農業院校計算機組成原理實驗箱使用思考

徐淑艷 王玉潔

計算機組成與體系結構是計算機科學與技術專業的重要專業基礎課，在計算機科學與技術專業課程體系設置中處于核心地位。該課程具有理論性強、知識面廣、抽象不易理解、內容繁多且難以掌握的特點，是硬件及編程課程的基礎，在課程體系中起著承上啟下的重要作用。計算機組成與體系結構實踐教學尤其強調形象、直觀以及可操作性，通過實踐教學不但能夠加深學生對計算機系統各部分的工作原理、內部相互聯系和作用的理解，而且培養了學生理論和實踐相結合的能力。因此，如何使用和開發出組成原理箱的各項功能，對該課程的實踐教學具有重要意義。

1 目前普通高校計算機組成與體系結構實驗原理箱在使用中存在的問題

重理論輕實踐 計算機組成與體系結構課程因涉及知識面廣，內容繁多，而采用理論教學為主、少量實踐教學為輔的教學模式。以教師講授為主，學生圍繞教師的講課思路被動地接受，這種教學模式不利于調動學生學習的積極性和主動性。事實上，計算機組成與體系結構是一門實踐性很強的課程，如果不能充分結合實踐進行教學，將會使得學生對抽象的理論知識缺乏深刻理解與掌握，不利于對學生進行理論聯系實際能力的培養，并且這與培養實用、創新人才的理念相違背。

計算機組成原理實驗箱以驗證性實驗為主，操作簡單在實踐教學中，學生側重通過操作硬件了解電子器件和電路構成，對學生理解計算機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算機組成原理實驗箱是以驗證性為主，操作簡單。由于組成原理硬件課程的特殊性，面對底層的電路，很多學生不知如何下手，往往是實驗做完了，結果也正確，可是信號具體在芯片內部是如何產生和傳遞的過程卻并不清楚。這種以驗證性為主的實踐教學，不利于學生對課程內容深入地理解，不利于對創新型人才的培養。

過度依賴仿真軟件，弱化了原理箱在實踐教學中的地位和作用 目前，許多高校在實踐教學中用仿真軟件替代組成原理箱，即:學生在計算機上進行模擬操作，只需要點擊相應的按鍵，就能看到實驗的結果。這種完全脫離了硬件環境的實踐教學模式導致課程學完后，學生只知其然，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成，更不能深入地了解CPU的結構和具體的工作原理。

理論指導有限，影響原理實驗箱的使用 該課程實踐教學中的普遍情況是學生人手一套原理箱和實驗指導書，教師進行簡單的講解后要求學生按照實驗指導書的要求進行操作，看到應該出現的結果就可以了。教師對實驗結果的原理講解不充分，學生對實驗結果的原理不理解，不知道如何查找故障，更談不上自己設計實驗了。這種教學方式限制了原理箱功能的開發，起不到理論聯系實際、培養動手能力的作用，更談不上創新能力的培養。

2 北京農學院計算機組成原理實驗設備的應用情況

北京農學院組成原理箱情況簡介 北京農學院重視計算機組成原理與體系結構課程的建設，尤其重視實踐教學建設。學校組成原理實驗設備從最初的面包板上連接芯片發展到使用集成度高、操作簡單、易于理解的組成原理箱，功能從最初只做簡單的驗證性實驗發展到現在能開出具有研發、設計性質的實驗。組成原理箱的使用把學生的精力從簡單的接線、檢查線路等低端的工作中轉移到原理箱的功能使用和開發上來，使學生加深對本課程的理解和把握，為理論知識的學習打下扎實的基礎，同時培養了一定的研發和創新能力。

目前，北京農學院采用COP-FLY-1計算機組成原理實驗箱和與之配套的CZ-FLY通訊演示系統。該系統采用軟硬結合的形式，即硬件原理箱+軟件通訊演示系統相結合的形式:硬件實驗保證了學生能了解CPU的具體組成，了解當前一些流行的技術和芯片；配套的通訊軟件則提供了可視化的界面，通過實時的信號采集和傳輸，直觀而形象地展示了信號和數據在CPU內部的流動情況，有助于學生更好地理解原理。在實驗過程中，軟件和硬件相結合，學生在軟件中選擇實驗內容，軟件會顯示出該實驗所涉及的硬件的原理框圖。按照實驗指導書的步驟操作硬件，軟件會實時采集到數據和信號，并用不同的顏色在原理框圖上顯示出來，這樣學生既了解了硬件的組成，又更加直觀地理解了CPU運行的過程，大大提高學習興趣和實驗水平。

認真研究原理箱的功能，參與編寫實驗指導書 實驗師認真研究實驗箱的各項功能，提前在每一臺原理箱上做出全部的實驗，對設備進行調試，找出故障的原因和處理方法。同時在系統研究實驗原理箱的基礎上和任課教師一起開發新的實驗項目，參與編寫組成原理實驗指導書。

創新實踐教學方法，充分發揮原理箱的作用，創新實踐教學的新模式 采取任課教師指導為主、實驗教師指導為輔共同指導實踐教學，充分開發原理箱的功能。任課教師注重實驗原理的講解和對學生的啟發式引導，負責實踐教學的全過程；實驗教師要參與實踐教學全過程，也就是前期對實驗原理箱設備進行研究和調試，參加新的實驗項目的開發和實驗教材編寫，在實驗過程中負責指導和解決學生出現的問題，課后負責設備的維護和故障檢修等工作。這樣把任課教師從繁瑣的事務性工作中解放出來，使他們把更多的精力用于對學生的啟發和引導等重要的環節中來。這種“任課教師+實驗師”共同指導實驗教學的模式能夠提高原理箱的應用水平，有力地促進實踐教學的順利進行。

配合3+1培養方案的教學內容安排 在16學時的計算機組成與體系結構課程實驗教學之后，開設30學時的小學期課程設計強化實踐訓練。在實踐教學的內容上強調整體觀念，實驗師配合教師根據學生的實際情況，用計算機組成原理實驗箱預留出來的開發功能，指導學生設計一些有一定實用性的實習項目，增強學生的開發興趣。這樣不但培養了學生的學習和動手能力，而且培養了學生獨立思考、解決問題的能力，實現了“3+1”培養方案教學的目標。學生反饋說:“用組成原理箱進行開發設計比直接做實驗困難許多，通過自己的設計實踐對計算機原理有了更深入的理解，收獲特別大。”

3 一些經驗

北京農學院目前采用COP-FLY-1計算機組成原理箱和與之配套的CZ-FLY通訊演示系統。筆者在與任課教師配合指導學生實驗的過程中，通過不斷摸索，總結出一些原理箱使用上有益的經驗做法。

掌握相應的理論是做好實驗的基礎 本計算機組成原理箱采用微程序和組合邏輯控制器方案，要求學生必須很好地掌握程序控制器的結構與工作原理，掌握組合邏輯控制器的基礎原理，并且在此基礎上理解熟悉模型計算機指令系統，記住ALU控制信號的功能和意義，看得懂程序，提前預計出每一步應該出現的結果，進行有的放矢的學習與實踐，通過實驗使得所學知識得到升華。在實驗中會結合實驗內容簡單復習重點的理論知識，使學生明確每一個實驗的目的與意義，杜絕囫圇吞棗、不知所以然地盲目實驗。

在實驗中培養學生細心認真的作風 計算機是由許多的集成電路模塊組成的，其設計、生產、使用都要求認真仔細，來不得半點馬虎，通過實驗來培養計算機專業學生的細致認真作風。不同的實驗對應不同的開關狀態，粗心的學生往往在搭建好實驗線路后沒有注意設置開關的狀態，導致實驗結果錯誤。實驗教師在指導學生實驗時，會提示讓學生自己通過仔細檢查、發現問題并進行改正，從而加強一絲不茍作風的養成。

配置原理箱與PC機之間的端口 連接PC執行演示系統時，要提示學生提前配制好USB端口，一般系統默認為COM1，但是根據實際情況端口會有所不同，需要重新配置，否則會導致計算機與原理箱連接失敗。

計算機組成原理箱簡單故障處理的方法 計算機組成原理箱大多數故障為顯示燈不能正常顯示，影響了實驗過程的直觀展示及實驗結果的正確輸出，影響了實驗的質量，必須及時進行分析處理。這就要求對實驗箱有一個完整細致的掌握，檢查發現有的是芯片燒制程序過程中出錯，只有對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，有針對性地進行解決，為實驗的正常開出提供保障。

按照實驗的模塊化結構判斷顯示燈的位置 本計算機組成原理箱的地址、數據和控制信號分別采用紅、綠、黃三種顏色的LED燈進行顯示。由于實驗箱功能模塊多、面積小，顯示燈擺放得相對集中且沒有標識，使得學生在實驗中不能順利及時地找到各個功能模塊的顯示。這時就指導學生根據實驗的類型按照模塊化的結構和功能區進行判斷，很快找出相應的信號燈進行觀察。

4 結束語

本文結合實際教學的基本情況，針對組成原理箱的使用中存在的問題進行研究，在開發的設計上注重綜合性、趣味性和應用性，大大地調動了學生的學習積極性，使學生的動手能力和分析問題、解決問題的能力得到很大的提高，創新思維、創新能力得到一定的培養。

[1]肖敏.淺析計算機組成原理綜合設計性實驗的教學實踐[J].教育教學論壇,2014(22):216-218.

[2]徐愛萍,張玉萍,涂國慶.計算機組成原理課程整機實習教學改革與實踐[J].計算機教育,2014(10):101-104.

[3]王力生,王煜.計算機組成原理實驗教學方法改進[J].電腦知識與技術,2014,10(28):6704-6706.

[4]周寧寧,程春玲.基于FPGA技術的計算機組成原理實驗系統[J].現代電子技術,2005(1):23-25.

[5]肖娟.虛擬實驗系統在計算機組成原理實驗教學改革中的應用[J].計算機教育,2014(4):33-36.