關于提高“計算機組成原理實驗”課程教學質量的探討

付小晶　武俊鵬　程旭輝

文章編號：1672-5913(2009)08-0096-03

摘要：本文結合實際教學經驗，從實驗內容、教學方法、實驗結果驗收、成績考核和實驗教師隊伍建設等方面，對提升“計算機組成原理實驗”教學質量做了一些研究與探索。

關鍵詞：計算機組成原理實驗；實驗教學；教學質量

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

1引言

“計算機組成原理”是大學計算機專業的一門專業基礎課，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、抽象性較強和學習難度大等特點。因此，該課的實驗教學環節非常重要。近年來，隨著高校實驗教學改革的不斷推進，“計算機組成原理”的實驗教學在實驗課程體系、實驗內容、實驗手段和教學方法等方面都得到了很大的改進。我院在“計算機組成原理”的實驗教學環節中，單獨開設了2門實驗課：“計算機部件實驗”和“計算機組成實驗”，分別為32學時。前者主要完成計算機單個部件的設計與調試，后者主要在部件實驗的基礎上完成模型機系統整體設計和測試。兩門實驗課是一個有機的整體，后者以前者為基礎，共同構成“計算機組成原理”課程的實驗教學內容。本文結合這兩門實驗課程(在本文中統一稱為“計算機組成原理實驗”)實際教學過程中取得的一些成功經驗，從以下幾個方面來探討如何提高“計算機組成原理實驗”課程的教學質量。

2實驗內容與方法

“計算機組成原理實驗”課程的內容主要包括：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設計。實驗類型以驗證性實驗為主，保證設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，符合學生接受知識的習慣。實驗引入EDA技術，采用基于FPGA的實驗開發系統，不但提高了實驗效率，也豐富了實驗手段。每個實驗項目的內容、步驟和具體要求需要根據自身特點來設計，并且根據實際教學效果和學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) 實驗內容靈活性。為了滿足不同層次學生的要求，實驗項目內容盡可能有可選性。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。總線控制實驗允許學生自行選擇設計總線上的部件和數據通路。

(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置一些錯誤，要求學生分析查找并更正錯誤。有能力的學生可以發揮自主設計能力完善設計方案，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) 設計方法多樣性。邏輯電路設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生分別采用二種方式實現。例如運算器實驗和時序電路實驗。對于模型機系統設計，可以采用二者相結合的方法。

3實驗教學方法

“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。學生們的能力有所差異。為了滿足不同層次學生的要求，保證每個學生能夠得到充分的實踐鍛煉，在教學過程中必須采用多種方法，充分發揮教師的指導作用和學生的主觀能動性。我們在實驗教學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相結合

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目的和實驗要求，還要引導學生如何將理論知識和實際電路結合起來，把計算機部件和模型機系統的設計思想深入淺出地灌輸給學生。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，在基本模型機系統設計實驗中，總共安排了4個學時的實驗理論學習，主要講解模型機的設計思想和實驗方法，復習實驗過程用到的基本理論知識。大部分理論學時穿插在實驗過程中，根據實驗進度，在適當的階段統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，當大部分學生都提出關于微程序設計的問題時，可以集中講解學生提出的問題。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生進行單獨輔導。例如，有些學生在實驗中遇到困難，經自己長時間努力也無法解決時。指導教師要耐心的幫助他發現問題解決問題，鼓勵學生增強自信心，使其能夠繼續認真做實驗。對于一些思維活躍的學生，應該對其提出的設計想法給予正確引導。并鼓勵其通過實踐檢驗自己的設計方案。

3.2重視“個性化”培養，鍛煉學生創新能力

“個性化”教育是創新教育的組成部分。由于學生能力的個體差異，應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。適當調整實驗要求和難度。鼓勵學生根據自己的能力，提出多種設計方案并優化設計。在實際教學過程中發現，有些實踐能力突出的學生在教師的指導下完成的實驗遠遠超出了實驗要求。例如有些學生完成了實現多條指令的復雜模型機。還有的學生自行設計指令，增加了堆棧操作等指令。指導教師應該注意發現優秀或有特長的學生，開展“個性化”培養，鼓勵他們培養設計能力和創新能力。組織他們參加各種科研訓練和電子設計競賽。

3.3嚴肅實驗課堂紀律，保證學生獨立完成實驗

計算機組成原理實驗引入了EDA技術，提高了實驗效率，但所有電路設計文件都在PC機中完成，文件拷貝非常容易，這給實驗作弊提供了方便。在以往的實驗教學過程中，發現有少數學生作弊。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。

(2) 實驗進度慢，為了提高實驗速度，拷貝進度較快的學生的實驗工程。

(3) 對自己的實驗仿真結果不滿意，拷貝實驗結果優秀學生的仿真設計文件。

作弊不但使學生個人失去了實踐的機會，而且如果不及時發現，會導致了考核的不公平，甚至影響整體的實驗風氣。因此，必須嚴肅實驗課堂紀律。根據實際經驗，采用了以下有效措施：

(1) 發現作弊，給與扣分。作弊嚴重者，此次實驗成績為不及格。

(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，例如以自己學號后兩位結尾。由于文件互相關聯，修改名字比較麻煩，并且容易產生錯誤。這樣避免了學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，通過提問以及現場提出要求進行操作等方式，發現獨立性較差的學生，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。但教師應該給與正確的組織，避免有些學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象出現，保持了優良的實驗風氣。學生們能夠認真獨立地完成實驗。對于動手能力較弱的學生，在同學和指導教師的幫助下，能夠堅持獨立完成實驗。

3.4鼓勵學生利用課余時間做實驗

教學計劃內的實驗課時可以保證大多數學生按時完成實驗。但為了能夠給學生提供充分的實踐機會，提高實驗室資源的利用率，實驗室對學生提供額外的開放時間。只要學生提出申請，就可以利用課余時間到實驗室做實驗。實驗室開放采用網絡化管理軟件，實現網上預約實驗，現場刷卡簽到，為學生實驗提供了方便。這樣一些動手能力較差的學生可以多花時間保證按時完成實驗。一些學習興趣濃厚，刻苦鉆研的學生，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突出的學生給予適當地加分鼓勵。

4實驗考核體系

4.1嚴格考察學生答辯演示，加強實驗驗收環節

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

4.2建立量化的成績評定方法

考核是檢查和評價教學質量的重要手段。計算機組成實驗課的主要內容是在EDA實驗臺上設計并實現一個8位的基本模型機，實驗課程成績評定結果共分為5個級別：優、良、中、及格和不及格，主要由學生的預習情況、現場表現和實驗報告三個成績綜合評定。其中，現場表現成績為主要評分依據。實驗成績的具體考核方式為：

(1) 預習情況占20%，具體考查項包括實驗準備情況和預習報告完整性。

(2) 現場表現占60%，具體考查項包括實驗規范性、實驗原理掌握、調試排錯能力、操作熟練程度、演示與答辯和設計創新能力。

(3) 實驗報告占20%，具體考查項包括報告內容完整性、報告內容組織結構、報告文字表述、實驗過程與分析、圖表規范性和字跡與版面。具體的評分標準采用傳統的加權計算方法。

實驗成績的計算方法不復雜，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。尤其是現場成績評定。在考核過程中，為了減少主觀評價的不穩定因素。應該根據現場成績考核細則制定非常詳細的現場考核依據。例如，實驗完成的次序，回答問題正確的個數，錯誤的個數，演示過程中出現的錯誤個數，與教師交流的次數等。考核依據盡量量化。這樣記錄方便，評定結果一目了然，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

實驗教師的素質是保證實驗教學質量的關鍵。為了提高實驗教學質量，我們不斷壯大實驗教師隊伍，提高實驗教師的能力，建設先進的實驗教師團隊。經過多年來的實踐，我們總結出高效的實驗教師隊伍建設經驗。主要有：

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

(2) 實驗教師隊伍組織科學化。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小組完成。每個教學小組由兩位教學經驗豐富的老教師和兩名年輕的教師組成。充分發揮老教師教學經驗豐富和年輕教師干勁十足的優勢。從實驗原理講解、實驗過程指導、實驗結果驗收、實驗報告批改等各個環節，充分發揮教學小組的優勢，保證實驗教學質量。

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

5結束語

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，并取得了一定的經驗。學生整體的實踐動手能力得到提高，在學科競賽、科研訓練、課程設計、畢業設計以及就業方面都取得了明顯的成績。“計算機組成原理實驗”是一門非常重要的計算機專業實驗課。提高課程教學質量是一項長期的任務，隨著計算機技術的不斷發展，新的實驗設備和實驗技術將會引入到實驗教學中，為實驗教學改革提出了挑戰和契機。實驗教師應該在實驗教學過程中，根據實驗效果和學生的反饋意見不斷修訂實驗內容，開發經典的實驗項目，豐富實驗教學方法，建立科學的考核體系，切實提高計算機組成原理實驗的教學質量，提高計算機本科學生的實踐動手能力和創新能力。

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