胡 偉

(黃山學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 黃山 245041)

1 概 述

隨著我國經(jīng)濟社會發(fā)展的日益加速，一方面高水平的學(xué)術(shù)研究型人才必不可少，而另一方面對高素質(zhì)的應(yīng)用型專業(yè)人才的需求量則更為巨大。國內(nèi)大多數(shù)的本科院校，特別是新升格的本科院校都確定了以培養(yǎng)應(yīng)用型專業(yè)人才為主要任務(wù)。所以新升格普通高等學(xué)校都必須積極推行應(yīng)用型人才培養(yǎng)的教學(xué)研究與改革。

計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)硬件技術(shù)的教學(xué)主要以數(shù)字邏輯電路和計算機組成原理為基礎(chǔ)，匯編語言程序設(shè)計、微機接口技術(shù)和計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等課程為擴展。其中計算機組成原理是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是計算機學(xué)科的考研課程之一，在計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程體系中有著十分重要的地位。微機接口技術(shù)和匯編語言程序設(shè)計分別是在硬件和軟件方面的延伸和拓展。[1]傳統(tǒng)的實驗教學(xué)不能滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求，因此對計算機組成原理的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行必要的整合和改革，有利于學(xué)生理論與實踐相結(jié)合，加深學(xué)生對理論知識的掌握，加強學(xué)生動手能力的培養(yǎng)。

2 計算機組成原理的實驗方式

目前高校計算機組成原理實驗主要采用兩種方案實現(xiàn)。

1.采用固定的實驗平臺，實驗箱上已經(jīng)將計算機系統(tǒng)的各個部件全部做好，學(xué)生通過親手連線來掌握各部件的數(shù)據(jù)通路，通過撥動相應(yīng)控制開關(guān)模擬控制器給出控制信號完成計算機的各項功能；

2.將EDA技術(shù)引入計算機組成原理的實驗課程，利用電路設(shè)計仿真軟件先設(shè)計出實驗電路，然后將實驗電路下載到FPGA芯片中，最后利用實驗儀的相應(yīng)硬件資源直觀地觀察實驗結(jié)果來驗證實驗電路的設(shè)計。

目前我校使用的是啟東計算機公司的DVCCC8JH型計算機組成原理綜合實驗系統(tǒng)。該實驗平臺是將計算機系統(tǒng)的各個組成部分整合在一個實驗箱中，學(xué)生只需要接少量的連線，就可以完成實驗任務(wù)，學(xué)生可以將主要精力花在實驗原理的理解和掌握上。這種固定結(jié)構(gòu)的實驗平臺可幫助學(xué)生深刻理解計算機系統(tǒng)整體的工作原理，也能較好的提高學(xué)生的動手實驗?zāi)芰Γ淙秉c是驗證性實驗占大多數(shù)，實驗內(nèi)容的擴展性不強，學(xué)生的開發(fā)創(chuàng)新能力難以突破實驗平臺的局限。如何突出理論聯(lián)系實際、強調(diào)實踐的重要性，必須增加設(shè)計性、綜合性實驗的比例，而在原來的實驗平臺和實驗基礎(chǔ)上增設(shè)設(shè)計性和綜合性實驗難度很大。因此課題組對計算機組成原理課程實驗進(jìn)行了大膽的改革，實驗方式由基于固定結(jié)構(gòu)實驗平臺的實驗方式升級為基于FPGA結(jié)構(gòu)實驗平臺的實驗方式。這種實驗方式突破了傳統(tǒng)硬布線設(shè)計的局限，通過實驗學(xué)生即能鍛煉動手能力，又能更好的培養(yǎng)自身的創(chuàng)新能力和探索能力。這樣的實驗方法即能鞏固學(xué)生對計算機組成原理課程的理論知識的學(xué)習(xí)，又能促進(jìn)學(xué)生的感性認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。[2]

3 實驗內(nèi)容的改革實踐與優(yōu)化

3.1 實驗項目的設(shè)置

基于DVCC-C8JH型計算機組成原理綜合實驗系統(tǒng)的計算機組成原理實驗主要包括計算機主要部件功能驗證實驗和模型機設(shè)計實驗。其中計算機主要部件驗證實驗包括運算器、存儲器和總線3部分共6個實驗18個學(xué)時的驗證性實驗，模型機設(shè)計實驗包括微控制器實驗和基本模型機設(shè)計實驗2部分共6個學(xué)時的實驗。在FPGA實驗方式上，實驗項目的設(shè)置變得更加靈活，實驗類型也全部為設(shè)計性，每個實驗的實驗電路可以在滿足實驗原理的基礎(chǔ)上由學(xué)生自主設(shè)計。基于FPGA的實驗開發(fā)首先要利用VHDL進(jìn)行編程，然后利用Modelsim等軟件進(jìn)行仿真調(diào)試，最后利用FPGA實驗開發(fā)系統(tǒng)下載到芯片后進(jìn)行測試。FPGA擴展板由兩塊FPGA芯片及其外圍電路組成，它的核心器件是Xilinx公司的20萬門XCV200的FPGA芯片。表1是固定結(jié)構(gòu)實驗平臺(左)與FPGA實驗方式(右)實驗項目設(shè)置對照表。

表1 實驗項目改革

3.2 優(yōu)化實踐中存在的問題

經(jīng)過一段時間的改革實踐，我們發(fā)現(xiàn)雖然將實驗類型由原來的驗證型改為設(shè)計性，提高了實驗要求，希望能獲得較好的教學(xué)效果，但實施時卻遇到非常大的困難。主要原因在知識體系的欠缺上，由于開始計算機組成原理課程時，學(xué)生只完成了C語言程序設(shè)計的學(xué)習(xí)，還沒有硬件描述語言的編程訓(xùn)練，而且VHDL語言的結(jié)構(gòu)與C語言有較大差距，不是很直觀，學(xué)生不易掌握。而且修改教學(xué)計劃增設(shè)VHDL語言的課程的執(zhí)行難度較大，如果讓學(xué)生采用完全自學(xué)的方式學(xué)習(xí)VHDL語言也很難解決實際問題。因此，要求學(xué)生使用VHDL語言設(shè)計出所有實驗電路的代碼難度太大，大多數(shù)同學(xué)在規(guī)定的時間內(nèi)無法完成代碼的設(shè)計，更不用說驗證實驗電路了。為了保證實驗的基本要求，將實驗步驟調(diào)整為教師寫好參考代碼，生成位流文件，實驗前發(fā)布給學(xué)生，要求學(xué)生進(jìn)行分析研究，然后在實驗的時候主要讓學(xué)生先下載位流文件進(jìn)行驗證，再回過來進(jìn)行代碼設(shè)計，這樣保證了所有學(xué)生都能達(dá)到基本要求。為了真正鍛煉學(xué)生的開發(fā)設(shè)計能力，在實驗之前，要求學(xué)生仔細(xì)閱讀參考代碼，寫出分析報告，擬定修改設(shè)計的思路后，由指導(dǎo)老師審核通過后才給予實驗機會。

經(jīng)過實驗執(zhí)行方式的調(diào)整，大多數(shù)學(xué)生能在按照要求完成實驗內(nèi)容的同時，發(fā)揮自己的開發(fā)創(chuàng)新能力，實驗改革取得階段性成果。如果在課程教學(xué)中設(shè)計一些啟發(fā)性教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生開展互動與討論，特別是引入一些新技術(shù)的介紹，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)研究的方法與方向，能更好的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動性，進(jìn)而培養(yǎng)他們的自主學(xué)習(xí)能力、研究能力和創(chuàng)新能力，而基于FPGA結(jié)構(gòu)實驗平臺的計算機組成原理實驗改革給學(xué)生提供了良好的實踐創(chuàng)新思想的機會。[3]

3.3 規(guī)范實驗教材

實驗教材主要包括實驗指導(dǎo)書、實驗報告以及與實驗有關(guān)的資源。強化實驗預(yù)習(xí)是提高實驗教學(xué)質(zhì)量的必要條件，實驗預(yù)習(xí)質(zhì)量的高低取決于實驗教材的質(zhì)量。[4]為此，我們重新編寫了實驗指導(dǎo)書。指導(dǎo)書的主要內(nèi)容有實驗?zāi)康?、實驗原理、預(yù)習(xí)要求等，在指導(dǎo)書上為每一個實驗設(shè)計了較為詳細(xì)的實驗步驟和參考代碼，要求學(xué)生在預(yù)習(xí)時，仔細(xì)閱讀實驗參考代碼，寫出分析報告，從而增加了學(xué)生對實驗代碼的理解，提高了預(yù)習(xí)的效果，也避免學(xué)生依然停留在驗證實驗?zāi)Ｊ健?/p>

實驗報告質(zhì)量直接反映了實驗完成的質(zhì)量。以往的實驗報告要求學(xué)生使用統(tǒng)一的實驗報告紙，在實驗結(jié)束后完成實驗報告，學(xué)生書寫實驗報告時，大段地摘抄實驗指導(dǎo)書上的實驗原理、實驗?zāi)康?、實驗步驟，這樣的實驗報告對培養(yǎng)學(xué)生的能力沒有任何幫助。在計算機組成原理實驗中，我們規(guī)范了實驗報告內(nèi)容，對于實驗報告中包含的實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗操作和記錄等方面?nèi)容的填寫只是簡單的記錄層面的要求，而對實驗現(xiàn)象分析，實驗總結(jié)等方面加強了要求。如實驗過程中出現(xiàn)的問題以及解決方法，實驗內(nèi)容和實驗軟件的使用等情況的總結(jié)，都要求學(xué)生寫出詳細(xì)的分析報告，這樣才能將設(shè)計性實驗真正體現(xiàn)出來。

3.4 建立實驗教學(xué)輔助平臺

開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的CAI實驗課教學(xué)平臺，利用多媒體進(jìn)行講解，在輔助平臺中提供更多實驗資源方便學(xué)生查閱，為實驗預(yù)習(xí)、實驗過程提供指導(dǎo)。在輔助平臺設(shè)計中，對以往學(xué)生在各個實驗中出現(xiàn)的常見問題進(jìn)行了總結(jié)，并將解決辦法在輔助平臺中列出，讓學(xué)生借助輔助平臺就可以自主解決實驗過程中出現(xiàn)的問題，這樣也減輕了老師的指導(dǎo)工作。同時，基于網(wǎng)絡(luò)的CAI實驗課教學(xué)平臺能更好的方便師生交流，也為開放實驗教學(xué)提供良好的條件。[5]

4 結(jié)束語

應(yīng)用型本科計算機硬件類課程的實驗教學(xué)改革將是一個不斷深入和發(fā)展的過程，我們首先在計算機組成原理這門計算機專業(yè)的核心課程的實驗教學(xué)改革實踐中，進(jìn)行了一些創(chuàng)新和嘗試。通過改革，發(fā)現(xiàn)了一些問題，也積累了一定的經(jīng)驗，明確了今后進(jìn)一步展開深入教學(xué)改革的方向和目標(biāo)。對于其它計算機硬件課程的實驗教學(xué)改革也起到了很好的引領(lǐng)和促進(jìn)作用。教學(xué)改革是提高教學(xué)質(zhì)量的必經(jīng)之路，而實驗教學(xué)改革是真正培養(yǎng)應(yīng)用型人才創(chuàng)新開發(fā)能力的有效途徑。分析應(yīng)用型本科計算機專業(yè)人才特點，合理改革實驗教學(xué)實施方案，采用先進(jìn)的教學(xué)手段，加之以科學(xué)的管理，是培養(yǎng)應(yīng)用型本科計算機專業(yè)人才的有效途徑。

[1]唐朔飛.計算機組成原理[M].北京：高等教育出版社,2006：33-48.

[2]喬道跡.《計算機組成原理》課程復(fù)雜模型機的深度開發(fā)[J].裝備制造技術(shù),2009,(5)：114.

[3]劉旭東,熊桂喜.“計算機組成原理”的課程改革與實踐[J].計算機教育,2009,(7)：74-76.

[4]馬漢達(dá),趙蕙.計算機組成原理實驗教學(xué)改革[J].計算機教育,2010,(17)：30-33.

[5]趙秋云,何嘉,魏樂.對《計算機組成原理》課程教學(xué)模式的探討[J].電腦知識與技術(shù),2008,4(3)：693-694.