農(nóng)業(yè)院校計算機組成原理實驗箱使用思考

徐淑艷++王玉潔

摘 要 分析組成實驗原理箱在使用中存在的普遍問題，從學(xué)校實際出發(fā)，著重分析研究如何有效使用實驗箱并進行實驗創(chuàng)新等問題，提出高效使用組成原理箱的一些經(jīng)驗，為提高實驗教學(xué)質(zhì)量提供必要的借鑒。

關(guān)鍵詞 計算機組成原理；實驗箱；實驗

中圖分類號：G642.4 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）18-0020-02

計算機組成與體系結(jié)構(gòu)是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，在計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系設(shè)置中處于核心地位。該課程具有理論性強、知識面廣、抽象不易理解、內(nèi)容繁多且難以掌握的特點，是硬件及編程課程的基礎(chǔ)，在課程體系中起著承上啟下的重要作用。計算機組成與體系結(jié)構(gòu)實踐教學(xué)尤其強調(diào)形象、直觀以及可操作性，通過實踐教學(xué)不但能夠加深學(xué)生對計算機系統(tǒng)各部分的工作原理、內(nèi)部相互聯(lián)系和作用的理解，而且培養(yǎng)了學(xué)生理論和實踐相結(jié)合的能力。因此，如何使用和開發(fā)出組成原理箱的各項功能，對該課程的實踐教學(xué)具有重要意義。

1 目前普通高校計算機組成與體系結(jié)構(gòu)實驗原理箱在使用中存在的問題

重理論輕實踐 計算機組成與體系結(jié)構(gòu)課程因涉及知識面廣，內(nèi)容繁多，而采用理論教學(xué)為主、少量實踐教學(xué)為輔的教學(xué)模式。以教師講授為主，學(xué)生圍繞教師的講課思路被動地接受，這種教學(xué)模式不利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。事實上，計算機組成與體系結(jié)構(gòu)是一門實踐性很強的課程，如果不能充分結(jié)合實踐進行教學(xué)，將會使得學(xué)生對抽象的理論知識缺乏深刻理解與掌握，不利于對學(xué)生進行理論聯(lián)系實際能力的培養(yǎng)，并且這與培養(yǎng)實用、創(chuàng)新人才的理念相違背。

計算機組成原理實驗箱以驗證性實驗為主，操作簡單 在實踐教學(xué)中，學(xué)生側(cè)重通過操作硬件了解電子器件和電路構(gòu)成，對學(xué)生理解計算機的組成和工作原理有一定幫助。然而目前大部分高校采用的計算機組成原理實驗箱是以驗證性為主，操作簡單。由于組成原理硬件課程的特殊性，面對底層的電路，很多學(xué)生不知如何下手，往往是實驗做完了，結(jié)果也正確，可是信號具體在芯片內(nèi)部是如何產(chǎn)生和傳遞的過程卻并不清楚。這種以驗證性為主的實踐教學(xué)，不利于學(xué)生對課程內(nèi)容深入地理解，不利于對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

過度依賴仿真軟件，弱化了原理箱在實踐教學(xué)中的地位和作用 目前，許多高校在實踐教學(xué)中用仿真軟件替代組成原理箱，即：學(xué)生在計算機上進行模擬操作，只需要點擊相應(yīng)的按鍵，就能看到實驗的結(jié)果。這種完全脫離了硬件環(huán)境的實踐教學(xué)模式導(dǎo)致課程學(xué)完后，學(xué)生只知其然，不知其所以然，根本不知道具體的硬件芯片和電子電路的構(gòu)成，更不能深入地了解CPU的結(jié)構(gòu)和具體的工作原理。

理論指導(dǎo)有限，影響原理實驗箱的使用 該課程實踐教學(xué)中的普遍情況是學(xué)生人手一套原理箱和實驗指導(dǎo)書，教師進行簡單的講解后要求學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書的要求進行操作，看到應(yīng)該出現(xiàn)的結(jié)果就可以了。教師對實驗結(jié)果的原理講解不充分，學(xué)生對實驗結(jié)果的原理不理解，不知道如何查找故障，更談不上自己設(shè)計實驗了。這種教學(xué)方式限制了原理箱功能的開發(fā)，起不到理論聯(lián)系實際、培養(yǎng)動手能力的作用，更談不上創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 北京農(nóng)學(xué)院計算機組成原理實驗設(shè)備的應(yīng)用情況

北京農(nóng)學(xué)院組成原理箱情況簡介 北京農(nóng)學(xué)院重視計算機組成原理與體系結(jié)構(gòu)課程的建設(shè)，尤其重視實踐教學(xué)建設(shè)。學(xué)校組成原理實驗設(shè)備從最初的面包板上連接芯片發(fā)展到使用集成度高、操作簡單、易于理解的組成原理箱，功能從最初只做簡單的驗證性實驗發(fā)展到現(xiàn)在能開出具有研發(fā)、設(shè)計性質(zhì)的實驗。組成原理箱的使用把學(xué)生的精力從簡單的接線、檢查線路等低端的工作中轉(zhuǎn)移到原理箱的功能使用和開發(fā)上來，使學(xué)生加深對本課程的理解和把握，為理論知識的學(xué)習(xí)打下扎實的基礎(chǔ)，同時培養(yǎng)了一定的研發(fā)和創(chuàng)新能力。

目前，北京農(nóng)學(xué)院采用COP-FLY-1計算機組成原理實驗箱和與之配套的CZ-FLY通訊演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用軟硬結(jié)合的形式，即硬件原理箱+軟件通訊演示系統(tǒng)相結(jié)合的形式：硬件實驗保證了學(xué)生能了解CPU的具體組成，了解當(dāng)前一些流行的技術(shù)和芯片；配套的通訊軟件則提供了可視化的界面，通過實時的信號采集和傳輸，直觀而形象地展示了信號和數(shù)據(jù)在CPU內(nèi)部的流動情況，有助于學(xué)生更好地理解原理。在實驗過程中，軟件和硬件相結(jié)合，學(xué)生在軟件中選擇實驗內(nèi)容，軟件會顯示出該實驗所涉及的硬件的原理框圖。按照實驗指導(dǎo)書的步驟操作硬件，軟件會實時采集到數(shù)據(jù)和信號，并用不同的顏色在原理框圖上顯示出來，這樣學(xué)生既了解了硬件的組成，又更加直觀地理解了CPU運行的過程，大大提高學(xué)習(xí)興趣和實驗水平。

認(rèn)真研究原理箱的功能，參與編寫實驗指導(dǎo)書 實驗師認(rèn)真研究實驗箱的各項功能，提前在每一臺原理箱上做出全部的實驗，對設(shè)備進行調(diào)試，找出故障的原因和處理方法。同時在系統(tǒng)研究實驗原理箱的基礎(chǔ)上和任課教師一起開發(fā)新的實驗項目，參與編寫組成原理實驗指導(dǎo)書。

創(chuàng)新實踐教學(xué)方法，充分發(fā)揮原理箱的作用，創(chuàng)新實踐教學(xué)的新模式 采取任課教師指導(dǎo)為主、實驗教師指導(dǎo)為輔共同指導(dǎo)實踐教學(xué)，充分開發(fā)原理箱的功能。任課教師注重實驗原理的講解和對學(xué)生的啟發(fā)式引導(dǎo)，負(fù)責(zé)實踐教學(xué)的全過程；實驗教師要參與實踐教學(xué)全過程，也就是前期對實驗原理箱設(shè)備進行研究和調(diào)試，參加新的實驗項目的開發(fā)和實驗教材編寫，在實驗過程中負(fù)責(zé)指導(dǎo)和解決學(xué)生出現(xiàn)的問題，課后負(fù)責(zé)設(shè)備的維護和故障檢修等工作。這樣把任課教師從繁瑣的事務(wù)性工作中解放出來，使他們把更多的精力用于對學(xué)生的啟發(fā)和引導(dǎo)等重要的環(huán)節(jié)中來。這種“任課教師+實驗師”共同指導(dǎo)實驗教學(xué)的模式能夠提高原理箱的應(yīng)用水平，有力地促進實踐教學(xué)的順利進行。

配合3+1培養(yǎng)方案的教學(xué)內(nèi)容安排 在16學(xué)時的計算機組成與體系結(jié)構(gòu)課程實驗教學(xué)之后，開設(shè)30學(xué)時的小學(xué)期課程設(shè)計強化實踐訓(xùn)練。在實踐教學(xué)的內(nèi)容上強調(diào)整體觀念，實驗師配合教師根據(jù)學(xué)生的實際情況，用計算機組成原理實驗箱預(yù)留出來的開發(fā)功能，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計一些有一定實用性的實習(xí)項目，增強學(xué)生的開發(fā)興趣。這樣不但培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)和動手能力，而且培養(yǎng)了學(xué)生獨立思考、解決問題的能力，實現(xiàn)了“3+1”培養(yǎng)方案教學(xué)的目標(biāo)。學(xué)生反饋說：“用組成原理箱進行開發(fā)設(shè)計比直接做實驗困難許多，通過自己的設(shè)計實踐對計算機原理有了更深入的理解，收獲特別大?！?

3 一些經(jīng)驗

北京農(nóng)學(xué)院目前采用COP-FLY-1計算機組成原理箱和與之配套的CZ-FLY通訊演示系統(tǒng)。筆者在與任課教師配合指導(dǎo)學(xué)生實驗的過程中，通過不斷摸索，總結(jié)出一些原理箱使用上有益的經(jīng)驗做法。

掌握相應(yīng)的理論是做好實驗的基礎(chǔ) 本計算機組成原理箱采用微程序和組合邏輯控制器方案，要求學(xué)生必須很好地掌握程序控制器的結(jié)構(gòu)與工作原理，掌握組合邏輯控制器的基礎(chǔ)原理，并且在此基礎(chǔ)上理解熟悉模型計算機指令系統(tǒng)，記住ALU控制信號的功能和意義，看得懂程序，提前預(yù)計出每一步應(yīng)該出現(xiàn)的結(jié)果，進行有的放矢的學(xué)習(xí)與實踐，通過實驗使得所學(xué)知識得到升華。在實驗中會結(jié)合實驗內(nèi)容簡單復(fù)習(xí)重點的理論知識，使學(xué)生明確每一個實驗的目的與意義，杜絕囫圇吞棗、不知所以然地盲目實驗。

在實驗中培養(yǎng)學(xué)生細(xì)心認(rèn)真的作風(fēng) 計算機是由許多的集成電路模塊組成的，其設(shè)計、生產(chǎn)、使用都要求認(rèn)真仔細(xì)，來不得半點馬虎，通過實驗來培養(yǎng)計算機專業(yè)學(xué)生的細(xì)致認(rèn)真作風(fēng)。不同的實驗對應(yīng)不同的開關(guān)狀態(tài)，粗心的學(xué)生往往在搭建好實驗線路后沒有注意設(shè)置開關(guān)的狀態(tài)，導(dǎo)致實驗結(jié)果錯誤。實驗教師在指導(dǎo)學(xué)生實驗時，會提示讓學(xué)生自己通過仔細(xì)檢查、發(fā)現(xiàn)問題并進行改正，從而加強一絲不茍作風(fēng)的養(yǎng)成。

配置原理箱與PC機之間的端口 連接PC執(zhí)行演示系統(tǒng)時，要提示學(xué)生提前配制好USB端口，一般系統(tǒng)默認(rèn)為COM1，但是根據(jù)實際情況端口會有所不同，需要重新配置，否則會導(dǎo)致計算機與原理箱連接失敗。

計算機組成原理箱簡單故障處理的方法 計算機組成原理箱大多數(shù)故障為顯示燈不能正常顯示，影響了實驗過程的直觀展示及實驗結(jié)果的正確輸出，影響了實驗的質(zhì)量，必須及時進行分析處理。這就要求對實驗箱有一個完整細(xì)致的掌握，檢查發(fā)現(xiàn)有的是芯片燒制程序過程中出錯，只有對各部分的硬件組成及軟件程序都了如指掌，才能夠正確找出故障的原因，有針對性地進行解決，為實驗的正常開出提供保障。

按照實驗的模塊化結(jié)構(gòu)判斷顯示燈的位置 本計算機組成原理箱的地址、數(shù)據(jù)和控制信號分別采用紅、綠、黃三種顏色的LED燈進行顯示。由于實驗箱功能模塊多、面積小，顯示燈擺放得相對集中且沒有標(biāo)識，使得學(xué)生在實驗中不能順利及時地找到各個功能模塊的顯示。這時就指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗的類型按照模塊化的結(jié)構(gòu)和功能區(qū)進行判斷，很快找出相應(yīng)的信號燈進行觀察。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合實際教學(xué)的基本情況，針對組成原理箱的使用中存在的問題進行研究，在開發(fā)的設(shè)計上注重綜合性、趣味性和應(yīng)用性，大大地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生的動手能力和分析問題、解決問題的能力得到很大的提高，創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力得到一定的培養(yǎng)?！?/p>

參考文獻

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