計算機組成原理實驗教學改革的探討

王婧

摘 要：計算機組成原理課程是計算機科學與技術系的一門核心專業基礎課，實驗課和課程設計是這門課程的重要教學環節，對提升課程的教學質量有著顯著的影響。計算機組成原理實驗教學環節對學生掌握計算機硬件知識以及培養學生專業素質起著非常重要的支撐作用。本文分析了目前本課程實驗教學存在的主要問題及原因，結合我校實際情況，論述從實驗教學體系、實驗內容及實驗教學方法幾個方面進行的改革措施。

關鍵詞：計算機組成原理；實驗教學改革；啟發式教學法；分層次教學法

中圖分類號：TP303 文獻標識碼：A

Abstract：The course of Computer Composition Principles is a core professional basic course in the department of computer science and technology.The experiment course and course design are the important teaching links in the course，with a significant impact on the quality of teaching.The experiment teaching of Computer Composition Principles plays a supporting role for students to master computer hardware knowledge and cultivate professional quality.This paper analyzes the current main problems and their causes in the experiment teaching of this course.In combination with the practical situation of our university，this paper proposes the reform measures from several aspects，including the experiment teaching system，the experiment content and the experiment teaching method.

Keywords：computer composition principles；experiment teaching reform；heuristic teaching method；hierarchical

teaching method

1 引言（Introduction）

計算機組成原理課程是計算機專業的一門核心課，是學好計算機專業后續課的基礎，學生通過本課程的學習，可以從層次的觀點掌握計算機組成和運行機制方面的基本概念、基本原理、基本設計和分析方法。從系統的觀點理解提高計算機整機的硬軟件性能和部件性能的各種可行途徑，了解計算機系統中硬件、軟件的功能劃分和相互配合關系。能夠讓學生從提高系統性能的主體宏觀角度出發，站在更高層次上思考和解決專業中遇到的問題。基于該部分知識體系的重要程度，這門課已經被國家列入計算機專業考研專業課考試內容之一。然而計算機內部結構復雜且集成度高，使得課程內容多、涉及面廣、更新快、難度大，學生理解起來比較抽象和枯燥[1]。因此實驗教學的設置尤為重要，實驗課的合理設計可以彌補講解不足，將課堂教學和實驗內容結合，可以幫助學生更形象和直觀的理解知識從而應用知識，培養學生自行設計和創造的能力。

2 現存問題（Existing problems）

計算機組成原理課程具有內容龐雜、抽象、很多細節無法感知，不容易得到感性認識，而且所學內容前后連貫性強，覆蓋范圍廣的特點。通過幾年的教學實踐，筆者發現計算機組成原理實驗課存在很多問題，主要包括三方面。

2.1 與先修課銜接不良

計算機組成原理課程的先修課主要包括“計算機基礎”和“程序設計”，要求學生具備高級語言程序設計、匯編語言程序設計、布爾代數和數字邏輯電路設計等方面的基礎知識，在進行計算機組成原理實驗時需要運用很多相關的知識點。在實際教學中發現，很多學生掌握的這部分知識不夠支撐去理解實驗設備的電路設置，因此需要耗費很多的時間去補習先修課的知識。

2.2 實驗內容形式單一

我校使用的實驗設備是從廠家購置的Dais-CMX16+十六位體系結構實驗裝置，廠家提供配套實驗指導書，提供了詳細實驗項目設置，實驗內容和實驗步驟。實驗內容基本以驗證性為主，由于計算機組成原理實驗儀器結構復雜，實驗箱已集成基本功能模塊，預留信號線插孔，連線較多，總線包括數據總線、地址總線、指令總線，還有控制信號等，學生大部分時間都浪費在實驗準備上，連接好后，學生只需機械撥弄開關即可完成實驗內容，看到實驗結果。這樣的實驗設置缺乏設計性和綜合性，學生只側重于實驗結果，而忽視了實驗原理。很難讓學生建立整機系統的概念，教學效果很不理想。

2.3 實驗內容與課堂內容脫節

計算機組成原理課程具有技術性高和抽象性強的特點，其教學內容很難通過短暫的課堂講授被學生完全理解和掌握。傳統的課堂教學手段不夠直觀和形象，因此實驗教學就顯得尤為重要。但現實是實驗教材是直接使用廠家提供的指導書，其內容和課堂內容相對獨立，在課堂上講解的知識點往往在實驗課上得不到實現和印證，某些知識內容點如Cache、動態存儲器DRAM等發展很快，實際的計算機系統要比實驗中的模型機復雜得多，像多級總線、多核CPU、多級Cache和多種IO總線等內容，在實驗儀器上都沒有體現，學生還是無法透徹理解相關原理和知識點。endprint

3 實驗課程改革措施（Reform measures of

experiment courses）

基于以上存在的幾點問題，我們在這門課的實踐教學環節進行了系列改革，主要措施如下：

3.1 實驗教學模式改革

傳統實驗教學方法是教師講解，學生參照實驗指導書步驟利用現有實驗箱按部就班進行驗證，這種方式學生無法真正理解每步操作的真正含義和作用。對此我們改變了原有的教學模式。采用啟發式教學，突出理論實際應用，并結合先進的教學手段。首先在進行實驗之前，教師提前一個星期在理論課堂上先將實驗內容進行講解，讓學生事先預習實驗電路圖和各個芯片信號的作用，在實驗課上利用計算機多媒體輔助教學方式，利用開發的CAI實驗課件，以動畫的形式演示并講解，再讓學生驗證或設計，理解數據流動的過程和最終結果[2]。采用這種方式后，學生感覺更直觀、更形象、更容易理解，達到了提高學習興趣的目的。

實驗教學的內容主要是以馮諾依曼機為原型，從一臺整機出發，把所學的知識點定位到計算機系統中的對應位置，從而建立前后知識點的關聯，并逐步形成該課程的整體內容框架。需掌握存儲器、運算器、控制器和輸入輸出系統，以及連接這些主要部件的系統總線的構成和原理[3]。在學習之前需要先修“數字邏輯電路”“電路與模擬電子技術”等專業課，掌握相關專業知識。為解決與先修課銜接不良的顯現，首先我們將這三門課開設時間緊湊設置為相鄰學期，并組建教學團隊，定期組織教學團隊進行交流，說明各門課程的知識結構，對重疊知識點和具有延續性的知識點進行總結歸納，并據此擬定對這些知識點的教學方法，劃定講解范圍及講解深度，這樣能更細致的掌握跨課程知識點的前后關聯，引導學生銜接先修課程的知識結構。

增加實驗在期末考核中的比重。以往期末考試以筆試為主，占期末成績的90%，平時成績為10%，學生都成了“考試型”人才，以考前突擊背誦概念作為通過考試的手段，沒有實現研究能力和創新能力的培養目標。對此我們將實驗考核比重增加，期末筆試占總成績60%，實驗報告占總成績30%，平時成績占總成績10%。在每個實驗完成后提交實驗報告，規范實驗報告格式，要求學生對實驗過程進行分析，實驗現象進行總結，對實驗過程中出現的問題提出解決方法。這種方式起到了督促學生深入理解實驗過程掌握實驗原理的作用。

3.2 實驗教學內容更新

將以往的以驗證性為主的實驗內容，詳見表1。更新為以驗證性、設計性、綜合性相結合的方式，不同實驗性質采用不同的教學過程和教學方法，詳見表2。在實驗課最后安排一次貫穿全部內容的綜合性實驗，將前幾次實驗的單元電路組合在一起，設計一個簡單的基本模型機。

如表2所示改進后的實驗內容由三大類型構成，即驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗，其構成比例為3：4：1。以往驗證性實驗內容占主導，抑制了學生的創新能力。實驗內容調整后，增加了設計性實驗的比重。在設計性實驗中，只給出實驗目的和要求，具體實驗過程完全由學生自行實現，例如基本指令實驗中，要求學生在實驗裝置原有指令系統的基礎上，自行設計新指令并編寫相應的微程序，要求兩條指令都要用到運算器功能及使用兩種以上尋址方式[4]。多數學生都能在完成實驗基本內容的基礎上，獨立思考提出相關問題，并找到解決方法。個別能力非常強的學生，不僅完成了課堂實驗要求，還能夠找到多種實現方法，在此基礎上獨立開發，產生了自我創新的欲望，培養了創新思維[5]。

除此以外，在本教學學期的第二學期開設與本課程內容相關的課程設計，課程設計內容為運用之前的零散知識點完成綜合性的系統設計。在完成課程設計期間，建立開放性的實驗條件，允許學生在專業實驗室不限定時間完成實驗內容，可結合自己專業特點或興趣提出設計構想和方案，教師在規定課程時間給予相應的指導和答疑，輔助學生完成課程設計內容，課程設計的結果作為期末考核成績，對應相應的學分。這樣有助于培養學生主動學習和創造意識，有助于對系統整體概念的建立。

3.3 改進實驗教學方法

（1）采用啟發式教學方法

針對課堂教學與實驗教學內容脫節的現狀，我們采用啟發式教學方式，在課堂教學中采用由整體到局部，層層深入的過程。首先建立整機概念，然后再劃分為具體細節，讓學生明確所學內容在整個計算機工作中的作用，對全局的影響。同時在實驗課堂上，針對課堂教學內容的細節部分以信息的數字化表示、信息的傳送和控制方法等幾個層次進行部件的介紹和分析，通過錄制教學視頻及flash制作的動畫方式生動的展示數據流過程，以及各個部件的內部構造，最終完成一臺整機系統的建立。

（2）建設實驗教學平臺

在課堂教學外，教學團隊組織共同開發實驗教學平臺，在平臺上不斷補充新的教學內容，除了利用CAI實驗課件生動的展示實驗原理內容外。還具備網上答疑、教學互動及教學文件、實驗報告上傳下載等功能，使學生除課堂教學及實驗教學時間外，可以進行預習、復習、交流和總結等活動。使用平臺后，學生遇到問題將節省很多時間，在網上互動不僅減輕了授課教師的指導工作，也調動了學生之間交流學習的積極性。

（3）采用個性化教學方法

學生存在個體差異，在實驗教學中采用相同的標準來統一要求所有學生是不客觀的。因此，為保證每個學生個性化充分發揮，都能在原有基礎上得到能力的提高，我們采用啟發式教學方式，分層次對學生提出要求。實驗大綱的基本要求都是統一的，但是對于能力較強的學生，會要求其在完成實驗報告的基礎上，給出更多的設計方案，用不同的方法印證或實現實驗結果，充分發揮學生的創新力。

（4）引入先進技術

隨著虛擬現實技術的不斷發展，3D數字化技術、多傳感器技術、多媒體交互體驗、高分辨率的顯示技術的運用，能夠生成逼真的3D虛擬場景，再現計算機的總線結構、指令流、數據流、多核CPU、多級Cache、動態存儲器等工作原理和工作過程，還能使學生與場景進行實時交互，甚至感知實驗對象。能夠讓學生體會到比現有實驗裝置更佳的性能，實現更好的教學效果。和傳統實驗相比，虛擬實驗可以不受時間和空間的限制，不用在實驗室完成，不需要實驗儀器等優勢[6]。但是這對設備和環境的硬件要求比較高，前期需要有較大的資金投入。

4 結論（Conclusion）

總之，計算機組成原理課程是計算機科學與技術系的一門核心專業基礎課，而計算機組成原理實驗教學是計算機組成原理課程必不可少的一個教學環節，是培養計算機專業學生動手能力和創新能力的重要教學手段。必須高度重視這一教學環節，不斷加強實驗教學建設，不斷完善實驗教學內容，研究先進的實驗教學方法，改善實驗教學效果，從而達到提高學生學習效率和學習興趣的目的。

參考文獻（References）

[1] 莫曉暉，張漪.計算機組成原理課程教學改革[J].計算機教育，2010（13）：101-103.

[2] 劉三榮.新考綱下《計算機組成原理》教學改革與探討[J].電腦知識與技術，2012，30（8）：7267-7268.

[3] 唐朔飛.計算機組成原理[M].北京：高等教育出版社，2008.

[4] 馬漢達，趙蕙.計算機組成原理實驗教學改革[J].計算機教育，2010（17）：30-33

[5] 畢琳.《計算機組成原理》課程教學改革探索[J].重慶與世界學術版，2013（8）：73-75.

[6] 賈彥竹，等.計算機組成原理實驗教學探索[J].合肥師范學院學報，2016（5）：74-78.

作者簡介：

王 婧（1981-），女，碩士，副教授.研究領域：計算機科學與技術.endprint