計算機組成原理實驗課的設計與創新

顏遠海

（廣州華商學院，廣東 廣州 511300）

關鍵字：計算機組成原理；實驗設計；輔助教學

1 引言

計算機組成原理課程主要在計算機科學與技術、軟件工程、網絡工程等專業中開設，是電子信息類中一門相當重要的專業基礎課，是計算機專業的經典課程和專業平臺課程。它幫助學生建立計算機系統的完整概念，使學生掌握計算機的工作原理，深刻理解程序在計算機硬件上被執行的過程，即計算機硬件系統各組成部件的工作原理、邏輯實現、設計思想以及它們聯結成整機并協調運轉的方法，為培養學生對計算機系統進行分析、設計、開發、使用的能力奠定基礎[1]。對計算機專業本科學生而言，該課程普遍難教難學，因為它需要一定的模擬電路和數字電路方面的硬件基礎，即使學生已經先修過模擬電路和數字電路，但由于專業方向等原因學生普遍對硬件的興趣偏小，硬件基礎仍然是他們的薄弱環節。因此針對這種情況，必須不斷探索進行課改，提高學生的學習興趣從而提高學習效率。

2 實驗教學的設計思想

為配合計算機組成原理課程組的教學方法、教學計劃、教學思路，將引入計算機組成原理教學實驗系統，它具有虛擬仿真功能、硬件保護功能、在線查錯功能[2]。充分考慮了學生實驗的特點，讓學生在“Try”的過程中真正做到從感性認識到理性認識的轉變，做到舉一反三，從而保證了課程的實踐環節的有效實施。

（1）硬件保護技術使得實驗儀的返修率幾乎為0，解決了由于學生操作錯誤導致的實驗設備易損壞的一貫難題。同時，實驗儀還設有與微機通訊的接口，方便大量數據的錄入和聯機控制。

（2）將實驗儀上模型機的工作過程以動畫形式顯示在微機屏幕上，使學生對計算機的程序運行過程一目了然。設計了“虛擬仿真機”功能，允許學生在課后安裝實驗軟件，即使在沒有實驗設備的情況下，也可以使用“虛擬仿真機”功能完成控制器實驗的調試工作，大大提高了學生學習的興趣和效率。

（3）各個教學模塊的實驗設計合理，由簡至繁，重視綜合設計能力的培養；實驗指導書內容詳盡、系統，條理清楚。

（4）整個實驗方法充分體現“Try”的教學和學習理念，實驗具有開放性、綜合性和可擴展性。對于那些對硬件非常感興趣或者能力較強的優秀學生，可以通過工程訓練或畢業設計，做進一步的實驗項目。在教師指導下，學生通過CPLD（復雜可編程邏輯器件）設計一個個性化的簡單完整的CPU芯片，并在實驗系統中驗證設計的正確與否，從而進一步掌握了計算機硬件設計的方法和思路，同時也激發了學生學習興趣和學習動力[4]。

3 課程實驗內容及教學設計

該課程單元的教學中以解決各種問題的方法為主線，采用問題遞進驅動教學方法[5]，在完成各種問題的過程中引入知識點，操練設計方法。整個教學設計分為如下的兩個階段：

表1 實驗內容及學時

（1）硬件基礎準備階段

這一階段的內容主要是在學習各部件組成原理之前，首先學習組成計算機硬件的一些常用電路及器件、計算機中二進制數據表示信息的格式方法、完成算術運算的硬件電路等。方法上主要是加強操練。通過各種書面作業、多重訓練和一個問題的多種解決方法來加強這些知識點的掌握，開闊學生的理解思路。在此階段，教師的作用是對硬件的基礎知識理論聯系實際地進行講解，讓學生對硬件設計有基礎性的了解，再通過第二階段的學習讓學生進一步加深理解并逐步掌握計算機的硬件設計方法。

（2）計算機各部件的原理與設計方法掌握階段

這一階段的主要內容包括運算器、存儲器、指令系統、控制器和輸入輸出系統。通過第一階段的學習，學生已經具備了硬件的基礎知識，在這一階段將重點講解計算機各部件的組成原理、設計方法和設計通路等，為今后的課程如匯編語言程序設計、接口與通訊、單片機及應用、嵌入式系統設計等課程及計算機應用項目開發作鋪墊[6]。

本階段的案例設計非常重要，課堂教學中的例子，既要使學生容易理解、易于實現、便于掌握計算機各部件的設計思想，又要能體現完整計算機的主要功能。通過這些簡單易懂的典型案例，讓學生掌握基本的硬件設計和實現的方法，在此基礎上，對學生提出新的問題和更高的要求，鼓勵他們自己去嘗試、去解決。在此階段，教師主要通過多媒體CAI課件虛擬模型計算機工作原理、倡導和培養學生“try”的學習理念、鼓勵學生動手實驗等手段，引導學生理解掌握計算機的組成及簡單完整計算機的設計方法。

4 學生的主動學習以及教學創新

在整個課程設計過程中，教師所起的作用僅是啟發引導，以達到拋磚引玉的目的，鼓勵學生獨立思考，獨立查閱分析資料，利用所學的理論知識以及各種技術手段獨立解決問題，鼓勵學生在完成基本設計方案的基礎上，拓展思維，不斷創新。從試行的效果看，有些學生的設計方案具有創新性，并且有效調動了主觀能動性和學習積極性。

在課程實驗過程中實行開放式教學。每個實驗項目按表1中的計劃學時執行教學，實驗時間可由學生自行安排，可以在實驗室完成，也可以由學生自由支配時間，這樣可以方便學生自由查閱相關資料。采用二人一組的實驗小組方式，共同設計，共同組裝，共同調試，在合作中發現問題并解決問題。

開放式教學體現形式：（1）教學目標開放；（2）教學過程開放；（3）實訓時間開放；（4）評價結果開放。具體體現可以參照表2任務說明表。

表2 運算器組成原理實訓任務表

計算機組成原理實驗系統配有CAI軟件，通過CAI介紹實驗的儀器、實驗方法、實驗過程等，通過規范的操作示范和詳細生動的講解，讓學生了解實驗的全過程，使學生產生強烈的實驗愿望；并且在實驗過程中，如果遇到不懂的問題，學生可以通過軟件找到相應的解決辦法，最終完成實驗。

5 評價等級制度的創新

對學生實驗的評價，采取分步計分、抽簽考核綜合評定的辦法，主要考察總體設計能力、實踐動手能力、綜合創新能力、綜合總結能力四個方面，為每個學生就這四個方面標注相應的權值，最后形成該學生在該項目上的最終評價。以上述表2實訓任務進行結果評價如表3所示。

表3 評價指標體系設計

6 結語

計算機專業學生對于計算機組成原理、操作系統等理論性強的課程，實驗課非常重要，這也是學習好一門理論課程的重要環節，如何在實踐中不斷總結、創新是每一個教師都應該認真對待的事情。實踐教學是培養學生寬厚的文化素養、扎實的專業理論基礎、精湛的專業技能的實踐性課堂，是大學專業素養培養的實質性內容之所在，提高教學實踐水平，無疑對學生能力的培養起到積極作用。