大語言模型時代下基于Logisim的計算機組成原理實踐教學改革

摘要：大語言模型等智能技術對高等教育帶來顛覆性的影響，對傳統知識驅動型教學模式產生巨大沖擊，也對高校人才培養的能力目標提出新的挑戰。本文旨在探討在大模型時代背景下，如何通過引入Logisim工具對計算機組成原理實踐教學進行改革。首先分析了傳統教學的不足，接著，介紹了Logisim工具的特點和優勢。然后，闡述了教學改革的具體內容和目標，如提高學生的實踐能力和培養學生的創新思維。最后，討論了改革后的預期成果，如提高學生的學習興趣和提高教學效果，并探討了這些成果在實際教育場景中的應用。

關鍵詞：大語言模型；實驗設計；虛擬實驗；Logisim

一、概述

在大模型時代，計算機組成原理的教學面臨著前所未有的挑戰。傳統教學方法偏向理論，缺乏實踐操作，導致學生難以將理論知識應用于實際情境[1-2]。盡管教師對課程內容進行了精心準備，但課堂教學未能激發學生學習興趣，積極性不高，學習效果不佳。計算機組成原理包含許多抽象和復雜的概念，如邏輯電路設計、指令集架構、存儲系統等，這些概念對學生來說可能難以理解。教學方法單一，導致學生難以掌握。學生硬件基礎知識薄弱，由于硬件設備和實驗場地的限制，學生缺乏足夠的實踐機會來加深對理論知識的理解"[3]。為了應對這一挑戰，本文提出了一種基于Logisim的計算機組成原理實踐教學改革方案。引入Logisim虛擬仿真環境，結合大模型預習和實驗報告，提升實驗教學自動化程度和靈活性，增強學生學習體驗。通過這種方式，學生可以在虛擬環境中進行實踐操作，通過邏輯電路的設計、理解和掌握硬件電路的工作原理，提高學習效果。

二、Logisim工具簡介

Logisim是一個功能強大的數字電路設計與仿真軟件，擁有直觀的圖形界面和豐富的組件庫。它能幫助學生更好地理解和掌握計算機組成硬件的電路設計原理和數據運算過程[4]。

數字邏輯電路設計：Logisim提供了各種數字邏輯門、觸發器、計數器等組件，學生可以通過拖放組件和連接線路來設計和實現各種數字邏輯電路，如加法器、多路選擇器、寄存器等。這有助于學生理解數字電路的基本原理和設計方法。

計算機系統模擬：在Logisim中，學生可以模擬整個計算機系統的工作過程，包括CPU、存儲器、輸入輸出設備等各個部分。他們可以通過添加指令集、設計控制邏輯、編寫程序等方式，實現簡單的計算機系統，并觀察其運行狀態，從而深入理解計算機的工作原理。

實驗驗證與仿真：Logisim提供了強大的仿真功能，可以對設計的數字電路和計算機系統進行實時仿真和調試。學生可以通過輸入測試數據、觀察輸出結果，驗證設計的正確性，發現并解決問題，從而提升實驗操作能力和問題解決能力。

三、教學改革內容

針對上述問題，圍繞大語言模型（LLM）和Logisim工具，構建一個計算機組成原理理論與實踐教學一體化框架，如圖1所示。實驗課前借助于大語言模型（LLM）和學習通慕課在線上完成相關知識學習。實驗課中教師講授重難點，師-生-機聯動開展實踐教學，教師點評學生實驗和課堂表現，并根據學生狀態優化實踐教學。

在這個實踐教學框架中，包含了教學內容設計、實踐項目調整、新教學工具的引入以及互動教學方法的使用等。具體如下：

（1）引入大語言模型：學生能夠與大模型（智能體）進行交互，從而更深入地學習實驗相關知識，并了解與實驗相關的背景資料。這種交互式學習方式不僅能夠增強學生的理解和記憶，還能夠激發學生的興趣和探究欲望，提高學習效果。

（2）引入Logisim工具：將Logisim工具集成到計算機組成原理實踐教學中，使學生能夠通過實際操作來設計和模擬電路。這種實踐教學方法不僅能夠增強學生的實際操作能力，還能夠幫助學生更好地理解計算機組成原理的核心概念和運行機制。

（3）層次化的實踐教學：實驗項目分為驗證型、設計型和綜合型，使學生能夠將理論知識應用于實際問題，提高實踐操作能力。例如，設計一個簡單的微處理器、實現一個小型操作系統等。通過獨立或團隊合作完成項目，提升學生的創新能力和團隊合作精神。

（4）教學方法的革新：在實驗課中，通過重點講解和難點探究，以及師-生-大模型之間的互動，激發學生的學習興趣和積極性。這種互動式和探究式的教學方法促進學生主動參與課堂討論，培養批判性思維和問題解決能力，從而顯著提高學習效果。

（5）課程內容調整：在課程設計中，將Logisim工具的使用納入教學內容，設置相應的實驗項目和任務，引導學生通過實際操作來理解計算機組成原理的相關知識。例如，學生可以設計一個簡單的CPU，實現一個基本的指令集，通過這些實踐活動深入掌握計算機硬件的工作原理。

（6）教學評估與反饋：設計實驗報告和作業，以評估學生的實踐操作，并提供及時反饋和指導。鼓勵學生在實驗報告中總結經驗、分析問題并提出改進建議，以促進思維能力和創新意識的培養。此外，通過調查問卷來收集學生和教師的意見和建議，不斷優化教學方法和內容，以提高教學質量和學生的學習體驗。

基于圖1的Cache—主存地址映射教學設計如下：

（1）創設情境，導入新知：教師通過回顧舊知識“Cache的讀寫操作過程和地址映射機制”，并提出新問題：“Cache能夠緩解CPU和主存之間的差異，那么主存數據如何遷移至Cache中才能實現快速查找呢？”通過這種方式，學生能夠將新舊知識進行重組和內化，從而更好地理解和掌握課程內容。

（2）分組合作，探究新知：教師根據學生的學習情況進行精準定位，將學生分為基礎組、應用組和創新組。基礎組的學生需要深入理解工作原理并找出三種方式之間的關系；應用組的學生需要嘗試在Logisim實驗平臺上完成相關實驗；而創新組的學生則需要嘗試設計硬件Cache機制，實現一個具有8個Cache槽的Cache。這種分組合作的方式有助于各組學生在已有知識的基礎上提升實踐能力，同時也能夠促進學生之間的交流和合作。

（3）互動展示，精準評價：教師組織學生展示各自的學習成果，并進行組內自評和組間點評。這種方式有助于學生互相啟發、交流，形成完整的知識結構體系。同時，教師根據學生的課堂表現、小組任務完成度進行精準評價，以促進學生進一步深入思考和持續改進。

（4）課堂總結，能力提升：教師幫助學生梳理Cache映射方式的相關內容，并引導學生之間進行互動交流，提升實踐能力。學生需要總結課程核心知識，針對自己薄弱的知識點，與其他同學進行交流。這種教學方式有助于學生更好地理解和掌握課程內容，同時也能夠激發學生的學習興趣和積極性。

（5）課后反思，拓展練習：教師組織學生進行課后反思，總結學習過程中的優點和不足，并提出改進措施。同時，教師可以提供相關的拓展資源，如參考文獻、在線課程等，以幫助學生深入學習和拓展知識。

通過以上教學設計，教師能夠有效地引導學生學習Cache映射方式的相關知識，提高學生的實踐能力和問題解決能力。同時，教師能夠根據學生的學習情況進行精準評價和指導，促進學生不斷進步和發展。

四、教學改革的實施

本教學設計將大模型和Logisim融入計算機組成原理課程中，旨在提升學生的實踐能力和創新意識。通過設計豐富多樣的實驗項目，學生能直觀地感受到計算機系統的工作原理和運行機制，增強對課程內容的興趣和理解。

首先，Logisim的虛擬仿真實驗通過“探針”組件，讓學生實時觀察總線數據和內存存儲，實驗調試時，連接錯誤以不同顏色標識，如紅色表示信號沖突，灰色表示飛線未接入，橙色代表數據位寬不匹配。這種直觀性有助于學生理解實驗原理。

其次，實驗設計靈活，學生可在掌握基本原理后，進行設計性實驗，如字位擴展基礎上的多體交叉存儲器和單體多字存儲器設計，以及總線傳輸控制實驗。Logisim的靈活性允許學生任意調整操作順序，深入理解原理并進行創新設計。

此外，Logisim封裝整合了芯片引腳，減少不必要的細節干擾，使學生更多從功能層面分析，降低學習負擔。實驗前，學生可在模擬仿真環境下完成預習任務，實驗后通過重現實驗場景來鞏固所學。

例如：一位全加器的電路可以通過Logisim軟件來設計和模擬。學生可以在學習通上觀看視頻，也可以利用智譜清言來了解實驗過程。圖2（a）為智譜清言回復的實驗過程，圖3是智譜清言繪制的全加器圖。圖2（b）中圖中清晰展示了電路的各個部分，包括輸入引腳（A和B）、進位輸入引腳（Cin）、和輸出引腳（Sum）以及進位輸出引腳（Cout）。電路中包含了兩個異或門、兩個與門和一個或門，它們按照一位全加器電路的典型連接方式相互連接。

教師在實驗課中講授1位二進制加法器有三個輸入量：兩個二進制數字Ai、Bi和一個低位的進位信號Ci，輸出Si及一個向高位的進位輸出Ci+1，邏輯方程如下：

Si=Ai⊕Bi⊕Ci

Ci+1=AiBi+BiCi+CiAi

學生根據邏輯表達式畫出邏輯電路圖，如圖3（a）。在此基礎上，繪制兩個1位全加器連接成一個2位串行進位加法器，如圖3（b）。

教師對學生的實驗報告點評，對實驗課程總結與反思。此外，布置線上作業，完成實驗課程教學。

五、教學評價

每個學期的教學評價分數包含兩部分：課程教學評價和思政教學評價。在2021-2022年度第1學期，課程教學評價的得分為96.04，而思政教學評價的得分為95.6。到了2022-2023年度第1學期，課程教學評價的得分略有提高，達到96.39，思政教學評價的得分也有提升，達到96.51。最后，在2023-2024年度第1學期，課程教學評價的得分進一步提升到96.85，思政教學評價的得分為96.65。

從這些數據中可以看出，隨著時間的推移，課程教學評價和思政教學評價的得分都有所提高，這表明教學質量在不斷提升，特別是在思政教學方面也取得了顯著的進步。

結論

基于"Logisim"的計算機組成原理實踐教學設計是一種有效的教學模式，有助于提升學生的實踐能力和創新意識。通過結合實踐操作和理論知識，學生可以更加深入地理解計算機組成原理的相關內容，為其未來的學習和工作奠定堅實的基礎。然而，該教學模式還存在一些問題，需要進一步完善和改進。我們將繼續探索教學內容和方法，不斷提升教學質量和效果，為新工科背景下的計算機組成原理教學貢獻力量。

參考文獻：

[1]"范喆.面向專業認證的計算機組成原理課程教學改革探索[J].科技風，2024（27）：40-42.

[2]張金，宮曉利，高小鵬，等.基于通用大語言模型的計算機系統創新實驗設計[J].實驗技術與管理，2024，41（10）：1-9.

[3]"李黎，楊爽，蘇玉萍.虛實結合的計算機組成原理實驗教學體系構建[J].計算機教育，2023（06）：184-188.

[4]"熊太平，陳宏，管軍霖.利用Logism和頭歌重構計算機組成原理實驗教學[J].電腦知識與技術，2024，20（18）：156-159.

項目：本文得到校級教改項目資助（基于Logisim的計算機組成原理虛擬實驗的教學改革和算法設計與分析虛擬教研室）

作者簡介：肖馳（1972—""），男，漢族，湖南邵陽人，本科，講師，研究方向：信號處理、壓縮感知、算法優化等。