式連接導(dǎo)線、撥動(dòng)開關(guān)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，涉及控制器的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要編寫微程序等操作來完成。

通過總結(jié)歷年的實(shí)驗(yàn)課情況，本文分析用固定式實(shí)驗(yàn)箱開展計(jì)算機(jī)組成原理，存在以下不足[4-5，7]：

（1）固定式實(shí)驗(yàn)箱開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生更多地把實(shí)驗(yàn)箱看成“黑匣子”，由于不直觀所以不容易引起學(xué)生興趣和探究內(nèi)部硬件電路和部件之間的結(jié)構(gòu)，更不能深入地址信號、控制信號、數(shù)據(jù)信號的產(chǎn)生和流動(dòng)，不能達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生在硬件和軟件之間的抽象和協(xié)同設(shè)計(jì)思維的目標(biāo)。

（2）固定式實(shí)驗(yàn)箱的CPU結(jié)構(gòu)大多數(shù)是固定的，各功能部件多數(shù)固化或功能限制，不能靈活變更指令格式、尋址方式等功能，無法靈活訓(xùn)練和培養(yǎng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合能力。

（3）實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目存在局限性，導(dǎo)致無法延伸擴(kuò)展到數(shù)字電路、微機(jī)原理接口技術(shù)，操作系統(tǒng)等上下級課程的融合銜接無助于課程群知識的貫通。

（4）在實(shí)驗(yàn)箱操作過程中也反映出查錯(cuò)糾錯(cuò)難的問題，一根錯(cuò)誤的接線往往會無法獲得正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)箱各插孔的頻繁插拔，開關(guān)觸頭、插孔接觸不良時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致“軟故障”隱埋，面對亂如麻的接線去查錯(cuò)學(xué)生往往失去耐心，進(jìn)而得不到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，挫敗感進(jìn)一步拉低了興趣和自信。實(shí)驗(yàn)箱某個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目繁雜接線示例，如圖1所示。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的運(yùn)用

2019年，我們參加了華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院開辦的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)導(dǎo)教班的培訓(xùn)，學(xué)習(xí)基于JAVA的Logisim虛擬仿真軟件開展組成原理課程實(shí)驗(yàn)，這種實(shí)驗(yàn)方式克服了對傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺和實(shí)驗(yàn)箱的場地器材方面的依賴和約束，也避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的缺點(diǎn)，為計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課新開辟了一種授課模式。

基于Java開發(fā)的Logisim虛擬仿真軟件是針對小型CPU系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序，可支持Win、Linux、Mac系統(tǒng)平臺，是一款免費(fèi)開源軟件，基本是零實(shí)驗(yàn)成本；Logisim采用圖形化界面，易學(xué)易用，易于調(diào)試，一般花一小時(shí)左右的時(shí)間學(xué)習(xí)使用該軟件即可上手實(shí)驗(yàn)，采用最直觀的分離數(shù)字電路模塊構(gòu)建原理圖的方式，設(shè)計(jì)和仿真方便高效，完全可以脫離硬件仿真環(huán)境運(yùn)行；延續(xù)了數(shù)字邏輯課程中數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法，讓學(xué)生從數(shù)字門電路開始逐步設(shè)計(jì)時(shí)序邏輯、組合邏輯、存儲系統(tǒng)、控制器和運(yùn)算器、流水控制邏輯直至完整的MIPS指令的CPU來深入理解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)；Logisim虛擬仿真軟件運(yùn)行配置硬件要求不高，目前一般的個(gè)人電腦都可以運(yùn)行，學(xué)生可以在自己電腦上安裝和使用，靈活機(jī)動(dòng)地開展實(shí)驗(yàn)，不受時(shí)間空間和場地人員的限制，極大地拓展延長了課外實(shí)驗(yàn)時(shí)間[1-3]，如果采用課內(nèi)課外相結(jié)合的方式，特別適合線上加線下混合式教學(xué)模式的開展。

使用Logisim虛擬仿真軟件還可以完成查錯(cuò)提示和結(jié)果評分，也給學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了條件，通過一系列的規(guī)范化工作來完成，包括規(guī)范輸入輸出接口、標(biāo)準(zhǔn)化測試用例，數(shù)據(jù)量化各個(gè)性能指標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)評分，大大提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的即時(shí)性，學(xué)生通過及時(shí)反饋可自行檢查排除錯(cuò)誤、自動(dòng)評分可提升學(xué)生的獲得體驗(yàn)和自信心，學(xué)生反映有同打游戲通關(guān)之后的興奮感，能激發(fā)學(xué)生硬件課程實(shí)驗(yàn)的興趣[3]。

Logisim基本操作界面如圖2所示。

以多個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成寄存器為例，看如何用分離數(shù)字電路模塊構(gòu)建和封裝一個(gè)功能部件，如圖3所示。

再以構(gòu)建一個(gè)16位CPU為例完成一個(gè)較為復(fù)雜的仿真實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。

2020年春季學(xué)期開始，陜西理工大學(xué)根據(jù)疫情防控的要求調(diào)整線下課程改為線上進(jìn)行，擺在面前的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課如何線上進(jìn)行？這個(gè)問題迫使我們思考，顯然，如果繼續(xù)依靠傳統(tǒng)固定式實(shí)驗(yàn)箱這種方式，既不物理可行也顧慮以上分析總結(jié)的在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上的不足之處，需要另走一條新路，由此我們想到換用Logisim虛擬仿真軟件開展組成原理課程實(shí)驗(yàn)是可行的線上方式，具體實(shí)施過程如下：

（1）首先安排2課時(shí)講授如何安裝和操作使用Logisim虛擬仿真軟件，如果是疫情防控隔離期間，就用騰訊會議召集學(xué)生在線學(xué)習(xí)訓(xùn)練，尤其對首次接觸該仿真軟件的學(xué)生，一定要教會他們熟悉使用，騰訊會議里可以提前準(zhǔn)備錄播的操作使用軟件的視頻和PPT，先是講實(shí)驗(yàn)需經(jīng)常用到的功能菜單和功能鍵，再舉例用分離數(shù)字電路模塊構(gòu)建和封裝一個(gè)簡單功能部件的過程，由基本到簡單再到復(fù)雜，一步一步輔導(dǎo)學(xué)生熟悉該仿真軟件，在線實(shí)時(shí)答疑。如果不在疫情隔離期間可以改為實(shí)驗(yàn)室機(jī)房面授，線上或線下方式根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇。

（2）還有12個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)分別安排4個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，漢字編碼轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)、存儲器實(shí)驗(yàn)和CPU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，前面3個(gè)實(shí)驗(yàn)都是2 課時(shí)，CPU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)較為綜合給予6個(gè)課時(shí)完成。以運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)為例，要求學(xué)生完成一個(gè)16位快速加法器，同時(shí)要產(chǎn)生各種標(biāo)志位符號：溢出、進(jìn)位、符號位、零位。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)給出設(shè)計(jì)思路引導(dǎo)：先設(shè)計(jì)1位全加器，用兩個(gè)與門和一個(gè)或門，兩個(gè)異或門電路完成構(gòu)建1位全加器，并封裝成一個(gè)器件供后面使用，用1位全加器構(gòu)建4位串行進(jìn)位加法器，進(jìn)一步搭建超前進(jìn)位的4位快速加法器，有了4位快速加法器就方便最終構(gòu)建16位快速加法器，整個(gè)實(shí)驗(yàn)要求和過程遵循從簡單到復(fù)雜的梯度安排。

（3）上述12個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)的4個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，如果不在疫情隔離期間就采取分小組在實(shí)驗(yàn)室機(jī)房做實(shí)驗(yàn)，小組內(nèi)再協(xié)商分工，團(tuán)隊(duì)協(xié)作對于學(xué)生有代入感，可能起初由不自覺狀態(tài)逐漸帶入自覺自愿狀態(tài)，一步一步獲得一個(gè)一個(gè)結(jié)果和方法，更加自我認(rèn)同更加激發(fā)興趣，無論實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完成率和實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)良率都比以往實(shí)驗(yàn)箱上做實(shí)驗(yàn)有明顯提高。如果遇到疫情防控隔離期間也可以安排線上進(jìn)行，線上主要通過騰訊會議教師逐一對學(xué)生檢查和監(jiān)督進(jìn)度和答疑，學(xué)生線上簡述實(shí)驗(yàn)過程，主要的操作過程和結(jié)果現(xiàn)象用錄屏提交教師，需要一提的是，線上做這4個(gè)實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生額外提前實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備，對比線下分小組做，線上由學(xué)生單獨(dú)做就需要花費(fèi)更多的時(shí)間，何況線上有限的課時(shí)分散到每個(gè)學(xué)生而言，教師的指導(dǎo)答疑和督查過程結(jié)果會時(shí)間緊張。如果我們要將14個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)進(jìn)行線上加線下的混合式教學(xué)模式，可以將講授如何安裝和操作使用Logisim虛擬仿真軟件的2課時(shí)安排線上進(jìn)行，其余的12個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)的4個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)安排線下實(shí)驗(yàn)室機(jī)房進(jìn)行，這樣安排是考慮講授效率和實(shí)驗(yàn)效果兩個(gè)方面較為合理的方式組合。

4 結(jié)語

通過這幾年計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方式的嘗試，無論從實(shí)驗(yàn)效果還是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀念和硬件設(shè)計(jì)能力這些方面都得到了提升，另外學(xué)生對硬件逐步產(chǎn)生興趣，有助于改變偏軟件冷硬件的“吃軟怕硬”現(xiàn)象。

對于計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的摸索，今后可能嘗試更新更好的方式，有時(shí)候好方法要有適時(shí)的啟發(fā)，我們也是從華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)習(xí)之后結(jié)合疫情特殊時(shí)期想到采取線上線下靈活選擇開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，回顧來看，許多方面受益不少，后期還有許多工作要完善提高。

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