《計算機組成原理》實驗教學的優化及改進

摘要：本文針對當前高校《計算機組成原理》實驗教學的現狀，引入“啟發-探究”式教學方法，并結合實際教學情況對實驗內容進行了優化。實踐證明，優化的實驗內容和“啟發-探究”式教學方法不僅對于提高學生理論水平起到了積極作用，而且提高了學生的動手能力，培養了學生的創新思維，對于培養應用型人才具有一定的現實意義。

關鍵詞：計算機組成原理；實驗教學；“啟發-探究”式教學

基金項目：濱州學院教學研究項目（BYJYYB200918）；濱州學院科研基金項目（BZXYG1102）

TP301-4

0.前言

《計算機組成原理》屬于計算機及其相關專業的專業基礎課程，更因為被列入計算機專業考研通考專業課而愈來愈被學生重視。課程通過對計算機系統概述、總線系統、存儲系統、輸入輸出系統、CPU、控制單元等主要組成部分的深刻解析和具體講授，使學生能夠形象的理解計算機的基本組成和工作原理[1]。

該課程內容抽象，知識點多，邏輯性強，內容有深度，有難度，芯片工作原理難以理解，教師很難形象的講授教學內容 [2]。因此，各高校都會開設實驗課以輔助理論教學。

1.實驗課程教學現狀

目前可供選擇的計算機組成原理實驗箱及實驗資料很多，但是很多學生普遍感覺理論課與實驗課像兩條并行的鐵軌，無法有機地聯系起來。在實際應用中一遇到計算機硬件便一片茫然，無從下手，考研中的設計題更是得分率低。綜合考慮主要存在以下問題：

（1） 課程銜接不良

計算機組成原理的先修課包括電子技術、數字電路、模擬電路等。很多高校計算機專業的學生著重于編程的訓練卻在硬件電路方面知識薄弱，對于《計算機組成原理》中涉及的電路知識無法理解，致使計算機內部基本部件之間的構成原理及實現方法很難被學生理解，更無法對各大部件進行相關的設計。

（2） “傻瓜式”實驗模式

大部分高校使用的《計算機組成原理》實驗箱都采用集成化設計，實驗箱上集成了計算機的基本功能模塊，只是預留一些關鍵的信號線及總線供學生連接[3]。實驗指導書只提供實驗內容及實驗步驟，對于相關原理介紹甚少，對于數據流如何流動及相關時鐘分配無詳細介紹。

學生按照實驗指導書進行操作，機械地接線、撥動相應開關或做其它操作，直到看到實驗結果，如果出現結果錯誤或做不出結果，不會查找故障，更不知如何解決[4]。

（3） 實驗內容與理論教學脫節

目前的試驗箱可提供多種多功能試驗，廠家提供的配套實驗指導書中大多是單個模塊的驗證性實驗介紹，綜合性、設計性實驗很少。單一的驗證性實驗無法使學生建立一個“整機”的概念，實驗內容與理論教學及考研大綱也存在一定出入。

總之，針對使《計算機組成原理》的實驗課真正達到輔助教學的目的，無論在優化實驗內容還是改進教學方法等方面均需要積極探索和研究。

2.課程的優化和改進

2.1設計安排更科學合理的實驗教學內容

首先，依據理論教學大綱和考研大綱，在原有的基礎驗證性實驗基礎上，增加若干設計性或綜合性實驗，輔助學生深入理解計算機內部各大部件之間如何工作，數據流如何流動，指令如何運行，時鐘如何分配等。例如，設計一臺硬連線的模型機，包括機器指令的設計，即指令格式，微指令流程圖，相關控制信號，分配時序周期，并編寫相應的微程序，使用實驗箱資源，上機調試實現，并提交實驗設計報告。通過實驗，使學生將所學的基礎理論知識模塊和驗證試驗模塊有機地結合起來，形成一個“整體”的概念，了解各個模塊的功能、時鐘和控制信號。其次，根據理論課程進度適時調整實驗項目的順序，依據教學大綱和考研大綱的變化精心設計每次實驗的內容，使實驗目的更明確，前后實驗內容能夠有機地銜接起來，讓實驗與理論相輔相成。

2.2引進“啟發—探究”式教學方法，引導學生自主創新

“啟發—探究”式教學旨在培養學生的探索精神和創新意識，基本操作程序如下圖所示：

圖1 “啟發—探究”式教學基本操作程序圖

將此種方法應用于實驗教學，依據實驗的內容和性質將實驗分為三類：驗證性、設計性和綜合性，結合學生整體情況，以“啟發—探究”式為主，講授演示法、自學指導法等多種教學方法相結合的形式指導學生實驗。

例如針對驗證性實驗，采用講授演示法為主，啟發式為輔的教學方法。首先主要講解電路結構，電路設計思路；設計中需注意的問題；數據在各個部件之間如何流動，時鐘如何分配等基本知識。然后對于基本操作進行演示，引領學生按照實驗步驟完成基本的實驗要求，幫助學生深入理解各芯片控制信號對于芯片所起的作用，相關器件如何配合工作，使其理解指導書上的實驗步驟的含義。然后，采用啟發式法進一步提升學生的認識。例如：對于算術邏輯運算單元的實驗，首先按照實驗步驟完成實驗指導書上的操作，然后根據試驗箱的特點要求學生自行完成1+1和1加1的操作，根據結果要求學生思考為何會出現1+1=1和1加1=0這兩種情況，以達到學生對于加法器工作的實現及進位鏈如何進行工作的理解。

經過3個基本驗證性實驗后，學生基本上能夠看懂功能模塊的電路原理圖，會按照實驗指導書做基礎性實驗了。此時，引入設計性和綜合性實驗，主要采用自學指導法和研究式法的教學方法[6]。將教學重點轉移到培養學生自學能力和動手能力上。引導學生自主閱讀和使用實驗指導書，培養他們僅借助手冊就能獨立操作的能力。列出實驗題目，讓學生自己設計電路，設計實驗步驟，編寫程序，然后連線做實驗。協助學生排除故障，分析解決實驗中所出現的各種問題，并對于最后的設計做出總結評價。

這個階段，個別輔導是主要的教學手段。這個層次的實驗可以培養學生的綜合設計和動手能力，發散學生的創新思維，使學生從被動接受知識轉變為自主獲取知識，學生學習的積極性被極大地調動起來。

2.3注重教學內容的先進性

計算機技術及電子技術的迅速發展，使各種設備、觀念和內容不斷更新。為了使學生及時關注業界最新動態，在組織教學中要及時補充新技術、新芯片、電路設計等前沿知識，并留出適當的學時，組織學生進行討論，比較計算機系統新舊技術的優劣特點，暢談自己對于未來計算機系統發展的展望。

3.結論

實驗教學作為學生親自驗證理論、充實知識，嘗試設計，掌握核心的重要途徑，也是培養應用型人才的實質性內容所在。優化實驗內容，改進實驗教學方法，提高實驗教學水平，無疑將對學生的能力培養起到積極有效的作用。

教學實踐證明，《計算機組成原理》實驗課相對于以往教學情況，學生的態度從過去的敷衍了事變為積極參與，收到了良好的教學效果，有效促進了理論教學。根據近3年上過該課程的學生調查，大部分學生在實踐能力方面有了很大的提高，對于理論知識的掌握也較深入，在考研過程中得分率不斷提高。

參考文獻：

1.唐朔飛.計算機組成原理[M].高等教育出版社.2008

2.劉建英，徐愛萍. 計算機組成原理實驗課教改方案的設計[J]. 實驗室研究與探索.2005[24]：2

3.鄧麗，鄧先瑞.計算機組成原理實驗課程教學研究與實踐探討[J].煤炭技術. 2010[29]：3

4.戚梅，東野長磊.構建計算機硬件實驗教學體系[J].實驗室研究與探索. 2009 [28]：9

5.王誠，宋佳興.教學計算機系統的設計與實現[J].計算機工程與應用. 2005.12

6.周曉聰.衣楊.賴劍煌.計算機科學與技術專業綜合實踐課程教學模式探索[J].計算機教育. 2014.1

作者簡介：蘇英（1980- ），女，講師，碩士，研究方向：計算機應用技術endprint