開放融合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法初探

汪紅　劉科　唐菀

摘? 要：針對(duì)計(jì)算機(jī)硬件類課程研究?jī)?nèi)容抽象、前后課程銜接緊密、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建困難的特點(diǎn)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)課程之間的關(guān)聯(lián)性，針對(duì)學(xué)生理解能力存在差異的現(xiàn)狀，將開放實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶投喾绞饺诤系乃悸芬胝n程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)建立起多門課程知識(shí)點(diǎn)之間的相互聯(lián)系，全方位提升學(xué)生對(duì)抽象理論知識(shí)的理解能力和實(shí)踐能力。在將該開放融合方式應(yīng)用于課程教學(xué)實(shí)踐中之后，帶來(lái)了授課對(duì)象的學(xué)習(xí)積極性及學(xué)習(xí)效果的顯著提升，取得了預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)硬件;關(guān)聯(lián)性;開放實(shí)驗(yàn);多方式融合

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）01-0119-03

Abstract： Owing to the characteristics of computer hardware courses with the abstract content， the tight connection among the courses and the hardship of experimental platform construction， andthe relevance among the courses and the diversity of students' comprehension， the opening experiment model and multi-mode integration are introduced into the experimental teaching. Furthermore， the relationships among the knowledge points of relative courses are established to comprehensively promote the comprehension and practical ability of students. After applying the opening and integrated model into practice， the students' learning initiative and learning effect have been improved obviously and the anticipate teaching effect has been achieved.

Keywords： computer hardware; relevance; opening experiment; multi-mode integration

在教育部新時(shí)代高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議精神指導(dǎo)下，各高校圍繞“新工科”建設(shè)開展了更加深入的教學(xué)改革探索，尤其在“融合創(chuàng)新”的工程教育新模式方面進(jìn)行了不斷地嘗試。隨著順應(yīng)“新工科”建設(shè)的教學(xué)改革的逐漸深入，以及社會(huì)對(duì)創(chuàng)新型人才的需求，實(shí)踐環(huán)節(jié)在高校教學(xué)改革中的地位與作用越來(lái)越重要，它成為培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的有效手段。計(jì)算機(jī)學(xué)科具有很強(qiáng)的工程性和實(shí)踐性，同時(shí)也具有很寬的延展性，非常適合開展新工科建設(shè)的實(shí)踐。

目前國(guó)內(nèi)外很多高校在計(jì)算機(jī)學(xué)科相關(guān)課程的理論及實(shí)踐教學(xué)改革方面進(jìn)行了廣泛深入的研究，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。例如MIT等國(guó)外高校早在多年前就已經(jīng)開始要求低年級(jí)本科生利用HDL（硬件描述語(yǔ)言）設(shè)計(jì)與非門、觸發(fā)器等基礎(chǔ)部件，并在數(shù)字邏輯和計(jì)算機(jī)組成原理等課程中加以應(yīng)用，這種教學(xué)方法使學(xué)生在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力方面得到很大程度的提升;國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)、浙江大學(xué)等高校也將貫通式課程理念應(yīng)用于理論和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，構(gòu)建一體化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)替換傳統(tǒng)的分離式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這些高校在理論及實(shí)踐教學(xué)中所作出的努力，使得學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)科的相關(guān)課程有了更加全面、系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

借鑒國(guó)內(nèi)外高校的成功經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)民族高校應(yīng)用型專業(yè)課程學(xué)時(shí)較少、生源差異較大等實(shí)際情況，在計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)課程方面進(jìn)行融合式實(shí)驗(yàn)方法的研究和探索，通過(guò)統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)環(huán)境使學(xué)生掌握課程之間的關(guān)聯(lián)，并在此基礎(chǔ)上提升學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣，從而增強(qiáng)對(duì)計(jì)算機(jī)的體系化認(rèn)識(shí)，助力計(jì)算機(jī)類其他課程的學(xué)習(xí)，最終使得學(xué)生能利用所學(xué)知識(shí)構(gòu)建起自己的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路

（一）實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)學(xué)科的核心課程之間具有緊密的聯(lián)系[5]，但是傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中通常將課程細(xì)化，教師們?cè)谑谡n過(guò)程中并不太關(guān)注課程間的關(guān)聯(lián)，而只是孤立地講授自己的課程內(nèi)容。此外，在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中，課程實(shí)驗(yàn)通常采用獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不同課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)間往往不具備兼容性。這種體系使得學(xué)生每學(xué)習(xí)一門新課都要同步熟悉一個(gè)全新的平臺(tái)以及實(shí)驗(yàn)工具，不僅增加了學(xué)生負(fù)擔(dān)，也造成了實(shí)驗(yàn)資源的浪費(fèi)，而教學(xué)效果卻不盡人意。

另外，隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，在很多高校的培養(yǎng)方案中增加了大量新課程，相對(duì)而言，必然會(huì)減少或者合并一些傳統(tǒng)課程，因此壓縮各類課程尤其是計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)課程計(jì)劃學(xué)時(shí)的情況非常普遍。由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的縮減，教學(xué)計(jì)劃內(nèi)的實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式已經(jīng)難以按時(shí)完成，因此迫切需要合適的實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)環(huán)境來(lái)滿足新的要求。

（二）教學(xué)改革思路

以計(jì)算機(jī)學(xué)科基礎(chǔ)課程中的數(shù)字電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)組成原理作為融合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究的實(shí)驗(yàn)課程，以計(jì)算機(jī)組成原理中的“數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)”為目標(biāo)開展融合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐探索。

數(shù)字電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)組成原理這兩門課程的工程性、技術(shù)性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，涉及的內(nèi)容較多、難度也較大。數(shù)字電子技術(shù)在研究邏輯代數(shù)（布爾代數(shù)）理論的基礎(chǔ)上，深入討論數(shù)字系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)的原理和方法。計(jì)算機(jī)組成原理以單機(jī)系統(tǒng)為討論對(duì)象，脫離具體機(jī)型，緊跟計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的潮流，以計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)為中心闡述各大功能部件的基本概念、構(gòu)成原理以及工作機(jī)理?？梢?jiàn)，數(shù)字電子技術(shù)是計(jì)算機(jī)組成原理的基礎(chǔ)，在培養(yǎng)方案中通常將前者設(shè)置為后者的前導(dǎo)課程。因此只有當(dāng)學(xué)生較全面地掌握了數(shù)字邏輯電路分析與設(shè)計(jì)的基本理論和方法，建立較為全面、系統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)體系，同時(shí)，掌握了各種常用的不同規(guī)模邏輯器件的基本原理及應(yīng)用特點(diǎn)之后，才能理解計(jì)算機(jī)各功能部件的原理，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)整體模型機(jī)的設(shè)計(jì)。

建立了課程之間的聯(lián)系之后，在實(shí)驗(yàn)手段和內(nèi)容上進(jìn)行融合，自頂向下地構(gòu)建實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在相關(guān)課程環(huán)節(jié)完成所需內(nèi)容。根據(jù)馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的核心思想，針對(duì)運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器等部件的工作原理，構(gòu)造各部件的基本結(jié)構(gòu)，并在數(shù)字電子技術(shù)課程中進(jìn)行邏輯電路的具體實(shí)現(xiàn)。通過(guò)從整體功能部件結(jié)構(gòu)到元器件邏輯設(shè)計(jì)的自頂向下（如圖1所示）的設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)置和訓(xùn)練，將計(jì)算機(jī)組成原理和數(shù)字電子技術(shù)兩門課程的內(nèi)容進(jìn)行融合，使學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)、激發(fā)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性、提高動(dòng)手能力。

二、開放融合式實(shí)驗(yàn)方案

（一）早期融合式平臺(tái)

在培養(yǎng)方案中，絕大部分課程的實(shí)驗(yàn)是理論教學(xué)的輔助環(huán)節(jié)，計(jì)算機(jī)硬件類課程教學(xué)的常見(jiàn)做法通常是一門課程配置一套獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（比如試驗(yàn)箱）。為了探索融合式實(shí)驗(yàn)方式，同時(shí)打破時(shí)間和空間的限制，2012年團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了實(shí)用新型專利產(chǎn)品“便攜式雙平臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置”。該裝置將硬連線和EDA兩種設(shè)計(jì)手段相結(jié)合，可以根據(jù)學(xué)生的不同程度和能力設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)方案。

該實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)組成原理兩門課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的統(tǒng)一，但是無(wú)論是硬連線方式，還是EDA方式進(jìn)行電路或者功能模塊的設(shè)計(jì)都需要投入大量時(shí)間，而且電路不具備復(fù)用性，尤其是出錯(cuò)的時(shí)候，學(xué)生用于排錯(cuò)的時(shí)間和精力會(huì)非常多，因此并不能達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的目的。

（二）現(xiàn)行融合式實(shí)驗(yàn)方案

針對(duì)早期融合式實(shí)驗(yàn)方案存在的不足，借鑒其他高校的經(jīng)驗(yàn)，考慮時(shí)間和空間因素，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了新的嘗試，目前的實(shí)驗(yàn)方案選擇軟件平臺(tái)實(shí)施，經(jīng)過(guò)近兩年的對(duì)比研究，采用Logisim軟件實(shí)施融合式課程實(shí)驗(yàn)取得了較好效果。

三、課程實(shí)施案例

根據(jù)課程內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)性，通過(guò)自頂向下模式設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采用Logisim軟件開展理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在計(jì)算機(jī)組成原理和數(shù)字電子技術(shù)兩門課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取得了良好效果，下面分別針對(duì)兩門課程的實(shí)施案例進(jìn)行闡述。

（一）計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)案例

根據(jù)培養(yǎng)方案和課程教學(xué)大綱，計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)通路以及控制器等幾個(gè)部分的設(shè)計(jì)和功能驗(yàn)證，計(jì)劃12學(xué)時(shí)，通常安排4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括定點(diǎn)運(yùn)算器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、存儲(chǔ)器擴(kuò)展及讀寫實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、微程序控制器實(shí)驗(yàn)等。

以數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為例，該環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生的基本要求是：1.自主設(shè)計(jì)一個(gè)由運(yùn)算器和存儲(chǔ)器構(gòu)成的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)通路（參考電路如圖2所示），學(xué)生可以在此基礎(chǔ)上根據(jù)自己的能力進(jìn)行擴(kuò)展（比如擴(kuò)展為8位、16位，甚至是32位的數(shù)據(jù)通路）;2. 電路設(shè)計(jì)完成之后，能夠利用該電路實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器寫操作、讀操作以及運(yùn)算器的基本算術(shù)和邏輯運(yùn)算，比如實(shí)現(xiàn)“x+y-z”的操作并將流程記錄下來(lái)。

由圖2可見(jiàn)，數(shù)據(jù)通路采用單總線結(jié)構(gòu)，電路中包含了運(yùn)算器部件和存儲(chǔ)器部件。其中運(yùn)算器通常由多功能算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU）、寄存器組、三態(tài)門、多路選擇器等部分構(gòu)成;存儲(chǔ)器部件通常包含存儲(chǔ)體（實(shí)驗(yàn)中采用SRAM）、地址寄存器（可以采用計(jì)數(shù)器）以及數(shù)據(jù)寄存器等構(gòu)成。這些基本器件的設(shè)計(jì)則在數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)中完成。

（二）數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)案例

數(shù)字電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)同樣設(shè)置4個(gè)項(xiàng)目（計(jì)劃12學(xué)時(shí)），包括基本邏輯門以及觸發(fā)器的功能驗(yàn)證、組合邏輯電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用、同步時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用、典型中規(guī)模時(shí)序邏輯器件的應(yīng)用等。鑒于數(shù)字電子技術(shù)課程與計(jì)算機(jī)組成原理課程之間的相關(guān)性，根據(jù)大綱要求，在數(shù)字電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)中需要完成各類底層電路的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，因此將加法器、減法器、多路選擇器、譯碼器等組合邏輯電路的設(shè)計(jì)，以及寄存器、計(jì)數(shù)器等常用時(shí)序電路的設(shè)計(jì)等作為主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。以加減法器為例，利用同樣的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

加減法器采用一位全加器（fulladd，如圖3所示）通過(guò)串行進(jìn)位鏈級(jí)聯(lián)而成，以一位全加器為單元電路，生成模塊之后進(jìn)行復(fù)用，從而通過(guò)“搭積木”的方式生成整體加減法電路，如圖4所示。這樣的實(shí)驗(yàn)方式讓學(xué)生由簡(jiǎn)到繁完成電路設(shè)計(jì)，更加容易看到結(jié)果，讓學(xué)生產(chǎn)生成就感，效果明顯。

（三）方案實(shí)施及效果

除了計(jì)劃中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以外，團(tuán)隊(duì)通過(guò)開放式和可擴(kuò)展性的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ饺轿粰z驗(yàn)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，同時(shí)在實(shí)施過(guò)程中考慮到學(xué)生的接受能力，采用了小范圍試點(diǎn)的循序漸進(jìn)的模式穩(wěn)步推進(jìn)。每個(gè)學(xué)期從各個(gè)班級(jí)的同學(xué)中選擇部分整體功能電路的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證能力較強(qiáng)的學(xué)生參與到融合式的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中來(lái)，該環(huán)節(jié)根據(jù)課程目標(biāo)，采用自頂向下的方式設(shè)置拓展內(nèi)容，其中計(jì)算機(jī)組成原理的拓展以“基于微程序控制的模型機(jī)”為題，學(xué)生自由組合完成可行性論證，并提交設(shè)計(jì)方案，最后進(jìn)行設(shè)計(jì)并提交設(shè)計(jì)及驗(yàn)證結(jié)果;數(shù)字電子技術(shù)的拓展內(nèi)容則根據(jù)計(jì)算機(jī)組成原理設(shè)計(jì)的模型機(jī)的需要進(jìn)行設(shè)置，比如設(shè)計(jì)寄存器組、ALU或者時(shí)序發(fā)生器等，同樣經(jīng)過(guò)可行性論證、提交設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)并驗(yàn)證的過(guò)程，以此驗(yàn)證學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

很顯然，這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ讲捎谩按罘e木”的方法構(gòu)造電路，讓知識(shí)不再抽象，而是變得生動(dòng)、有趣，學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)思考，對(duì)于課程理論知識(shí)的理解具有積極的影響。部分同學(xué)在完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之后表示，這種融合式的課程實(shí)驗(yàn)方式幫助他們建立起了前后課程之間的聯(lián)系，使得前面課程所學(xué)知識(shí)可以作為模塊供后續(xù)課程使用，也堅(jiān)定了他們構(gòu)建自己的計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的信心。此外，通過(guò)開放靈活的實(shí)驗(yàn)方式，學(xué)生們不僅進(jìn)行了工程化開發(fā)流程的訓(xùn)練，而且加深了對(duì)課程知識(shí)的理解和掌握，提升了動(dòng)手能力。

四、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)民族高校生源特征，以及課程計(jì)劃學(xué)時(shí)數(shù)較少的特點(diǎn)，通過(guò)在計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)踐教學(xué)改革方面進(jìn)行長(zhǎng)期探索，摸索出一些已見(jiàn)成效的實(shí)踐模式，將課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)融合統(tǒng)一，結(jié)合多種實(shí)驗(yàn)手段，實(shí)行開放融合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，較好地實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的無(wú)縫銜接，并且突破了時(shí)間和空間的限制，極大地彌補(bǔ)了計(jì)劃學(xué)時(shí)少以及依賴固定實(shí)驗(yàn)裝置的缺陷。該方法在2016級(jí)和2017級(jí)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生中進(jìn)行試點(diǎn)，分別在數(shù)字電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)組成原理期末考試中取得卷面及格率70%和75%的歷史最好成績(jī)，取得了較好效果。

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