計算機組成原理實驗混合式教學探索

馮永政 鄭坤

摘要：該文通過分析以往計算機組成原理用實驗箱開展實驗存在的不足，結合新冠疫情期間需要“隔離”教學的特殊要求，換用一款開源虛擬仿真平臺進行實驗課教學，輔助騰訊會議進行在線指導和答疑，線上和線下可靈活選擇安排，解決了對傳統實驗箱的物理依賴和實驗效果不如意的情況，有助于學生硬件設計思維能力的培養，實現硬件課程實驗虛擬方式完成的混合式教學改革。

關鍵詞： 組成原理實驗; 設計能力培養; 仿真平臺; 虛擬實驗; 混合式教學

中圖分類號：G642.0? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）30-0125-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

計算機科學與技術專業教指委提出，計算機本科專業應培養學生四種能力：計算機系統能力、計算思維能力、程序設計與實現能力、算法分析與設計能力，其中計算機系統能力占比四分之三，可見其重要性。計算機系統能力培養要求學生建立計算機整體系統的理念，引導學生在硬件和軟件之間的抽象和協同設計思維，具備一定復雜程度的計算機系統設計能力。整體系統理念的培養就要夯實計算機組成原理、系統結構、操作系統、編譯原理等這些主干課程的基礎，這些課程之間既分散著計算機系統的眾多知識概念，也有硬件和軟件之間的內在聯系，可以經歷由點到面再到整體的邏輯思維完整的過程。在這些主干基礎課程中，計算機組成原理起到承上啟下的橋梁作用。計算機組成原理是接力數字邏輯課程，其后是系統結構、操作系統、編譯原理等后續課程，是計算機科學與技術本科專業的核心主干基礎課程[1-2，8]。

計算機組成原理以馮·諾依曼結構為主線，講授計算機基本硬件部件的組成構造及其工作原理，學習和理解計算機運行“存儲程序”的機理，培養學生硬件和軟件整體系統的思維方式和研析方法。理論教學完成計算機硬件系統認知能力的培養，分別講授運算器、存儲器、控制器、指令系統、總線等各部分的原理及組成，實踐教學讓學生從計算機最底層建立整機概念和系統觀，培養計算機系統設計能力[1，9]。陜西理工大學計算機本科專業的計算機組成原理實驗14個課時，以往都是用江蘇啟東計算機總廠有限公司的DICE-CP226型計算機組成原理實驗箱開展實驗教學。根據實驗箱的特點，一般安排5個2課時的驗證性實驗和1個4課時的綜合性實驗。從實驗教學效果看，比較一般，反映出來的普遍現象是學生做實驗的主要工作就是實驗箱的接線，得到實驗結果現象后就忙著寫實驗報告，而不是花更多時間從結果現象反思其背后的硬件組成和工作時序原理，學生更多地把實驗箱看待成“黑匣子”，接線、撥動設置開關就是在“輸入”工作，實驗結果現象就是得到的“輸出”成果，對“黑匣子”內部不求甚解，大部分精力只是關注“輸入”和“輸出”，而忽視了“黑匣子”的內部組成結構和運行機理，這才是計算機組成原理課程關注的內容反而被“冷落”了，撿了芝麻丟了西瓜。

計算機組成原理課程偏重硬件的特點明顯，從計算機最底層認知硬件系統，那么計算機組成原理實驗課作為理論聯系實際的切入口顯得尤為重要，可是計算機專業的學生普遍存在“吃軟怕硬”現象[4]，對待硬件興趣不高，這也是前面說學生主動回避實驗箱“黑匣子”內部硬件結構的背后原因，遇到硬件即想躲避，如何把學生的興趣和自信拉回來是亟待解決的問題。近兩年突如其來的新冠病毒疫情持續不斷在全球蔓延，學校根據疫情變化和防范要求把線下課程改為線上進行，這種師生隔離和實驗箱設備隔離的情況給計算機組成原理實驗課提出了新要求、新方式。困則思變，我們需要探索一種線上加線下混合式教學模式來滿足和適應計算機組成原理實驗課程的教學。

2 傳統實驗平臺設備分析

目前大部分高校計算機組成原理實驗多采用固定傳統實驗箱，陜西理工大學亦是如此，以往一直用江蘇啟東的DICE-CP226型計算機組成原理實驗箱開展實驗教學，實驗通過插拔方式連接導線、撥動開關進行相應設置，涉及控制器的實驗項目需要編寫微程序等操作來完成。

通過總結歷年的實驗課情況，本文分析用固定式實驗箱開展計算機組成原理，存在以下不足[4-5，7]：

（1）固定式實驗箱開展實驗教學，學生更多地把實驗箱看成“黑匣子”，由于不直觀所以不容易引起學生興趣和探究內部硬件電路和部件之間的結構，更不能深入地址信號、控制信號、數據信號的產生和流動，不能達到培養學生在硬件和軟件之間的抽象和協同設計思維的目標。

（2）固定式實驗箱的CPU結構大多數是固定的，各功能部件多數固化或功能限制，不能靈活變更指令格式、尋址方式等功能，無法靈活訓練和培養計算機系統設計的綜合能力。

（3）實驗箱實驗項目存在局限性，導致無法延伸擴展到數字電路、微機原理接口技術，操作系統等上下級課程的融合銜接無助于課程群知識的貫通。

（4）在實驗箱操作過程中也反映出查錯糾錯難的問題，一根錯誤的接線往往會無法獲得正確的實驗結果，實驗箱各插孔的頻繁插拔，開關觸頭、插孔接觸不良時有發生，導致“軟故障”隱埋，面對亂如麻的接線去查錯學生往往失去耐心，進而得不到正確的實驗結果，挫敗感進一步拉低了興趣和自信。實驗箱某個實驗項目繁雜接線示例，如圖1所示。

3 虛擬仿真實驗平臺的運用

2019年，我們參加了華中科技大學計算機學院開辦的計算機組成原理實驗導教班的培訓，學習基于JAVA的Logisim虛擬仿真軟件開展組成原理課程實驗，這種實驗方式克服了對傳統計算機硬件實驗平臺和實驗箱的場地器材方面的依賴和約束，也避免了傳統實驗器材開展實驗教學存在的缺點，為計算機組成原理實驗課新開辟了一種授課模式。

基于Java開發的Logisim虛擬仿真軟件是針對小型CPU系統設計的應用程序，可支持Win、Linux、Mac系統平臺，是一款免費開源軟件，基本是零實驗成本；Logisim采用圖形化界面，易學易用，易于調試，一般花一小時左右的時間學習使用該軟件即可上手實驗，采用最直觀的分離數字電路模塊構建原理圖的方式，設計和仿真方便高效，完全可以脫離硬件仿真環境運行；延續了數字邏輯課程中數字電路設計方法，讓學生從數字門電路開始逐步設計時序邏輯、組合邏輯、存儲系統、控制器和運算器、流水控制邏輯直至完整的MIPS指令的CPU來深入理解計算機硬件系統；Logisim虛擬仿真軟件運行配置硬件要求不高，目前一般的個人電腦都可以運行，學生可以在自己電腦上安裝和使用，靈活機動地開展實驗，不受時間空間和場地人員的限制，極大地拓展延長了課外實驗時間[1-3]，如果采用課內課外相結合的方式，特別適合線上加線下混合式教學模式的開展。

使用Logisim虛擬仿真軟件還可以完成查錯提示和結果評分，也給學生獨立完成實驗創造了條件，通過一系列的規范化工作來完成，包括規范輸入輸出接口、標準化測試用例，數據量化各個性能指標，最終實現實驗結果自動評分，大大提升實驗結果的即時性，學生通過及時反饋可自行檢查排除錯誤、自動評分可提升學生的獲得體驗和自信心，學生反映有同打游戲通關之后的興奮感，能激發學生硬件課程實驗的興趣[3]。

Logisim基本操作界面如圖2所示。

以多個D觸發器構成寄存器為例，看如何用分離數字電路模塊構建和封裝一個功能部件，如圖3所示。

再以構建一個16位CPU為例完成一個較為復雜的仿真實驗，如圖4所示。

2020年春季學期開始，陜西理工大學根據疫情防控的要求調整線下課程改為線上進行，擺在面前的計算機組成原理實驗課如何線上進行？這個問題迫使我們思考，顯然，如果繼續依靠傳統固定式實驗箱這種方式，既不物理可行也顧慮以上分析總結的在實驗教學上的不足之處，需要另走一條新路，由此我們想到換用Logisim虛擬仿真軟件開展組成原理課程實驗是可行的線上方式，具體實施過程如下：

（1）首先安排2課時講授如何安裝和操作使用Logisim虛擬仿真軟件，如果是疫情防控隔離期間，就用騰訊會議召集學生在線學習訓練，尤其對首次接觸該仿真軟件的學生，一定要教會他們熟悉使用，騰訊會議里可以提前準備錄播的操作使用軟件的視頻和PPT，先是講實驗需經常用到的功能菜單和功能鍵，再舉例用分離數字電路模塊構建和封裝一個簡單功能部件的過程，由基本到簡單再到復雜，一步一步輔導學生熟悉該仿真軟件，在線實時答疑。如果不在疫情隔離期間可以改為實驗室機房面授，線上或線下方式根據實際情況靈活選擇。

（2）還有12個實驗課時分別安排4個仿真實驗，漢字編碼轉換實驗、運算器實驗、存儲器實驗和CPU設計實驗，前面3個實驗都是2 課時，CPU設計實驗較為綜合給予6個課時完成。以運算器實驗為例，要求學生完成一個16位快速加法器，同時要產生各種標志位符號：溢出、進位、符號位、零位。實驗指導給出設計思路引導：先設計1位全加器，用兩個與門和一個或門，兩個異或門電路完成構建1位全加器，并封裝成一個器件供后面使用，用1位全加器構建4位串行進位加法器，進一步搭建超前進位的4位快速加法器，有了4位快速加法器就方便最終構建16位快速加法器，整個實驗要求和過程遵循從簡單到復雜的梯度安排。

（3）上述12個實驗課時的4個仿真實驗，如果不在疫情隔離期間就采取分小組在實驗室機房做實驗，小組內再協商分工，團隊協作對于學生有代入感，可能起初由不自覺狀態逐漸帶入自覺自愿狀態，一步一步獲得一個一個結果和方法，更加自我認同更加激發興趣，無論實驗項目的完成率和實驗結果優良率都比以往實驗箱上做實驗有明顯提高。如果遇到疫情防控隔離期間也可以安排線上進行，線上主要通過騰訊會議教師逐一對學生檢查和監督進度和答疑，學生線上簡述實驗過程，主要的操作過程和結果現象用錄屏提交教師，需要一提的是，線上做這4個實驗需要學生額外提前實驗預習和準備，對比線下分小組做，線上由學生單獨做就需要花費更多的時間，何況線上有限的課時分散到每個學生而言，教師的指導答疑和督查過程結果會時間緊張。如果我們要將14個實驗課時進行線上加線下的混合式教學模式，可以將講授如何安裝和操作使用Logisim虛擬仿真軟件的2課時安排線上進行，其余的12個實驗課時的4個仿真實驗安排線下實驗室機房進行，這樣安排是考慮講授效率和實驗效果兩個方面較為合理的方式組合。

4 結語

通過這幾年計算機組成原理實驗教學新方式的嘗試，無論從實驗效果還是培養學生的計算機系統觀念和硬件設計能力這些方面都得到了提升，另外學生對硬件逐步產生興趣，有助于改變偏軟件冷硬件的“吃軟怕硬”現象。

對于計算機組成原理實驗教學的摸索，今后可能嘗試更新更好的方式，有時候好方法要有適時的啟發，我們也是從華中科技大學計算機學院學習之后結合疫情特殊時期想到采取線上線下靈活選擇開展實驗教學，回顧來看，許多方面受益不少，后期還有許多工作要完善提高。

參考文獻：

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