計算機組成原理課程實驗教學探討與實踐

李靈華

摘要：針對計算機組成原理課程理論性強，抽象，學習難度大等問題，闡述對該課程實驗教學環(huán)節(jié)的教學設計以及實踐措施，探討使課程教學的理論和實踐緊密結合的具體實現(xiàn)方式。從實驗課程的理論教學內容的設置、實驗教學內容的設置，實驗教學過程的設計以及實驗教學方法等方面，對實驗課程的內容和教學方式進行介紹，并結合實驗教學的效果進行了歸納總結，以期為計算機組成原理實驗的教學提供指導。

關鍵詞：計算機組成原理；實驗教學；教學內容；教學過程；教學實踐

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）09-0160-02

Discussion and Practice on the Experiment Teaching of the Course of Principle of Computer Organization

LI Ling-hua

（College of Computer Science and Engineering， Dalian Nationalities University， Dalian 116600， China）

Abstract： There are some problems in the teaching of the course of principle of computer organization， such as the strong theorization， the abstractness and the great difficulty to learn. To solve those problems， the teaching design and practice measures in the experiment teaching of the course are stated， and the implementation to closely combine the theory and the practice of the course teaching is explored. The contents and teaching methods of the experiment course are introduced from the aspect of the setting of the theoretical teaching content， the setting of the experimental teaching content， the design of the experiment teaching process， and the method of the experiment teaching. And it is summarized combined with the effect of experiment teaching in order to provide guidance for the experiment teaching of the course of principle of computer organization.

Key words： principle of computer organization； experimental teaching； teaching content； teaching process； teaching practice

1 問題的提出

《計算機組成原理》課程是高校計算機相關專業(yè)本科生必修的一門核心專業(yè)基礎課程，在整個專業(yè)課程中具有重要的地位。進行年來，計算機技術無論在軟件還是在硬件方面都得到了飛速的發(fā)展，計算機系統(tǒng)在人們生產(chǎn)、生活的各個領域都得到了越來越多的應用。《計算機組成原理》課程為這些應用提供了必不可少的基礎理論。然而，我們不得不面對這樣一個實際情況，那就是《計算機組成原理》課程偏向于計算機硬件，其理論性強，抽象，學習難度大。而我校的教學定位于培養(yǎng)應用型人才，因此，計算機相關專業(yè)的學生普遍存在著重視軟件相關知識的學習，而輕視硬件相關知識的學習的心理及現(xiàn)狀。如何通過課程實驗教學的合理組織與安排，達到提高學生學習的主動性，培養(yǎng)學生學習的興趣，提高課程教學的效果的目的，是一個需要迫切解決的問題。本文結合課程理論教學的實踐，從實驗課程的理論教學內容的設置、實驗教學內容的設置，實驗教學過程的設計以及實驗教學方法等方面，對實驗課程的內容和教學方式進行介紹，并結合實驗教學的效果進行了歸納總結，以期為《計算機組成原理》課程實驗教學提供思路和借鑒。

2 課程理論教學內容的設置

《計算機組成原理》課程的教育目標定位于使學生掌握單CPU計算機的組成原理與內部運行機制，包括計算機系統(tǒng)的基本組成與結構，計算機硬件的功能部件的組成及工作原理，為學習理解高級語言編寫的程序如何被執(zhí)行的過程和原理提供理論基礎。具體教學要求如下：

1）理解各大部件互連構成整機系統(tǒng)的技術以及計算機系統(tǒng)的概念性結構和功能特性。

2）理解單CPU計算機的完整硬件組成、基本運行原理、內部運行機制。

3）能夠運用計算機組成的基本原理和基本方法，對有關計算機硬件系統(tǒng)中的理論和實際問題進行計算、分析，并能對一些基本部件進行簡單設計。

4）在知識、能力兩方面都得到提高。

課程理論課的教學內容按照馮·諾依曼結構劃分，包括：

1）計算機中的數(shù)據(jù)表示和運算方法，包括：定點數(shù)的表示和運算、浮點數(shù)的表示和運算；

2）計算機中的運算器部件，包括：算術邏輯單元、定點運算器結構、浮點運算器結構；

3）存儲系統(tǒng)，包括：存儲系統(tǒng)的層次結構、主存儲器、高速緩沖存儲器、其他形式的高速存儲器、虛擬存儲器系統(tǒng)、輔助存儲器；

4）總線，包括：總線信息傳輸、總線的工作方式、總線仲裁、總線標準；

5）指令系統(tǒng)，包括：指令格式、尋址方式、指令類型；

6）控制器，包括：控制器的功能和基本結構、指令的執(zhí)行過程、微程序控制器、硬布線控制器；

7）輸入/輸出系統(tǒng)，包括：外圍設備、輸入/輸出接口、輸入/輸出信息傳送控制方式。

3 課程實驗教學內容的設置

實驗教學內容按照理論教學進程安排，以單元實驗為主，每一章節(jié)的理論教學內容都對應安排相應的實驗教學內容，并再最后安排一次貫穿課程全部內容的綜合性實驗內容。理論課教學內容與實驗項目對應關系如表1所示。

如表1所示，《計算機組成原理》課程的實驗由三大類構成，即驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗。驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗的構成比例為4：3：1。實驗內容與理論教學內容緊密結合，目的是加深學生對理論知識的理解。同時，通過合理地安排實驗教學過程，培養(yǎng)學生的基本設計能力和實踐能力。通過合理的設計教學內容和形式，既幫助學生對計算機硬件系統(tǒng)的各組成部分的結構原理和工作過程有了充分的理解，又提高了學生的學習興趣，取得了良好的教學效果。

4 實驗教學過程的設計與實驗教學方法

不同實驗性質的實驗內容采用不同的教學過程的設計和教學方法。

1）驗證性實驗的教學過程和教學方法

驗證性實驗的教學過程包括：學生課前預習，實驗課前檢查→實驗內容及要求的講解→實驗原理的講解及實驗芯片的介紹→操作步驟講解及示范→學生動手實驗，教師個別輔導答疑→實驗驗收，評定驗收成績。

2）設計性實驗的教學過程和教學方法

設計性實驗的教學過程包括：學生課前預習，實驗課前檢查→實驗內容及要求的講解→課程理論教學相關原理的回顧→實驗方法的講解→學生進行實驗過程的設計→學生設計成果檢查→學生動手實驗→教師實驗總結→實驗驗收，評定驗收成績。

3）綜合性實驗的教學過程和教學方法

綜合性實驗是將前面幾個實驗中的單元電路組合在一起，構成一臺簡單的模型計算機。使用的單元電路主要包括運算器、存儲器，以及微程序控制器。實驗模型機是用微程序控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通路的控制，通過執(zhí)行由機器指令組成的簡單程序體現(xiàn)模型機的功能。其教學過程包括：學生課前預習，實驗課前檢查→實驗內容及要求的講解→課程理論教學相關原理的回顧→模型機工作原理以及操作步驟的講解→操作示范→學生動手實驗，教師個別輔導答疑→實驗驗收，評定驗收成績。

最后，通過驗收成績和實驗報告成績，綜合給出課程實驗成績。

5 結束語

近五年的教學實踐表明，《計算機組成原理》實驗教學調動了學生做實驗的積極性，使學生在實驗過程中能主動上手，將抽象的理論知識進行了具體又直觀的展示，使理論教學內容得到了形象化和具體化，有利于理論內容的消化理解，有效地提高了學生分析問題、解決問題以及動手實踐的能力。

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