“計算機組成原理”實驗課程虛擬仿真教學(xué)模式探索

關(guān)展鵬

關(guān)鍵詞：計算機組成原理；虛擬仿真實驗；線上教學(xué)

1引言

“計算機組成原理”實驗課程是高等院校計算機及相關(guān)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在計算機硬件相關(guān)課程體系中起著承上啟下的作用[1]；同時，在新工科建設(shè)背景下，其也是大數(shù)據(jù)、人工智能專業(yè)的基礎(chǔ)課程，屬于新工科建設(shè)的重中之重[2]。學(xué)生系統(tǒng)地了解了計算機各功能部件的邏輯組成與運行機制，形成了計算機整機概念[3]。本課程由理論課和實驗課2個環(huán)節(jié)構(gòu)成。實驗課程從計算機的各個組成部件出發(fā)，驗證計算機的工作原理，旨在幫助學(xué)生理解計算機各功能部件的邏輯組成與運行機制，形成計算機整機概念，提高學(xué)生研究復(fù)雜工程問題的能力。

在實踐“計算機組成原理”實驗課程的教學(xué)過程中，我們起初采用傳統(tǒng)的實驗箱（唐都教儀的TD-CMA），遇到了如下挑戰(zhàn)。

（1）實驗箱功能雖多但硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每一個實驗都需要消耗一定的學(xué)時講解實驗箱的原理，對于總共16學(xué)時的實驗課而言時間緊迫。

（2）在實驗箱配套的教程中，大部分實驗都是簡單驗證課堂所講內(nèi)容，缺少讓學(xué)生進一步設(shè)計和創(chuàng)作的平臺。

（3）從投資回報的角度來看，實驗箱已使用超過10年，設(shè)備陳舊，存在故障的箱子日漸增多，既影響學(xué)生的上課體驗，也影響教學(xué)效果。同時，學(xué)生出于好奇，在實驗期間進行一些探索性的嘗試，往往可能給設(shè)備帶來新的故障。

（4）由于實驗箱的管理需要，學(xué)生的實驗操作只能在實驗課室進行，課后要再練習(xí)或者實踐創(chuàng)意幾乎不可能。同時，在特殊時段的線上教學(xué)期間，師生均無法進入實驗室開展實驗。

針對問題（1），在備課期間，事前錄制實驗箱相關(guān)的教學(xué)視頻，供學(xué)生提前預(yù)習(xí)，并熟悉實驗箱的構(gòu)成和實驗涉及的操作內(nèi)容，從而縮短課堂上講解實驗箱原理的時間，留足時間給學(xué)生實踐。但是，針對問題（2）～（4），只能通過探索新的實驗教學(xué)模式來解決。從計算機專業(yè)學(xué)生快速適應(yīng)軟件操作的特點出發(fā)，結(jié)合本課程的系統(tǒng)設(shè)計，本文引入了開源軟件DS-VLAB虛擬仿真實驗系統(tǒng)。該軟件不依賴任何實驗箱，學(xué)生只要1臺計算機就可進行實驗。經(jīng)過一個學(xué)期的實踐，實現(xiàn)了“計算機組成原理”實驗課程教學(xué)大綱所涉及的所有實驗教學(xué)，學(xué)生能隨日寸隨地實踐創(chuàng)意，并錄制實驗操作視頻，達到了令人滿意的效果。

2DS．VLAB虛擬實驗系統(tǒng)簡介

DS-VLAB是一款開源的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗軟件，采用GPL開源許可協(xié)議。該軟件既可單機運行，也能以B/S方式運行，以便在課內(nèi)課外、校內(nèi)校外進行全時空教學(xué)[4]。DS-VLAB自帶虛擬的常用數(shù)字功能器件（例如，74LS181的4位ALU．74LS274鎖存器、RAM6116存儲器等），并提供邏輯門電路、基本元件（開關(guān)、指示燈等），以及虛擬的時序發(fā)生器，可以進行全加器、運算器、存儲器、控制器、簡單模型機、微程序設(shè)計等10個典型實驗[5]，還可以根據(jù)需要自己設(shè)計實驗和實驗電路。上述便捷功能使得在線上開展實驗課程成為可能。如圖1所示，在算術(shù)邏輯單元的實驗中，為學(xué)生提供部分完成的實驗電路圖，由學(xué)生自行補充合適的元器件和連接線路，完成實驗電路圖，并開啟虛擬仿真系統(tǒng)，進行ALU各種計算功能的驗證。DS-VLAB還支持電路圖的導(dǎo)人導(dǎo)出，便于保存工作進度，檢查實驗結(jié)果。

3基于虛擬仿真系統(tǒng)的實驗課程開展

借助DS-VLAB虛擬實驗系統(tǒng)，圍繞“計算機組成原理”實驗課程進行了線上版本的重新設(shè)計。在原有教學(xué)大綱的前提下，為了讓學(xué)生通過軟件逐步了解計算機各個部件的工作原理，對實驗內(nèi)容進行重新安排和優(yōu)化。具體如表1所列。

4虛擬仿真實驗示例

在使用實驗箱進行教學(xué)的過程中，學(xué)生先后了解了基本運算器和靜態(tài)隨機存儲器的功能，但是并沒有很好地對二者進行協(xié)同工作的實驗。因此，在參考DS-VLAB作者的“總線與微命令實驗”的基礎(chǔ)上，設(shè)計出運算器與存儲器的綜合實驗（圖2），將ALU、存儲器通過總線連接在一起，完成數(shù)據(jù)的輸入、存儲、讀出、運算、保存結(jié)果等操作，既讓學(xué)生加深了對這2個部件協(xié)同工作的理解，也使學(xué)生提前熟悉了微指令的概念，從而為后續(xù)進一步學(xué)習(xí)控制器功能和設(shè)計的相關(guān)章節(jié)打下良好基礎(chǔ)。另外，根據(jù)學(xué)生學(xué)情，有針對性地布置實驗視頻的作業(yè)，讓學(xué)生一邊操作，一邊講解，然后錄制屏幕生成交付物。通過對3個班實驗視頻的觀察，學(xué)生能正確理解實驗原理，準(zhǔn)確連線，并且能夠自信講解實驗的過程和步驟，收效甚佳。

5結(jié)束語

經(jīng)過一個學(xué)期的課程實踐可見，在“計算機組成原理”實驗課程中引入虛擬仿真實驗系統(tǒng)是一個實用性很強的補充教學(xué)手段。類似于DS-VLAB的實驗軟件，其能夠提高實驗開展的靈活性，改善學(xué)生上實驗課的體驗。由于可以隨時隨地開展實驗，激發(fā)了學(xué)生的興趣，讓學(xué)生能夠投入更多的時間和精力去探索與思考，很好地解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式存在的問題。