汪紅　劉科　唐菀

摘? 要：針對計算機硬件類課程研究內(nèi)容抽象、前后課程銜接緊密、實驗平臺構(gòu)建困難的特點，教學(xué)團隊根據(jù)課程之間的關(guān)聯(lián)性，針對學(xué)生理解能力存在差異的現(xiàn)狀，將開放實驗?zāi)Ｊ胶投喾绞饺诤系乃悸芬胝n程實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，通過建立起多門課程知識點之間的相互聯(lián)系，全方位提升學(xué)生對抽象理論知識的理解能力和實踐能力。在將該開放融合方式應(yīng)用于課程教學(xué)實踐中之后，帶來了授課對象的學(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：計算機硬件;關(guān)聯(lián)性;開放實驗;多方式融合

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

在教育部新時代高等學(xué)校本科教育工作會議精神指導(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，以及社會對創(chuàng)新型人才的需求，實踐環(huán)節(jié)在高校教學(xué)改革中的地位與作用越來越重要，它成為培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的有效手段。計算機學(xué)科具有很強的工程性和實踐性，同時也具有很寬的延展性，非常適合開展新工科建設(shè)的實踐。

目前國內(nèi)外很多高校在計算機學(xué)科相關(guān)課程的理論及實踐教學(xué)改革方面進行了廣泛深入的研究，積累了豐富的經(jīng)驗。例如MIT等國外高校早在多年前就已經(jīng)開始要求低年級本科生利用HDL（硬件描述語言）設(shè)計與非門、觸發(fā)器等基礎(chǔ)部件，并在數(shù)字邏輯和計算機組成原理等課程中加以應(yīng)用，這種教學(xué)方法使學(xué)生在計算機系統(tǒng)設(shè)計能力方面得到很大程度的提升;國內(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)用于理論和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，構(gòu)建一體化的實驗教學(xué)平臺替換傳統(tǒng)的分離式實驗平臺，這些高校在理論及實踐教學(xué)中所作出的努力，使得學(xué)生對計算機學(xué)科的相關(guān)課程有了更加全面、系統(tǒng)的認(rèn)識。

借鑒國內(nèi)外高校的成功經(jīng)驗，針對民族高校應(yīng)用型專業(yè)課程學(xué)時較少、生源差異較大等實際情況，在計算機硬件相關(guān)課程方面進行融合式實驗方法的研究和探索，通過統(tǒng)一實驗平臺及實驗環(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)生對課程的學(xué)習(xí)興趣，從而增強對計算機的體系化認(rèn)識，助力計算機類其他課程的學(xué)習(xí)，最終使得學(xué)生能利用所學(xué)知識構(gòu)建起自己的計算機系統(tǒng)。

一、實驗教學(xué)改革思路

（一）實踐教學(xué)現(xiàn)狀

計算機學(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)過程中通常將課程細化，教師們在授課過程中并不太關(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)的計算機專業(yè)課程實驗教學(xué)體系中，課程實驗通常采用獨立的實驗平臺，不同課程實驗平臺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全新的平臺以及實驗工具，不僅增加了學(xué)生負(fù)擔(dān)，也造成了實驗資源的浪費，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，相對而言，必然會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算機硬件相關(guān)課程計劃學(xué)時的情況非常普遍。由于實驗學(xué)時的縮減，教學(xué)計劃內(nèi)的實驗采用傳統(tǒng)的實驗方式已經(jīng)難以按時完成，因此迫切需要合適的實驗手段和實驗環(huán)境來滿足新的要求。

（二）教學(xué)改革思路

以計算機學(xué)科基礎(chǔ)課程中的數(shù)字電子技術(shù)和計算機組成原理作為融合式實驗教學(xué)方法研究的實驗課程，以計算機組成原理中的“數(shù)據(jù)通路設(shè)計”為目標(biāo)開展融合式實驗教學(xué)實踐探索。

數(shù)字電子技術(shù)和計算機組成原理這兩門課程的工程性、技術(shù)性和實踐性都很強，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)計的原理和方法。計算機組成原理以單機系統(tǒng)為討論對象，脫離具體機型，緊跟計算機技術(shù)發(fā)展的潮流，以計算機組成結(jié)構(gòu)為中心闡述各大功能部件的基本概念、構(gòu)成原理以及工作機理?？梢?，數(shù)字電子技術(shù)是計算機組成原理的基礎(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)計知識體系，同時，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)用特點之后，才能理解計算機各功能部件的原理，從而進一步實現(xiàn)整體模型機的設(shè)計。

建立了課程之間的聯(lián)系之后，在實驗手段和內(nèi)容上進行融合，自頂向下地構(gòu)建實驗項目，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，針對運算器、存儲器、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)課程中進行邏輯電路的具體實現(xiàn)。通過從整體功能部件結(jié)構(gòu)到元器件邏輯設(shè)計的自頂向下（如圖1所示）的設(shè)計項目設(shè)置和訓(xùn)練，將計算機組成原理和數(shù)字電子技術(shù)兩門課程的內(nèi)容進行融合，使學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)、激發(fā)學(xué)習(xí)的主動性和積極性、提高動手能力。

二、開放融合式實驗方案

（一）早期融合式平臺

在培養(yǎng)方案中，絕大部分課程的實驗是理論教學(xué)的輔助環(huán)節(jié)，計算機硬件類課程教學(xué)的常見做法通常是一門課程配置一套獨立的實驗平臺（比如試驗箱）。為了探索融合式實驗方式，同時打破時間和空間的限制，2012年團隊自主研發(fā)了實用新型專利產(chǎn)品“便攜式雙平臺實驗裝置”。該裝置將硬連線和EDA兩種設(shè)計手段相結(jié)合，可以根據(jù)學(xué)生的不同程度和能力設(shè)置不同的實驗方案。

該實驗裝置可以實現(xiàn)數(shù)字電子技術(shù)和計算機組成原理兩門課程實驗平臺的統(tǒng)一，但是無論是硬連線方式，還是EDA方式進行電路或者功能模塊的設(shè)計都需要投入大量時間，而且電路不具備復(fù)用性，尤其是出錯的時候，學(xué)生用于排錯的時間和精力會非常多，因此并不能達到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的目的。

（二）現(xiàn)行融合式實驗方案

針對早期融合式實驗方案存在的不足，借鑒其他高校的經(jīng)驗，考慮時間和空間因素，團隊進行了新的嘗試，目前的實驗方案選擇軟件平臺實施，經(jīng)過近兩年的對比研究，采用Logisim軟件實施融合式課程實驗取得了較好效果。

三、課程實施案例

根據(jù)課程內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)性，通過自頂向下模式設(shè)置實驗項目，采用Logisim軟件開展理論和實驗教學(xué)，在計算機組成原理和數(shù)字電子技術(shù)兩門課程的實踐環(huán)節(jié)進行實驗，取得了良好效果，下面分別針對兩門課程的實施案例進行闡述。

（一）計算機組成原理實驗案例

根據(jù)培養(yǎng)方案和課程教學(xué)大綱，計算機組成原理的實驗內(nèi)容主要包括運算器、存儲器、數(shù)據(jù)通路以及控制器等幾個部分的設(shè)計和功能驗證，計劃12學(xué)時，通常安排4個實驗項目，包括定點運算器的設(shè)計與實現(xiàn)、存儲器擴展及讀寫實驗、數(shù)據(jù)通路設(shè)計與實現(xiàn)、微程序控制器實驗等。

以數(shù)據(jù)通路的設(shè)計實驗為例，該環(huán)節(jié)對學(xué)生的基本要求是：1.自主設(shè)計一個由運算器和存儲器構(gòu)成的簡單數(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)自己的能力進行擴展（比如擴展為8位、16位，甚至是32位的數(shù)據(jù)通路）;2. 電路設(shè)計完成之后，能夠利用該電路實現(xiàn)存儲器寫操作、讀操作以及運算器的基本算術(shù)和邏輯運算，比如實現(xiàn)“x+y-z”的操作并將流程記錄下來。

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

（二）數(shù)字電子技術(shù)實驗案例

數(shù)字電子技術(shù)的實驗同樣設(shè)置4個項目（計劃12學(xué)時），包括基本邏輯門以及觸發(fā)器的功能驗證、組合邏輯電路設(shè)計及應(yīng)用、同步時序邏輯電路設(shè)計及應(yīng)用、典型中規(guī)模時序邏輯器件的應(yīng)用等。鑒于數(shù)字電子技術(shù)課程與計算機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)的實驗中需要完成各類底層電路的設(shè)計和驗證，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，以及寄存器、計數(shù)器等常用時序電路的設(shè)計等作為主要實驗項目。以加減法器為例，利用同樣的實驗平臺進行設(shè)計和驗證。

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

（三）方案實施及效果

除了計劃中的實驗項目以外，團隊通過開放式和可擴展性的實驗?zāi)Ｊ饺轿粰z驗學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，同時在實施過程中考慮到學(xué)生的接受能力，采用了小范圍試點的循序漸進的模式穩(wěn)步推進。每個學(xué)期從各個班級的同學(xué)中選擇部分整體功能電路的設(shè)計和驗證能力較強的學(xué)生參與到融合式的實驗環(huán)節(jié)中來，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，其中計算機組成原理的拓展以“基于微程序控制的模型機”為題，學(xué)生自由組合完成可行性論證，并提交設(shè)計方案，最后進行設(shè)計并提交設(shè)計及驗證結(jié)果;數(shù)字電子技術(shù)的拓展內(nèi)容則根據(jù)計算機組成原理設(shè)計的模型機的需要進行設(shè)置，比如設(shè)計寄存器組、ALU或者時序發(fā)生器等，同樣經(jīng)過可行性論證、提交設(shè)計方案、設(shè)計并驗證的過程，以此驗證學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

很顯然，這種實驗?zāi)Ｊ讲捎谩按罘e木”的方法構(gòu)造電路，讓知識不再抽象，而是變得生動、有趣，學(xué)生由被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃铀伎?，對于課程理論知識的理解具有積極的影響。部分同學(xué)在完成實驗內(nèi)容之后表示，這種融合式的課程實驗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)知識可以作為模塊供后續(xù)課程使用，也堅定了他們構(gòu)建自己的計算機軟硬件系統(tǒng)的信心。此外，通過開放靈活的實驗方式，學(xué)生們不僅進行了工程化開發(fā)流程的訓(xùn)練，而且加深了對課程知識的理解和掌握，提升了動手能力。

四、結(jié)束語

針對民族高校生源特征，以及課程計劃學(xué)時數(shù)較少的特點，通過在計算機硬件課程實踐教學(xué)改革方面進行長期探索，摸索出一些已見成效的實踐模式，將課程實驗平臺融合統(tǒng)一，結(jié)合多種實驗手段，實行開放融合式實驗教學(xué)，較好地實現(xiàn)了理論與實踐的無縫銜接，并且突破了時間和空間的限制，極大地彌補了計劃學(xué)時少以及依賴固定實驗裝置的缺陷。該方法在2016級和2017級智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生中進行試點，分別在數(shù)字電子技術(shù)和計算機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，取得了較好效果。

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