應(yīng)用型本科院校《計(jì)算機(jī)組成原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

胡 偉

(黃山學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 黃山 245041)

1 概 述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的日益加速，一方面高水平的學(xué)術(shù)研究型人才必不可少，而另一方面對(duì)高素質(zhì)的應(yīng)用型專業(yè)人才的需求量則更為巨大。國(guó)內(nèi)大多數(shù)的本科院校，特別是新升格的本科院校都確定了以培養(yǎng)應(yīng)用型專業(yè)人才為主要任務(wù)。所以新升格普通高等學(xué)校都必須積極推行應(yīng)用型人才培養(yǎng)的教學(xué)研究與改革。

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)硬件技術(shù)的教學(xué)主要以數(shù)字邏輯電路和計(jì)算機(jī)組成原理為基礎(chǔ)，匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、微機(jī)接口技術(shù)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等課程為擴(kuò)展。其中計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是計(jì)算機(jī)學(xué)科的考研課程之一，在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程體系中有著十分重要的地位。微機(jī)接口技術(shù)和匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)分別是在硬件和軟件方面的延伸和拓展。[1]傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求，因此對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行必要的整合和改革，有利于學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握，加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

2 計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)方式

目前高校計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)主要采用兩種方案實(shí)現(xiàn)。

1.采用固定的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)箱上已經(jīng)將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)部件全部做好，學(xué)生通過親手連線來(lái)掌握各部件的數(shù)據(jù)通路，通過撥動(dòng)相應(yīng)控制開關(guān)模擬控制器給出控制信號(hào)完成計(jì)算機(jī)的各項(xiàng)功能；

2.將EDA技術(shù)引入計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)課程，利用電路設(shè)計(jì)仿真軟件先設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)電路，然后將實(shí)驗(yàn)電路下載到FPGA芯片中，最后利用實(shí)驗(yàn)儀的相應(yīng)硬件資源直觀地觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)。

目前我校使用的是啟東計(jì)算機(jī)公司的DVCCC8JH型計(jì)算機(jī)組成原理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分整合在一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱中，學(xué)生只需要接少量的連線，就可以完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生可以將主要精力花在實(shí)驗(yàn)原理的理解和掌握上。這種固定結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可幫助學(xué)生深刻理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體的工作原理，也能較好的提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ淙秉c(diǎn)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)占大多數(shù)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的擴(kuò)展性不強(qiáng)，學(xué)生的開發(fā)創(chuàng)新能力難以突破實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的局限。如何突出理論聯(lián)系實(shí)際、強(qiáng)調(diào)實(shí)踐的重要性，必須增加設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)的比例，而在原來(lái)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上增設(shè)設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)難度很大。因此課題組對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了大膽的改革，實(shí)驗(yàn)方式由基于固定結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)方式升級(jí)為基于FPGA結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)方式。這種實(shí)驗(yàn)方式突破了傳統(tǒng)硬布線設(shè)計(jì)的局限，通過實(shí)驗(yàn)學(xué)生即能鍛煉動(dòng)手能力，又能更好的培養(yǎng)自身的創(chuàng)新能力和探索能力。這樣的實(shí)驗(yàn)方法即能鞏固學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程的理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，又能促進(jìn)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。[2]

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革實(shí)踐與優(yōu)化

3.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置

基于DVCC-C8JH型計(jì)算機(jī)組成原理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)主要包括計(jì)算機(jī)主要部件功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。其中計(jì)算機(jī)主要部件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)包括運(yùn)算器、存儲(chǔ)器和總線3部分共6個(gè)實(shí)驗(yàn)18個(gè)學(xué)時(shí)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)包括微控制器實(shí)驗(yàn)和基本模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)2部分共6個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)。在FPGA實(shí)驗(yàn)方式上，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置變得更加靈活，實(shí)驗(yàn)類型也全部為設(shè)計(jì)性，每個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)電路可以在滿足實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上由學(xué)生自主設(shè)計(jì)。基于FPGA的實(shí)驗(yàn)開發(fā)首先要利用VHDL進(jìn)行編程，然后利用Modelsim等軟件進(jìn)行仿真調(diào)試，最后利用FPGA實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)下載到芯片后進(jìn)行測(cè)試。FPGA擴(kuò)展板由兩塊FPGA芯片及其外圍電路組成，它的核心器件是Xilinx公司的20萬(wàn)門XCV200的FPGA芯片。表1是固定結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(左)與FPGA實(shí)驗(yàn)方式(右)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置對(duì)照表。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目改革

3.2 優(yōu)化實(shí)踐中存在的問題

經(jīng)過一段時(shí)間的改革實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)雖然將實(shí)驗(yàn)類型由原來(lái)的驗(yàn)證型改為設(shè)計(jì)性，提高了實(shí)驗(yàn)要求，希望能獲得較好的教學(xué)效果，但實(shí)施時(shí)卻遇到非常大的困難。主要原因在知識(shí)體系的欠缺上，由于開始計(jì)算機(jī)組成原理課程時(shí)，學(xué)生只完成了C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，還沒有硬件描述語(yǔ)言的編程訓(xùn)練，而且VHDL語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)與C語(yǔ)言有較大差距，不是很直觀，學(xué)生不易掌握。而且修改教學(xué)計(jì)劃增設(shè)VHDL語(yǔ)言的課程的執(zhí)行難度較大，如果讓學(xué)生采用完全自學(xué)的方式學(xué)習(xí)VHDL語(yǔ)言也很難解決實(shí)際問題。因此，要求學(xué)生使用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)出所有實(shí)驗(yàn)電路的代碼難度太大，大多數(shù)同學(xué)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成代碼的設(shè)計(jì)，更不用說(shuō)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)電路了。為了保證實(shí)驗(yàn)的基本要求，將實(shí)驗(yàn)步驟調(diào)整為教師寫好參考代碼，生成位流文件，實(shí)驗(yàn)前發(fā)布給學(xué)生，要求學(xué)生進(jìn)行分析研究，然后在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候主要讓學(xué)生先下載位流文件進(jìn)行驗(yàn)證，再回過來(lái)進(jìn)行代碼設(shè)計(jì)，這樣保證了所有學(xué)生都能達(dá)到基本要求。為了真正鍛煉學(xué)生的開發(fā)設(shè)計(jì)能力，在實(shí)驗(yàn)之前，要求學(xué)生仔細(xì)閱讀參考代碼，寫出分析報(bào)告，擬定修改設(shè)計(jì)的思路后，由指導(dǎo)老師審核通過后才給予實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)執(zhí)行方式的調(diào)整，大多數(shù)學(xué)生能在按照要求完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的同時(shí)，發(fā)揮自己的開發(fā)創(chuàng)新能力，實(shí)驗(yàn)改革取得階段性成果。如果在課程教學(xué)中設(shè)計(jì)一些啟發(fā)性教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生開展互動(dòng)與討論，特別是引入一些新技術(shù)的介紹，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)研究的方法與方向，能更好的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性，進(jìn)而培養(yǎng)他們的自主學(xué)習(xí)能力、研究能力和創(chuàng)新能力，而基于FPGA結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)改革給學(xué)生提供了良好的實(shí)踐創(chuàng)新思想的機(jī)會(huì)。[3]

3.3 規(guī)范實(shí)驗(yàn)教材

實(shí)驗(yàn)教材主要包括實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的資源。強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的必要條件，實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)質(zhì)量的高低取決于實(shí)驗(yàn)教材的質(zhì)量。[4]為此，我們重新編寫了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。指導(dǎo)書的主要內(nèi)容有實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、預(yù)習(xí)要求等，在指導(dǎo)書上為每一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了較為詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟和參考代碼，要求學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)，仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)參考代碼，寫出分析報(bào)告，從而增加了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)代碼的理解，提高了預(yù)習(xí)的效果，也避免學(xué)生依然停留在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量直接反映了實(shí)驗(yàn)完成的質(zhì)量。以往的實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求學(xué)生使用統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)報(bào)告紙，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，大段地摘抄實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)步驟，這樣的實(shí)驗(yàn)報(bào)告對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的能力沒有任何幫助。在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)中，我們規(guī)范了實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容，對(duì)于實(shí)驗(yàn)報(bào)告中包含的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作和記錄等方面內(nèi)容的填寫只是簡(jiǎn)單的記錄層面的要求，而對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，實(shí)驗(yàn)總結(jié)等方面加強(qiáng)了要求。如實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題以及解決方法，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)軟件的使用等情況的總結(jié)，都要求學(xué)生寫出詳細(xì)的分析報(bào)告，這樣才能將設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)真正體現(xiàn)出來(lái)。

3.4 建立實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助平臺(tái)

開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的CAI實(shí)驗(yàn)課教學(xué)平臺(tái)，利用多媒體進(jìn)行講解，在輔助平臺(tái)中提供更多實(shí)驗(yàn)資源方便學(xué)生查閱，為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過程提供指導(dǎo)。在輔助平臺(tái)設(shè)計(jì)中，對(duì)以往學(xué)生在各個(gè)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的常見問題進(jìn)行了總結(jié)，并將解決辦法在輔助平臺(tái)中列出，讓學(xué)生借助輔助平臺(tái)就可以自主解決實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題，這樣也減輕了老師的指導(dǎo)工作。同時(shí)，基于網(wǎng)絡(luò)的CAI實(shí)驗(yàn)課教學(xué)平臺(tái)能更好的方便師生交流，也為開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供良好的條件。[5]

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用型本科計(jì)算機(jī)硬件類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革將是一個(gè)不斷深入和發(fā)展的過程，我們首先在計(jì)算機(jī)組成原理這門計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐中，進(jìn)行了一些創(chuàng)新和嘗試。通過改革，發(fā)現(xiàn)了一些問題，也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，明確了今后進(jìn)一步展開深入教學(xué)改革的方向和目標(biāo)。對(duì)于其它計(jì)算機(jī)硬件課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革也起到了很好的引領(lǐng)和促進(jìn)作用。教學(xué)改革是提高教學(xué)質(zhì)量的必經(jīng)之路，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是真正培養(yǎng)應(yīng)用型人才創(chuàng)新開發(fā)能力的有效途徑。分析應(yīng)用型本科計(jì)算機(jī)專業(yè)人才特點(diǎn)，合理改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施方案，采用先進(jìn)的教學(xué)手段，加之以科學(xué)的管理，是培養(yǎng)應(yīng)用型本科計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的有效途徑。

[1]唐朔飛.計(jì)算機(jī)組成原理[M].北京：高等教育出版社,2006：33-48.

[2]喬道跡.《計(jì)算機(jī)組成原理》課程復(fù)雜模型機(jī)的深度開發(fā)[J].裝備制造技術(shù),2009,(5)：114.

[3]劉旭東,熊桂喜.“計(jì)算機(jī)組成原理”的課程改革與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育,2009,(7)：74-76.

[4]馬漢達(dá),趙蕙.計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].計(jì)算機(jī)教育,2010,(17)：30-33.

[5]趙秋云,何嘉,魏樂.對(duì)《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教學(xué)模式的探討[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2008,4(3)：693-694.