虛擬實驗技術(shù)在計算機組成原理課程實踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

◆張 威

虛擬實驗技術(shù)在計算機組成原理課程實踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

◆張 威

（福建農(nóng)林大學(xué) 福建 350002）

本文在對計算機組成原理傳統(tǒng)實驗室特點和實踐教學(xué)中存在的實際問題的分析基礎(chǔ)上，介紹了虛擬實驗室系統(tǒng)架構(gòu)，以全加器實驗為例，闡述該系統(tǒng)在計算機組成原理課堂教學(xué)中的應(yīng)用，以及虛擬技術(shù)在計算機組成原理實踐教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢。

計算機組成原理；虛擬實驗室；教學(xué)；實踐

0 引言

計算機組成原理作為計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門核心硬件課程，是多門專業(yè)課程之間的過渡課程，具有舉足輕重的地位［1］。該課程又以內(nèi)容多、知識面廣、難度大、更新快等特點難于教學(xué)，而實驗教學(xué)的優(yōu)點正好能夠幫助學(xué)生理解與掌握抽象理論，因而在整個課程學(xué)習(xí)中具有重要作用。

計算機組成原理實驗教學(xué)的主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生對計算機硬件結(jié)構(gòu)的分析、應(yīng)用、設(shè)計和開發(fā)能力［2］，讓學(xué)生能夠系統(tǒng)的理解計算機硬件的工作原理，掌握計算機硬件組成與設(shè)計、制造、調(diào)試和運行維護等多方面的技能。為了達到實驗教學(xué)的任務(wù)，實驗環(huán)境就必不可少，而礙于傳統(tǒng)硬件實驗室的局限性，對于一個操作性強、功能完善、仿真度高、交互性強的可視化計算機組成原理實驗教學(xué)平臺的需求就日趨迫切。

1 計算機組成原理傳統(tǒng)實驗室特點

當(dāng)前對于計算機組成原理這門課程的實驗教學(xué)，傳統(tǒng)實驗室主要是采用定制的實驗箱，學(xué)生按實驗指導(dǎo)書的要求步驟進行操作連線完成實驗。這樣的實驗?zāi)Ｊ诫m然具有直觀性、實踐性、創(chuàng)造性等優(yōu)點，能夠幫助學(xué)生更好理解和掌握抽象理論，但局限性也是顯而易見的，主要體現(xiàn)在以下幾點：

（1）在做實驗時，由于其硬件動作的不可見性，學(xué)生對其執(zhí)行流程以及之間的數(shù)據(jù)流動是不清楚的，也不能對單元的讀寫時序和選通信號進行檢測和查看，就易導(dǎo)致實驗透明度不高，成功率低的結(jié)果。

（2）由于實驗室建設(shè)的經(jīng)費有限，此類傳統(tǒng)硬件實驗室的實驗元器件容易損壞以及老化，實驗成本高，無法滿足逐年增多的學(xué)生需求，從而導(dǎo)致實驗環(huán)境非常缺乏。

（3）學(xué)生只有在設(shè)備完善的實驗室中才能進行整個實驗，課余時間就難以進行。

（4）由于計算機組成原理的實驗具有一定連貫性，實驗規(guī)模較大用時較長，實驗對象需要專人專用，增大實驗室排課困難。

（5）實驗元器件是否出現(xiàn)故障無法用肉眼識別出來，需要借助測試器來檢查，從而當(dāng)電路有問題或調(diào)試過程的除錯中就很難判斷是組件問題還是接線問題，造成學(xué)生的學(xué)習(xí)障礙。

（6）如果在接電路時不小心接錯電源或者短路而不知，就會造成元件損壞更甚者爆裂等。

2 計算機組成原理課程實踐教學(xué)中存在的實際問題

2.1實踐教學(xué)模式單一

傳統(tǒng)的計算機組成原理實踐教學(xué)模式多以驗證性實驗為主，圍繞理論教學(xué)內(nèi)容展開，學(xué)生總是跟著教師的指導(dǎo)或按實驗指導(dǎo)書中所給接線圖進行連線、撥動開關(guān)、記錄發(fā)光二極管顯示，采用微程序方法設(shè)計控制器時只能編寫微程序，在規(guī)定的時間內(nèi)按統(tǒng)一的模式做相同的實驗。這種實踐教學(xué)模式下，缺乏培養(yǎng)創(chuàng)新潛能的實踐平臺，教學(xué)效果不理想，學(xué)生對計算機工作原理的理解不透徹、不全面，不能充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，不利于培養(yǎng)動手能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，這對于技術(shù)性、工程性強的計算機組成原理課程來說，顯然是很難達成課程的教標(biāo)。

2.2實驗室條件不足

傳統(tǒng)的計算機組成原理實驗教學(xué)主要依托昂貴的實驗設(shè)備，實驗室的搭建存在初期投入大，建設(shè)周期長，后期實驗元器耗損量大維護費用高等問題。受實驗室建設(shè)經(jīng)費的限制，實驗設(shè)備數(shù)量不夠，配套元器件缺乏，只能多人一組進行實驗；相關(guān)測試儀器設(shè)備的缺乏，使得學(xué)生無法對有關(guān)信號和電路狀態(tài)獲得直觀認識；此外，在同一課堂時間內(nèi)一個老師也無法同時指導(dǎo)到所有實驗的學(xué)生，影響教學(xué)質(zhì)量，無法高效開展實驗教學(xué)，更不用說開展設(shè)計性和探究性的試驗了。

2.3實踐考核標(biāo)準(zhǔn)不合理

傳統(tǒng)的計算機組成原理實驗考核標(biāo)準(zhǔn)包含出勤情況、實驗操作以及實驗報告。其中現(xiàn)場實驗操作的成績評定主要依據(jù)實驗結(jié)果的正確與否作為標(biāo)準(zhǔn)，很難判定其實際操作過程中的好壞，而大部分實驗內(nèi)容是非開放型的，試驗結(jié)果都一樣，導(dǎo)致會有少數(shù)學(xué)生不愿動手，實驗時敷衍了事；當(dāng)對較復(fù)雜的實驗采取分組考核的方法進行實驗的時候，也很難對組內(nèi)每個成員的實際工作量進行準(zhǔn)確界定，往往每組都有個別“打醬油”成員，若最終給組內(nèi)每個成員都評定為一樣的成績也難免有失公允。另外，占據(jù)實驗課程最終成績比重最大的是每次是要課后上交的實驗報告，由于是在課堂外完成的，實驗內(nèi)容和結(jié)果亦大相徑庭，就會有部分學(xué)生抱著僥幸的心理，忽視課堂實驗操作，相互抄襲實驗報告，缺乏實際探索的動力，無法在實驗過程中獲益。

3 虛擬技術(shù)在計算機組成原理實踐教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢

3.1構(gòu)建計算機組成原理虛擬實驗室

所謂的虛擬實驗室，就是將傳統(tǒng)的實驗室數(shù)字化、虛擬化，是基于Web、VR技術(shù)構(gòu)建的一種網(wǎng)絡(luò)化、開放式的虛擬實踐教學(xué)系統(tǒng)。教師和學(xué)生都可以像在傳統(tǒng)實驗室一樣搭建實驗案例，操作實驗器材。

計算機組成原理虛擬實驗室是采用Java Applet技術(shù)、B/S結(jié)構(gòu)，構(gòu)建基于Internet的虛擬仿真實驗系統(tǒng)平臺。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。服務(wù)器端的實驗組件庫中是存儲以JavaBean組件形式封裝的各實驗所需元器件。客戶端是采用把Java Applet嵌入瀏覽器中的方式提供實驗者操作所需，實現(xiàn)實驗操作的運行并生成結(jié)果。

3.2虛擬實驗室在計算機組成原理實踐教學(xué)中的應(yīng)用

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

以全加器實驗為例，具體實驗步驟如下：

（1）按照圖2搭建實驗，從左側(cè)實驗設(shè)備列表中添加所需的實驗設(shè)備到實驗流程面板中，并通過工具欄中的連線將相應(yīng)的器件引腳相連；

（2）打開工具欄上的模擬電源開關(guān)，開始實驗；

（3）分別雙擊開關(guān)，改變Ai、Bi和Ci的值，記錄燈泡變化結(jié)果。

圖2 全加器實驗

由圖2的實驗界面可以看到，實驗設(shè)備列表中的所有元器件都可以由學(xué)生自主選擇、自由搭線，既可以按照實驗指導(dǎo)書來完成實驗，也可以自由搭建實驗并驗證自己的想法。在課堂實踐教學(xué)中，教師在教師機上可以通過協(xié)作功能進行實驗操作演示及初步講解；在實驗完成后，學(xué)生只要單擊提交實驗就可以將完成的實驗提交給老師，而老師就可以直接在教師機上查看并給與評分，可以有效避免那些“打醬油”的學(xué)生。此外，學(xué)生還可以把在課堂中來不及完成的實驗布線圖拷貝回宿舍繼續(xù)完成；若實驗遇到困難，也可以通過該系統(tǒng)發(fā)出協(xié)作請求，此時如果有在使用該系統(tǒng)的教師或同學(xué)接受了請求，就會收到求助者的布線圖，指導(dǎo)者可以直接在布線圖上修改，所做的修改也會實時同步到求助者系統(tǒng)上。突破了傳統(tǒng)計算機組成原理實踐教學(xué)在時間空間條件上的局限性，給學(xué)生一個創(chuàng)新開放的實驗平臺。

3.3虛擬技術(shù)在計算機組成原理實踐教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢

由上述實例可以看出，計算機組成原理虛擬實驗室較傳統(tǒng)實驗室而言有其明顯的特征和優(yōu)勢，能夠幫助解決實踐教學(xué)中存在的一些實際問題，概括為以下幾方面。

（1）成本低。計算機組成原理虛擬實驗室系統(tǒng)由純軟件實現(xiàn)，使用虛擬實驗設(shè)備，這樣就不會產(chǎn)生實驗設(shè)備的損耗，可以大幅降低設(shè)備購置、管理和維護經(jīng)費。同時虛擬實驗室環(huán)境可以重復(fù)、無損害地加以利用，提高實驗設(shè)備的使用效率，節(jié)約開發(fā)成本，降低實驗室建設(shè)、改造、維護的資金、時間和空間成本等。

（2）開放性和共享性。基于Internet的計算機組成原理虛擬實驗室系統(tǒng)，以Java語言開發(fā)，因此只需登錄到用戶界面，客戶端與服務(wù)器之間的通信就可以通過Intemet來實現(xiàn)，這樣的實驗平臺無疑是不受時間和空間限制的。打破了傳統(tǒng)課堂實踐教學(xué)模式的局限，實現(xiàn)了資源共享。

（3）自主性。計算機組成原理虛擬實驗室系統(tǒng)可以通過可視化的方法，充分調(diào)動學(xué)生主觀能動性，實現(xiàn)實驗流程的自主定制。這樣不僅能讓學(xué)生有如在真實環(huán)境中操作的體驗，還能讓學(xué)生在完成已有的特定實驗演示的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新性學(xué)習(xí)研究，自主性更強。

（4）交互性和可控性。計算機組成原理虛擬實驗室系統(tǒng)實現(xiàn)了用戶和遠程計算機之間的交互，學(xué)生可以控制虛擬實驗室中的設(shè)備和器材，避免了由于儀器故障或硬件接觸不良等客觀條件導(dǎo)致的對實驗的影響，從而使得傳統(tǒng)硬件實驗室中難實現(xiàn)的大規(guī)模實驗項目得以進行；學(xué)生亦可實時改變實驗設(shè)備的狀態(tài)，獲取準(zhǔn)確的結(jié)果，極大程度上提高了實驗的成功率。

[1]葛桂萍，李云，方宇.計算機專業(yè)硬件課程體系的改革與探索[J].考試周刊，2015.

[2]賈彥竹，石松，包新月等.計算機組成原理實驗教學(xué)探索[J].合肥師范學(xué)院學(xué)報，2016.