摘要：針對計算機組成原理課程難度大、抽象性強、學時緊張等問題，闡述對該課程實踐教學環(huán)節(jié)的改進思想和措施，提出基于案例法使理論和實踐緊密結(jié)合、通過仿真軟件加強課前預習、結(jié)合EDA技術(shù)進行綜合設(shè)計以及改進考核方式等方法。

關(guān)鍵詞：計算機組成原理；實驗教學；教學方法改革

文章編號：1672-5913（2013）18-0045-03

中圖分類號：G642

0 引言

實驗教學是高等院校教學的重要組成部分，是對課堂所學理論知識的直觀認識與補充，是學生理論聯(lián)系實際的重要途徑，在培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力方面有著不可替代的重要作用。在我國，實驗教學也經(jīng)歷了一個不斷深化、完善的過程。傳統(tǒng)實驗教學一般是作為理論教學的補充和輔助，大多以驗證為目的，在理論教學過程中以教學實驗的形式出現(xiàn)。近年來，在教育部質(zhì)量工程中，隨著實驗教學示范中心的建設(shè)，實驗教學形式和方法的改革也得到飛速發(fā)展。實驗教學從理論教學中獨立出來，既有驗證型實驗，又有綜合設(shè)計型、研究探索型實驗，實驗教學的內(nèi)涵和形式不斷充實，具有豐富的實驗內(nèi)容、多元化的實驗項目和自主化的實驗過程，實現(xiàn)從教學實驗向?qū)嶒灲虒W的轉(zhuǎn)變，成為創(chuàng)新人才培養(yǎng)的一種重要的教學形式。

計算機組成原理是計算機專業(yè)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，該課程以馮·諾依曼結(jié)構(gòu)為主線，主要講授計算機各組成部件的構(gòu)造和組織方式，使學生扎實掌握計算機系統(tǒng)各部分的工作原理，牢固建立整機的概念，具有綜合性強、知識面廣、抽象性強和學習難度大等特點，在整個課程體系中占有重要的地位。近年來，隨著高校實驗教學改革的不斷推進，計算機組成原理的實驗教學在實驗課程體系、實驗內(nèi)容、實驗手段和教學方法等方面都有了很大的改進。

從2010級開始，齊齊哈爾大學對計算機組成原理的實驗教學內(nèi)容進行了重大改革，將該課程實驗教學分為基礎(chǔ)實驗環(huán)節(jié)與綜合設(shè)計環(huán)節(jié)。其中基礎(chǔ)實驗教學分別針對于課程的各個核心模塊，就計算機的某一部分或功能進行設(shè)計與調(diào)試，而綜合設(shè)計教學則是在前者的基礎(chǔ)上，由學生完成模型機的基本設(shè)計、調(diào)試和測試過程，建立整機的概念。同時，為保證教學效果，在教學過程中從多方面對實驗教學方法和手段進行了改進與嘗試。

1 理論與實驗緊密結(jié)合，以案例的形式將實驗系統(tǒng)應用于理論教學之中

在以前的教學中，理論教學和實驗教學的內(nèi)容具有相對的獨立性，教材中所列舉的例子和實驗設(shè)備的結(jié)構(gòu)差別較大。而學生處于剛剛接觸該課程的初級階段，很難在兩者之間建立對應的關(guān)系，理論和實際不能有效地結(jié)合起來。因此，在本課程的理論教學中，任課教師通過2種方式將實驗內(nèi)容引入到教學過程中。

第一，在課程的緒論部分，把所要用到的實驗設(shè)備COP2000組成原理實驗儀以一個實例的形式，和其他型號的計算機一起展示給學生。其中既包括K Computer、天河一號、曙光星云等超級計算機，也包括一些小的單片機、嵌入式等應用系統(tǒng)，明確說明本課程中的計算機是一個廣義的范疇，與大家平時接觸最多的個人電腦不同。并強調(diào)該實驗設(shè)備具有構(gòu)成一臺計算機的各種基本特征，雖然功能簡單，但不可否認該設(shè)備可以當之無愧地被稱為一臺計算機，使學生對實驗設(shè)備有初步認識，并建立清晰的“計算機”概念。

第二，將實驗設(shè)備作為案例融入到理論教學之中。計算機組成原理的理論教學結(jié)構(gòu)一般按照馮·諾依曼結(jié)構(gòu)劃分，分別講授運算器、存儲器、控制器、指令系統(tǒng)、總線等各部分的原理及組成。每個部分都充分體現(xiàn)結(jié)構(gòu)特點的實例。但這些實例很難結(jié)合成一個整體。因此，在各部分的教學完成之后，單獨利用理論課，將COP2000組成原理實驗儀作為實際案例，以該實驗儀的硬件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，介紹其運算器、存儲器的結(jié)構(gòu)特點，指令系統(tǒng)的指令格式和指令功能，重點分析微指令格式設(shè)計思想、后繼地址形成法及微程序的設(shè)計方法。使學生對計算機各部分的工作原理和工作過程有直觀認識，明確建立起整機的概念，為實驗教學工作打下堅實的基礎(chǔ)。

2 結(jié)合實驗系統(tǒng)仿真軟件，安排學生在課外進行充分預習

預習是培養(yǎng)學生自主學習、獨立思考能力的重要手段，強化學生實驗前的預習是保證實驗質(zhì)量與效果的前提。因此要求學生在實驗前要認真預習并完成預習報告。但大部分學生只是按照實驗指導書把實驗目的、實驗原理、實驗步驟等直接抄在預習報告上，而對實驗過程的設(shè)計和結(jié)果預測等重要工作并不認真思考。這樣的預習效果很不理想，等到真正進行實驗時還是沒有明確的方法和目標。同時，由于實驗學時有限，把所有工作都放在課內(nèi)完成，則很難完成實驗要求的所有內(nèi)容，難以達到充分動手操作和設(shè)計的目的。

為解決該問題，教師在教學過程中，充分發(fā)揮COP2000實驗儀配置的仿真軟件的作用。該軟件可以采用模擬方式脫機工作，無需連接實驗儀硬件，只用計算機就可完成微程序控制方式的大部分實驗內(nèi)容，而且在完成各步驟工作的同時還可以進行動態(tài)演示，實驗儀上的地址總線、數(shù)據(jù)總線、指令總線的狀態(tài)及各寄存器的內(nèi)容可以實時地隨著操作過程進行變化，直觀、生動、易于理解。將此軟件交給學生，讓學生利用課余時間通過仿真軟件對實驗內(nèi)容進行了解、預習和試做，并在預習報告上給出試做方案和結(jié)果。即可以為學生的預習工作提供充分的條件，又可以通過直觀的演示幫助學生加深對理論知識的理解，為實驗室向?qū)W生寢室延伸、實驗課時向業(yè)余時間延伸了提供了條件，極大地提高了實驗課的課堂效率。

3 調(diào)整實驗教學的內(nèi)容和形式，培養(yǎng)學生的分析設(shè)計能力

計算機組成原理課程的實驗教學由基礎(chǔ)實驗和綜合設(shè)計兩部分構(gòu)成。基礎(chǔ)實驗部分以加深學生對理論知識的理解，培養(yǎng)學生的基本設(shè)計能力和實踐能力為目的。共安排了4個基本實驗，為加強對學生分析設(shè)計能力的培養(yǎng)，將設(shè)計性實驗的數(shù)目由原來的1個調(diào)整為2個，設(shè)計性實驗比例達到50%。在設(shè)計性實驗中，只給出實驗目的、功能要求等，具體實驗過程完全由學生自行設(shè)計實現(xiàn)。如在微程序設(shè)計實驗中，要求學生在熟悉COP2000實驗儀原有指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計2條以上新指令并編寫相應的微程序。指令功能不做具體要求，但要求在兩條指令中要用到運算器功能，用到兩種以上的尋址方式等。即激發(fā)了學生的學習熱情，提高了學習興趣，又幫助學生充分理解了計算機各部分的結(jié)構(gòu)原理和工作過程。

由于基礎(chǔ)實驗部分學時有限，各實驗都是有針對性地對應某一部分教學內(nèi)容，很難使學生對計算機的原理和結(jié)構(gòu)有整體的認識。而且，因為COP2000實驗儀本身的硬件結(jié)構(gòu)是固定的，學生難以對硬件的設(shè)計過程進行了解和嘗試。因此，在原有實驗的基礎(chǔ)上，又增加了綜合設(shè)計環(huán)節(jié)，利用COP2000實驗儀所配備的FPGA控制實驗板，采用EDA技術(shù)，讓學生用VHDL語言設(shè)計完整的模型機。將學生5～7人分成一組，由組長帶領(lǐng)組內(nèi)其他同學共同完成該模型機設(shè)計方案的研討和論證，并進行分工協(xié)作，每人完成一部分設(shè)計工作。可分為運算器設(shè)計、控制器設(shè)計、指令系統(tǒng)設(shè)計、指令周期流程圖設(shè)計等各個部分，分工由學生自行安排，教師只提供參考意見和指導。最終由組長帶領(lǐng)同學將各部分整合在一起進行調(diào)試與測試，并完成設(shè)計報告。所有工作由組長負責管理并和老師溝通，即要使學生學會獨立思考，鍛煉獨立工作能力和分析解決問題的能力，又培養(yǎng)了學生的合作精神和團隊協(xié)作能力，學會與他人共同工作，并鼓勵學生在設(shè)計過程中進行創(chuàng)新。

4 改革考核方式，量化實驗成績，激發(fā)學生的主動性和積極性

為進一步增強成績評定的客觀性和合理性，使學生更加積極主動地參與到學習過程中，將實驗課當成一種樂趣，對實驗教學的考核方式也重新進行設(shè)定。在原有的考核方式中，主要根據(jù)學生在實驗過程中的表現(xiàn)、實驗結(jié)果和實驗報告進行成績評定。但由于教師不可能全程跟蹤每個學生的實驗過程，而實驗課采用2人一組的方式，每組中的2名學生在實驗中所完成的工作和所起到的作用是不一樣的，因此不能做到對學生的實驗表現(xiàn)有完全客觀地評定。為解決該問題，教師在整個基礎(chǔ)實驗教學過程中增加了2次操作考試，分別安排在數(shù)據(jù)通路實驗和微程序設(shè)計實驗中。這2個實驗本身都是設(shè)計性實驗，教師不對實驗內(nèi)容和過程進行具體的安排，但要求在實驗過程中要用到相關(guān)的知識和技術(shù)。而考核工作就是針對這些知識進行的。為保證考核的公平性和客觀性，采用了抽簽答題的方式。因為學生水平和能力有所差異，題目也分為兩種難度，A級和B級，學生可根據(jù)自身的情況自行選擇題目難度。兩種難度的題目起評分也不一樣，即保證了成績的公正性，又考慮了學生的不同層次，避免了一些對知識掌握較差的同學不能完成考核題目的問題。

綜合設(shè)計部分的考核成績則包括分為兩部分，成果驗收和答辯，各占50%。成果驗收包括模型機的結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)的合理性，運行效果和穩(wěn)定性，設(shè)計報告的質(zhì)量，以及本人在設(shè)計過程中所起的作用等幾部分構(gòu)成。答辯過程還是采用通常的學生自述和教師提問兩部分，但在評分環(huán)節(jié)進行了改革，由原來的教師評分變?yōu)榻處熀蛯W生共同評分。每組答辯結(jié)束后，其他組的同學都為該組評定分數(shù)，并在最終成績中占有一定的比例。這樣，即可以使成績評定公開、公平、公正，又可以培養(yǎng)學生的競爭意識，激發(fā)學生學習的積極性和主動性。

5 改革效果

從2010級開始，齊齊哈爾大學從各方面全面開展對計算機組成原理課程的教學方法改革，并收到顯著效果。

以往的實驗課，部分學生有依賴思想，等、靠現(xiàn)象嚴重。進行實驗教學考核方式改革后，學生做實驗的積極性提高，實驗過程中主動上手，有些動手能力相對差的學生積極向其他同學請教，而接受能力較強的學生也能主動進行指導，實驗效果顯著提高，最后在抽簽答題時90%以上的同學均能獨立完成考核題目，剩余同學在老師簡單的提示下也能完成考核內(nèi)容。把實驗設(shè)備作為模型機實例融入教學之中，使學生在課程初始就對計算機組成結(jié)構(gòu)有了直觀認識，在講到各個組成部分時，學生會主動將理論知識和實驗儀上的組成部分對應起來，變抽象為具體，加深對理論知識的理解，減輕理論教學壓力。從模型機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、尋址方式和指令系統(tǒng)的設(shè)計、指令執(zhí)行流程和微程序設(shè)計、編程仿真和下載實現(xiàn)等各個環(huán)節(jié)的實驗設(shè)計使學生不僅對整機的概念有了更直觀的認識，更熟練地掌握了EDA技術(shù)，有效提高了學生分析設(shè)計能力和團隊協(xié)作能力。

6 結(jié)語

實踐證明，通過對計算機組成原理實驗教學內(nèi)容和實驗方式方法的改革，充分激發(fā)了學生對實驗內(nèi)容的興趣，調(diào)動了學生上實驗課的積極性，使學生能夠積極主動地參與到實驗教學的各個環(huán)節(jié)中。在實驗過程中學生互相配合，互相幫助，即保質(zhì)保量地完成了實驗內(nèi)容，又培養(yǎng)了學生的協(xié)調(diào)能力和團隊協(xié)作能力。將實驗內(nèi)容和理論教學內(nèi)容緊密地結(jié)合起來，將抽象的理論知識給予直觀的展示，使教學內(nèi)容形象化、具體化。

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（編輯：趙廓）