“計(jì)算機(jī)組成原理”實(shí)驗(yàn)課程虛擬仿真教學(xué)模式探索

關(guān)展鵬

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；線上教學(xué)

1引言

“計(jì)算機(jī)組成原理”實(shí)驗(yàn)課程是高等院校計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)課程體系中起著承上啟下的作用[1]；同時(shí)，在新工科建設(shè)背景下，其也是大數(shù)據(jù)、人工智能專業(yè)的基礎(chǔ)課程，屬于新工科建設(shè)的重中之重[2]。學(xué)生系統(tǒng)地了解了計(jì)算機(jī)各功能部件的邏輯組成與運(yùn)行機(jī)制，形成了計(jì)算機(jī)整機(jī)概念[3]。本課程由理論課和實(shí)驗(yàn)課2個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)課程從計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部件出發(fā)，驗(yàn)證計(jì)算機(jī)的工作原理，旨在幫助學(xué)生理解計(jì)算機(jī)各功能部件的邏輯組成與運(yùn)行機(jī)制，形成計(jì)算機(jī)整機(jī)概念，提高學(xué)生研究復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

在實(shí)踐“計(jì)算機(jī)組成原理”實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)過(guò)程中，我們起初采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱（唐都教儀的TD-CMA），遇到了如下挑戰(zhàn)。

（1）實(shí)驗(yàn)箱功能雖多但硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都需要消耗一定的學(xué)時(shí)講解實(shí)驗(yàn)箱的原理，對(duì)于總共16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課而言時(shí)間緊迫。

（2）在實(shí)驗(yàn)箱配套的教程中，大部分實(shí)驗(yàn)都是簡(jiǎn)單驗(yàn)證課堂所講內(nèi)容，缺少讓學(xué)生進(jìn)一步設(shè)計(jì)和創(chuàng)作的平臺(tái)。

（3）從投資回報(bào)的角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)箱已使用超過(guò)10年，設(shè)備陳舊，存在故障的箱子日漸增多，既影響學(xué)生的上課體驗(yàn)，也影響教學(xué)效果。同時(shí)，學(xué)生出于好奇，在實(shí)驗(yàn)期間進(jìn)行一些探索性的嘗試，往往可能給設(shè)備帶來(lái)新的故障。

（4）由于實(shí)驗(yàn)箱的管理需要，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作只能在實(shí)驗(yàn)課室進(jìn)行，課后要再練習(xí)或者實(shí)踐創(chuàng)意幾乎不可能。同時(shí)，在特殊時(shí)段的線上教學(xué)期間，師生均無(wú)法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

針對(duì)問(wèn)題（1），在備課期間，事前錄制實(shí)驗(yàn)箱相關(guān)的教學(xué)視頻，供學(xué)生提前預(yù)習(xí)，并熟悉實(shí)驗(yàn)箱的構(gòu)成和實(shí)驗(yàn)涉及的操作內(nèi)容，從而縮短課堂上講解實(shí)驗(yàn)箱原理的時(shí)間，留足時(shí)間給學(xué)生實(shí)踐。但是，針對(duì)問(wèn)題（2）～（4），只能通過(guò)探索新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式來(lái)解決。從計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生快速適應(yīng)軟件操作的特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合本課程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文引入了開(kāi)源軟件DS-VLAB虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該軟件不依賴任何實(shí)驗(yàn)箱，學(xué)生只要1臺(tái)計(jì)算機(jī)就可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了“計(jì)算機(jī)組成原理”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)大綱所涉及的所有實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生能隨日寸隨地實(shí)踐創(chuàng)意，并錄制實(shí)驗(yàn)操作視頻，達(dá)到了令人滿意的效果。

2DS．VLAB虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

DS-VLAB是一款開(kāi)源的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，采用GPL開(kāi)源許可協(xié)議。該軟件既可單機(jī)運(yùn)行，也能以B/S方式運(yùn)行，以便在課內(nèi)課外、校內(nèi)校外進(jìn)行全時(shí)空教學(xué)[4]。DS-VLAB自帶虛擬的常用數(shù)字功能器件（例如，74LS181的4位ALU．74LS274鎖存器、RAM6116存儲(chǔ)器等），并提供邏輯門(mén)電路、基本元件（開(kāi)關(guān)、指示燈等），以及虛擬的時(shí)序發(fā)生器，可以進(jìn)行全加器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、簡(jiǎn)單模型機(jī)、微程序設(shè)計(jì)等10個(gè)典型實(shí)驗(yàn)[5]，還可以根據(jù)需要自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)電路。上述便捷功能使得在線上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課程成為可能。如圖1所示，在算術(shù)邏輯單元的實(shí)驗(yàn)中，為學(xué)生提供部分完成的實(shí)驗(yàn)電路圖，由學(xué)生自行補(bǔ)充合適的元器件和連接線路，完成實(shí)驗(yàn)電路圖，并開(kāi)啟虛擬仿真系統(tǒng)，進(jìn)行ALU各種計(jì)算功能的驗(yàn)證。DS-VLAB還支持電路圖的導(dǎo)人導(dǎo)出，便于保存工作進(jìn)度，檢查實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3基于虛擬仿真系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)展

借助DS-VLAB虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，圍繞“計(jì)算機(jī)組成原理”實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了線上版本的重新設(shè)計(jì)。在原有教學(xué)大綱的前提下，為了讓學(xué)生通過(guò)軟件逐步了解計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的工作原理，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行重新安排和優(yōu)化。具體如表1所列。

4虛擬仿真實(shí)驗(yàn)示例

在使用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行教學(xué)的過(guò)程中，學(xué)生先后了解了基本運(yùn)算器和靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的功能，但是并沒(méi)有很好地對(duì)二者進(jìn)行協(xié)同工作的實(shí)驗(yàn)。因此，在參考DS-VLAB作者的“總線與微命令實(shí)驗(yàn)”的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出運(yùn)算器與存儲(chǔ)器的綜合實(shí)驗(yàn)（圖2），將ALU、存儲(chǔ)器通過(guò)總線連接在一起，完成數(shù)據(jù)的輸入、存儲(chǔ)、讀出、運(yùn)算、保存結(jié)果等操作，既讓學(xué)生加深了對(duì)這2個(gè)部件協(xié)同工作的理解，也使學(xué)生提前熟悉了微指令的概念，從而為后續(xù)進(jìn)一步學(xué)習(xí)控制器功能和設(shè)計(jì)的相關(guān)章節(jié)打下良好基礎(chǔ)。另外，根據(jù)學(xué)生學(xué)情，有針對(duì)性地布置實(shí)驗(yàn)視頻的作業(yè)，讓學(xué)生一邊操作，一邊講解，然后錄制屏幕生成交付物。通過(guò)對(duì)3個(gè)班實(shí)驗(yàn)視頻的觀察，學(xué)生能正確理解實(shí)驗(yàn)原理，準(zhǔn)確連線，并且能夠自信講解實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和步驟，收效甚佳。

5結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的課程實(shí)踐可見(jiàn)，在“計(jì)算機(jī)組成原理”實(shí)驗(yàn)課程中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)用性很強(qiáng)的補(bǔ)充教學(xué)手段。類(lèi)似于DS-VLAB的實(shí)驗(yàn)軟件，其能夠提高實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的靈活性，改善學(xué)生上實(shí)驗(yàn)課的體驗(yàn)。由于可以隨時(shí)隨地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)生的興趣，讓學(xué)生能夠投入更多的時(shí)間和精力去探索與思考，很好地解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式存在的問(wèn)題。