基于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗課程的仿真教學(xué)研究

胡振穩(wěn)

摘 要：為了提高計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗課程的教學(xué)質(zhì)量，結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗，采用了計算機系統(tǒng)實驗課程的模擬器，本文首先分析了為什么要采用虛擬仿真來完成實驗教學(xué)，然后結(jié)合具體的實驗項目設(shè)置，有力闡述了怎樣在實驗課程中用虛擬仿真模擬器來進行教學(xué)的開展，最后分析了基于仿真教學(xué)的優(yōu)勢，為不斷提高學(xué)生的動手能力和老師的教學(xué)水平起到了良好的促進作用。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué) 虛擬仿真 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（c）-0221-03

Abstract： In order to improve the teaching quality of experimental course of computer architecture， combined withyears of teaching experience， using a computer system experiment simulator， this paper analyzes why to finish the experiment teaching using virtual simulation， and then expounds how to carry out a powerful set of teaching in the course of the experiment with virtual simulator with specific experimental projects finally， analyzes the advantages of simulation teaching based on the ability to continuously improve the teaching level of teachers andstudents played a good role in promoting.

Key Words： Experiment teaching； Virtual simulation； System structure

2012年3月13日，教育部印發(fā)了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》，提出要利用先進網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)，整合資源，構(gòu)建先進、高效、實用的高等教育信息基礎(chǔ)設(shè)施，開發(fā)整合各類優(yōu)質(zhì)教育教學(xué)資源，推動信息技術(shù)與高等教育深度融合，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。可見提升教育的信息化水平已是本科教學(xué)改革的趨勢和方向，虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用是高等教育信息化建設(shè)的重要舉措，如何將其深度融合進本科教學(xué)體系，重新構(gòu)建更利于教師教、學(xué)生學(xué)的新型的、基于教育信息化的本科教學(xué)課程就是高校教育教學(xué)研究的重要課題。

本課程是我們計算機學(xué)院軟件工程專業(yè)一門重要的專業(yè)方向課，通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解和掌握計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本原理和方法，掌握計算機系統(tǒng)的基本設(shè)計思路，能夠讓學(xué)生比較全面地掌握計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本原理、基本結(jié)構(gòu)和基本分析設(shè)計方法，建立起計算機系統(tǒng)的完整概念。與C語言、編譯原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等先修課程的內(nèi)容相呼應(yīng)，加深理解，提升層次，進一步形成軟件工程專業(yè)知識架構(gòu)。

本課程的教學(xué)目標是掌握計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念，掌握定量分析的基本方法；理解指令結(jié)構(gòu)的分類及指令結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)考慮的各種因素；掌握流水線的基本概念、分類以及性能分析，理解MIPS流水線；掌握流水線中的各種沖突以及解決方法；理解向量處理機及其性能評價；理解多級存儲層次，掌握Cache的基組成及工作原理，掌握改進Cache性能的方法；掌握輸入與輸出系統(tǒng)的基本概念以及廉價磁盤冗余陣列RAID；掌握多處理機系統(tǒng)的兩種存儲結(jié)構(gòu)模型、互連網(wǎng)絡(luò)知識；掌握有關(guān)機群系統(tǒng)的基本概念、機群的基本結(jié)構(gòu)以及機群的特點和分類。

當然，這門課程的教和學(xué)的過程中都存在不少困難，很多理論原理用傳統(tǒng)的教學(xué)法難以讓學(xué)生有效地理解，怎樣將體系結(jié)構(gòu)課程中那些抽象難懂的主題以生動清晰的方式展現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生可以與這些主題中的流程動態(tài)交互的方式來學(xué)習(xí)，是這門課程教學(xué)中的一個挑戰(zhàn)。虛擬仿真器（即模擬器）就成為解決這一挑戰(zhàn)的有力工具。

1 虛擬仿真實驗項目的設(shè)置

在國外著名大學(xué)的教學(xué)中都借助了這樣的手段，誕生了許多這樣的模擬器工具，在國內(nèi)設(shè)計的模擬器中，有目共睹的是同濟大學(xué)的張晨曦教授開發(fā)的一套體系結(jié)構(gòu)模擬器算是國內(nèi)同類模擬器中的佼佼者。在我們的教學(xué)使用中也發(fā)現(xiàn)它簡單易用，原理展示清晰，基本能滿足我們的教學(xué)需求。通過實驗項目的訓(xùn)練，如表1所示，深刻加深學(xué)生對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本原理、基本結(jié)構(gòu)的理解，掌握計算機系統(tǒng)性能評價的各種方法和實現(xiàn)流水線結(jié)構(gòu)的基本實現(xiàn)技術(shù)。

2 虛擬仿真實驗的優(yōu)勢分析

本課程實驗教材為2015年清華大學(xué)出版社出版的張晨曦教授主編的《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實踐教程》的第二版，經(jīng)過一學(xué)期的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，清晰認識到了引入虛擬仿真技術(shù)，對提升教學(xué)效果具有非常重要的作用。

（1）促進理論課程教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變，不再是老師一味的講述，而是變成了師生共同發(fā)現(xiàn)問題，解決問題這樣一種討論式的學(xué)習(xí)模式，有效降低理論課程的教學(xué)難點，極大了提高了學(xué)習(xí)效率與教學(xué)質(zhì)量。

（2）促進實驗課程結(jié)構(gòu)的改善，不但可以讓學(xué)生課前模擬實驗操作，初步找準實驗教學(xué)的難點，有力增加課堂真實實驗的成功概率，還可以把多個驗證性實驗課時進行整合，為提高型、綜合性實驗提供完整的實施路徑，為擴展性實驗提供良好平臺。

（3）促進多學(xué)科的理論知識的整合，不斷完善學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，并能在仿真平臺上構(gòu)建不同參數(shù)，實施不同模擬方案，反復(fù)操作感悟，加深理解，達到課程資源的建設(shè)的更加完善，增強實踐類、綜合類課程的作用，為精品課堂、翻轉(zhuǎn)課堂、慕課建設(shè)等教學(xué)改革發(fā)展提供推動力。

綜上所述，不難看出虛擬仿真技術(shù)在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗課中的積極作用，不僅能使理論與實踐課程相結(jié)合，提高課堂教學(xué)效果，而且能夯實整個計算機專業(yè)知識體系結(jié)構(gòu)，進一步提高學(xué)生的解決問題能力和知識創(chuàng)新能力，也能促進本科教學(xué)質(zhì)量的穩(wěn)步提高。

3 結(jié)語

計算機體系結(jié)構(gòu)是計算機本科專業(yè)中一門承上啟下的重要的專業(yè)課，能夠把計算機組成原理、操作系統(tǒng)、編譯原理、匯編語言等課程中所學(xué)的軟硬件知識有機地結(jié)合起來，有利于建立起計算機系統(tǒng)的完整概念。結(jié)合近些年的教學(xué)實踐經(jīng)驗，深入探討了虛擬仿真技術(shù)在本課程實驗教學(xué)中的應(yīng)用方法，虛擬仿真技術(shù)能極其顯著地提高教學(xué)的效果，給師生帶來輕松簡便的學(xué)習(xí)感受，當然實踐中還需進一步加強虛擬仿真技術(shù)與教學(xué)的深度融合，改進不足之處。

（致謝：本文得到了黃岡師范學(xué)院省級實驗教學(xué)示范中心教學(xué)研究項目的大力支持，項目名稱：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗的虛擬仿真技術(shù)研究。）

參考文獻

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