計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探討

王婧

摘 要：計(jì)算機(jī)組成原理課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課，實(shí)驗(yàn)課和課程設(shè)計(jì)是這門課程的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)提升課程的教學(xué)質(zhì)量有著顯著的影響。計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)以及培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素質(zhì)起著非常重要的支撐作用。本文分析了目前本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的主要問題及原因，結(jié)合我校實(shí)際情況，論述從實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法幾個(gè)方面進(jìn)行的改革措施。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革；啟發(fā)式教學(xué)法；分層次教學(xué)法

中圖分類號(hào)：TP303 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：The course of Computer Composition Principles is a core professional basic course in the department of computer science and technology.The experiment course and course design are the important teaching links in the course，with a significant impact on the quality of teaching.The experiment teaching of Computer Composition Principles plays a supporting role for students to master computer hardware knowledge and cultivate professional quality.This paper analyzes the current main problems and their causes in the experiment teaching of this course.In combination with the practical situation of our university，this paper proposes the reform measures from several aspects，including the experiment teaching system，the experiment content and the experiment teaching method.

Keywords：computer composition principles；experiment teaching reform；heuristic teaching method；hierarchical

teaching method

1 引言（Introduction）

計(jì)算機(jī)組成原理課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門核心課，是學(xué)好計(jì)算機(jī)專業(yè)后續(xù)課的基礎(chǔ)，學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，可以從層次的觀點(diǎn)掌握計(jì)算機(jī)組成和運(yùn)行機(jī)制方面的基本概念、基本原理、基本設(shè)計(jì)和分析方法。從系統(tǒng)的觀點(diǎn)理解提高計(jì)算機(jī)整機(jī)的硬軟件性能和部件性能的各種可行途徑，了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬件、軟件的功能劃分和相互配合關(guān)系。能夠讓學(xué)生從提高系統(tǒng)性能的主體宏觀角度出發(fā)，站在更高層次上思考和解決專業(yè)中遇到的問題。基于該部分知識(shí)體系的重要程度，這門課已經(jīng)被國(guó)家列入計(jì)算機(jī)專業(yè)考研專業(yè)課考試內(nèi)容之一。然而計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且集成度高，使得課程內(nèi)容多、涉及面廣、更新快、難度大，學(xué)生理解起來比較抽象和枯燥[1]。因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)置尤為重要，實(shí)驗(yàn)課的合理設(shè)計(jì)可以彌補(bǔ)講解不足，將課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)合，可以幫助學(xué)生更形象和直觀的理解知識(shí)從而應(yīng)用知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生自行設(shè)計(jì)和創(chuàng)造的能力。

2 現(xiàn)存問題（Existing problems）

計(jì)算機(jī)組成原理課程具有內(nèi)容龐雜、抽象、很多細(xì)節(jié)無法感知，不容易得到感性認(rèn)識(shí)，而且所學(xué)內(nèi)容前后連貫性強(qiáng)，覆蓋范圍廣的特點(diǎn)。通過幾年的教學(xué)實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課存在很多問題，主要包括三方面。

2.1 與先修課銜接不良

計(jì)算機(jī)組成原理課程的先修課主要包括“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”和“程序設(shè)計(jì)”，要求學(xué)生具備高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、布爾代數(shù)和數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)，在進(jìn)行計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)時(shí)需要運(yùn)用很多相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生掌握的這部分知識(shí)不夠支撐去理解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的電路設(shè)置，因此需要耗費(fèi)很多的時(shí)間去補(bǔ)習(xí)先修課的知識(shí)。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容形式單一

我校使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是從廠家購(gòu)置的Dais-CMX16+十六位體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置，廠家提供配套實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，提供了詳細(xì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本以驗(yàn)證性為主，由于計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)箱已集成基本功能模塊，預(yù)留信號(hào)線插孔，連線較多，總線包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、指令總線，還有控制信號(hào)等，學(xué)生大部分時(shí)間都浪費(fèi)在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備上，連接好后，學(xué)生只需機(jī)械撥弄開關(guān)即可完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)置缺乏設(shè)計(jì)性和綜合性，學(xué)生只側(cè)重于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而忽視了實(shí)驗(yàn)原理。很難讓學(xué)生建立整機(jī)系統(tǒng)的概念，教學(xué)效果很不理想。

2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與課堂內(nèi)容脫節(jié)

計(jì)算機(jī)組成原理課程具有技術(shù)性高和抽象性強(qiáng)的特點(diǎn)，其教學(xué)內(nèi)容很難通過短暫的課堂講授被學(xué)生完全理解和掌握。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)手段不夠直觀和形象，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)就顯得尤為重要。但現(xiàn)實(shí)是實(shí)驗(yàn)教材是直接使用廠家提供的指導(dǎo)書，其內(nèi)容和課堂內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，在課堂上講解的知識(shí)點(diǎn)往往在實(shí)驗(yàn)課上得不到實(shí)現(xiàn)和印證，某些知識(shí)內(nèi)容點(diǎn)如Cache、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器DRAM等發(fā)展很快，實(shí)際的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要比實(shí)驗(yàn)中的模型機(jī)復(fù)雜得多，像多級(jí)總線、多核CPU、多級(jí)Cache和多種IO總線等內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)儀器上都沒有體現(xiàn)，學(xué)生還是無法透徹理解相關(guān)原理和知識(shí)點(diǎn)。endprint

3 實(shí)驗(yàn)課程改革措施（Reform measures of

experiment courses）

基于以上存在的幾點(diǎn)問題，我們?cè)谶@門課的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了系列改革，主要措施如下：

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法是教師講解，學(xué)生參照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書步驟利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)箱按部就班進(jìn)行驗(yàn)證，這種方式學(xué)生無法真正理解每步操作的真正含義和作用。對(duì)此我們改變了原有的教學(xué)模式。采用啟發(fā)式教學(xué)，突出理論實(shí)際應(yīng)用，并結(jié)合先進(jìn)的教學(xué)手段。首先在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，教師提前一個(gè)星期在理論課堂上先將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行講解，讓學(xué)生事先預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)電路圖和各個(gè)芯片信號(hào)的作用，在實(shí)驗(yàn)課上利用計(jì)算機(jī)多媒體輔助教學(xué)方式，利用開發(fā)的CAI實(shí)驗(yàn)課件，以動(dòng)畫的形式演示并講解，再讓學(xué)生驗(yàn)證或設(shè)計(jì)，理解數(shù)據(jù)流動(dòng)的過程和最終結(jié)果[2]。采用這種方式后，學(xué)生感覺更直觀、更形象、更容易理解，達(dá)到了提高學(xué)習(xí)興趣的目的。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容主要是以馮諾依曼機(jī)為原型，從一臺(tái)整機(jī)出發(fā)，把所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)定位到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的對(duì)應(yīng)位置，從而建立前后知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)，并逐步形成該課程的整體內(nèi)容框架。需掌握存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器和輸入輸出系統(tǒng)，以及連接這些主要部件的系統(tǒng)總線的構(gòu)成和原理[3]。在學(xué)習(xí)之前需要先修“數(shù)字邏輯電路”“電路與模擬電子技術(shù)”等專業(yè)課，掌握相關(guān)專業(yè)知識(shí)。為解決與先修課銜接不良的顯現(xiàn)，首先我們將這三門課開設(shè)時(shí)間緊湊設(shè)置為相鄰學(xué)期，并組建教學(xué)團(tuán)隊(duì)，定期組織教學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行交流，說明各門課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)，對(duì)重疊知識(shí)點(diǎn)和具有延續(xù)性的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)歸納，并據(jù)此擬定對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)方法，劃定講解范圍及講解深度，這樣能更細(xì)致的掌握跨課程知識(shí)點(diǎn)的前后關(guān)聯(lián)，引導(dǎo)學(xué)生銜接先修課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

增加實(shí)驗(yàn)在期末考核中的比重。以往期末考試以筆試為主，占期末成績(jī)的90%，平時(shí)成績(jī)?yōu)?0%，學(xué)生都成了“考試型”人才，以考前突擊背誦概念作為通過考試的手段，沒有實(shí)現(xiàn)研究能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標(biāo)。對(duì)此我們將實(shí)驗(yàn)考核比重增加，期末筆試占總成績(jī)60%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占總成績(jī)30%，平時(shí)成績(jī)占總成績(jī)10%。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)完成后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，規(guī)范實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式，要求學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題提出解決方法。這種方式起到了督促學(xué)生深入理解實(shí)驗(yàn)過程掌握實(shí)驗(yàn)原理的作用。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更新

將以往的以驗(yàn)證性為主的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，詳見表1。更新為以驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合性相結(jié)合的方式，不同實(shí)驗(yàn)性質(zhì)采用不同的教學(xué)過程和教學(xué)方法，詳見表2。在實(shí)驗(yàn)課最后安排一次貫穿全部?jī)?nèi)容的綜合性實(shí)驗(yàn)，將前幾次實(shí)驗(yàn)的單元電路組合在一起，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的基本模型機(jī)。

如表2所示改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由三大類型構(gòu)成，即驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，其構(gòu)成比例為3：4：1。以往驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容占主導(dǎo)，抑制了學(xué)生的創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)整后，增加了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比重。在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，只給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅唧w實(shí)驗(yàn)過程完全由學(xué)生自行實(shí)現(xiàn)，例如基本指令實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)裝置原有指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)新指令并編寫相應(yīng)的微程序，要求兩條指令都要用到運(yùn)算器功能及使用兩種以上尋址方式[4]。多數(shù)學(xué)生都能在完成實(shí)驗(yàn)基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，獨(dú)立思考提出相關(guān)問題，并找到解決方法。個(gè)別能力非常強(qiáng)的學(xué)生，不僅完成了課堂實(shí)驗(yàn)要求，還能夠找到多種實(shí)現(xiàn)方法，在此基礎(chǔ)上獨(dú)立開發(fā)，產(chǎn)生了自我創(chuàng)新的欲望，培養(yǎng)了創(chuàng)新思維[5]。

除此以外，在本教學(xué)學(xué)期的第二學(xué)期開設(shè)與本課程內(nèi)容相關(guān)的課程設(shè)計(jì)，課程設(shè)計(jì)內(nèi)容為運(yùn)用之前的零散知識(shí)點(diǎn)完成綜合性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在完成課程設(shè)計(jì)期間，建立開放性的實(shí)驗(yàn)條件，允許學(xué)生在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室不限定時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可結(jié)合自己專業(yè)特點(diǎn)或興趣提出設(shè)計(jì)構(gòu)想和方案，教師在規(guī)定課程時(shí)間給予相應(yīng)的指導(dǎo)和答疑，輔助學(xué)生完成課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，課程設(shè)計(jì)的結(jié)果作為期末考核成績(jī)，對(duì)應(yīng)相應(yīng)的學(xué)分。這樣有助于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和創(chuàng)造意識(shí)，有助于對(duì)系統(tǒng)整體概念的建立。

3.3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

（1）采用啟發(fā)式教學(xué)方法

針對(duì)課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容脫節(jié)的現(xiàn)狀，我們采用啟發(fā)式教學(xué)方式，在課堂教學(xué)中采用由整體到局部，層層深入的過程。首先建立整機(jī)概念，然后再劃分為具體細(xì)節(jié)，讓學(xué)生明確所學(xué)內(nèi)容在整個(gè)計(jì)算機(jī)工作中的作用，對(duì)全局的影響。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)課堂上，針對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容的細(xì)節(jié)部分以信息的數(shù)字化表示、信息的傳送和控制方法等幾個(gè)層次進(jìn)行部件的介紹和分析，通過錄制教學(xué)視頻及flash制作的動(dòng)畫方式生動(dòng)的展示數(shù)據(jù)流過程，以及各個(gè)部件的內(nèi)部構(gòu)造，最終完成一臺(tái)整機(jī)系統(tǒng)的建立。

（2）建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

在課堂教學(xué)外，教學(xué)團(tuán)隊(duì)組織共同開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，在平臺(tái)上不斷補(bǔ)充新的教學(xué)內(nèi)容，除了利用CAI實(shí)驗(yàn)課件生動(dòng)的展示實(shí)驗(yàn)原理內(nèi)容外。還具備網(wǎng)上答疑、教學(xué)互動(dòng)及教學(xué)文件、實(shí)驗(yàn)報(bào)告上傳下載等功能，使學(xué)生除課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間外，可以進(jìn)行預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、交流和總結(jié)等活動(dòng)。使用平臺(tái)后，學(xué)生遇到問題將節(jié)省很多時(shí)間，在網(wǎng)上互動(dòng)不僅減輕了授課教師的指導(dǎo)工作，也調(diào)動(dòng)了學(xué)生之間交流學(xué)習(xí)的積極性。

（3）采用個(gè)性化教學(xué)方法

學(xué)生存在個(gè)體差異，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用相同的標(biāo)準(zhǔn)來統(tǒng)一要求所有學(xué)生是不客觀的。因此，為保證每個(gè)學(xué)生個(gè)性化充分發(fā)揮，都能在原有基礎(chǔ)上得到能力的提高，我們采用啟發(fā)式教學(xué)方式，分層次對(duì)學(xué)生提出要求。實(shí)驗(yàn)大綱的基本要求都是統(tǒng)一的，但是對(duì)于能力較強(qiáng)的學(xué)生，會(huì)要求其在完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的基礎(chǔ)上，給出更多的設(shè)計(jì)方案，用不同的方法印證或?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新力。

（4）引入先進(jìn)技術(shù)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，3D數(shù)字化技術(shù)、多傳感器技術(shù)、多媒體交互體驗(yàn)、高分辨率的顯示技術(shù)的運(yùn)用，能夠生成逼真的3D虛擬場(chǎng)景，再現(xiàn)計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)、指令流、數(shù)據(jù)流、多核CPU、多級(jí)Cache、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器等工作原理和工作過程，還能使學(xué)生與場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，甚至感知實(shí)驗(yàn)對(duì)象。能夠讓學(xué)生體會(huì)到比現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置更佳的性能，實(shí)現(xiàn)更好的教學(xué)效果。和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)可以不受時(shí)間和空間的限制，不用在實(shí)驗(yàn)室完成，不需要實(shí)驗(yàn)儀器等優(yōu)勢(shì)[6]。但是這對(duì)設(shè)備和環(huán)境的硬件要求比較高，前期需要有較大的資金投入。

4 結(jié)論（Conclusion）

總之，計(jì)算機(jī)組成原理課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課，而計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是計(jì)算機(jī)組成原理課程必不可少的一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的重要教學(xué)手段。必須高度重視這一教學(xué)環(huán)節(jié)，不斷加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)，不斷完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，研究先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，從而達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)興趣的目的。

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作者簡(jiǎn)介：

王 婧（1981-），女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù).endprint