摘要：本文首先介紹了國(guó)內(nèi)外大學(xué)相關(guān)課程的基本情況，然后對(duì)比分析了哈工大計(jì)算機(jī)學(xué)院的“計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐”課程與國(guó)外相關(guān)課程的差別與差距。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐教學(xué)；自主探索；創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5913 (2007) 22-0077-03

1引言

“計(jì)算機(jī)組成原理”作為哈工大計(jì)算機(jī)學(xué)院重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，實(shí)踐教學(xué)對(duì)學(xué)生理解計(jì)算機(jī)組成原理起著至關(guān)重要的引導(dǎo)作用。通過(guò)10個(gè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅驗(yàn)證了一些計(jì)算機(jī)組成原理的相關(guān)知識(shí)，也動(dòng)手設(shè)計(jì)完成了一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)題目，例如計(jì)算機(jī)微指令的設(shè)計(jì)。但是受到學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)和學(xué)時(shí)的限制，實(shí)驗(yàn)難度并不是很大，學(xué)生自主設(shè)計(jì)類題目的數(shù)量和難度也不足?！坝?jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐”課程作為“計(jì)算機(jī)組成原理”的后續(xù)課程和重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，擴(kuò)充了組成原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)一系列比較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)題目，既鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)造力，又進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)及其各部件的原理及其相關(guān)知識(shí)的認(rèn)識(shí)。目前國(guó)內(nèi)外各大學(xué)都開設(shè)了一些相關(guān)的實(shí)踐課程，通過(guò)實(shí)踐來(lái)完善和加深學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)原理的認(rèn)識(shí)，鍛煉對(duì)軟硬件進(jìn)行開發(fā)的能力，從而提高他們的創(chuàng)造力和動(dòng)手能力，進(jìn)而提高他們的綜合素質(zhì)[1]。

2國(guó)外大學(xué)相關(guān)課程情況介紹

美國(guó)康奈爾大學(xué)對(duì)大四學(xué)生開設(shè)了“進(jìn)階微處理器設(shè)計(jì)”課程[2]，通過(guò)長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的課堂教學(xué)和動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，教授學(xué)生有關(guān)計(jì)算機(jī)原理和嵌入式SOC開發(fā)的相關(guān)知識(shí)。在實(shí)踐方面，他們?cè)O(shè)計(jì)了一系列由淺入深、由易到難的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)一步步加深對(duì)計(jì)算機(jī)的了解。主要實(shí)驗(yàn)包括：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)視頻接口，從而可以通過(guò)在面板上的操作，實(shí)現(xiàn)在屏幕上畫曲線[2]；實(shí)現(xiàn)音頻接口的驅(qū)動(dòng)，模仿一個(gè)球下落時(shí)的聲音[4]；仿真一個(gè)使用DDA數(shù)值微分分析法測(cè)量電路功能的模擬系統(tǒng)[5]。在指定題目的實(shí)驗(yàn)之外，還要求學(xué)生自選題目完成一個(gè)大作業(yè)，通過(guò)這些自選題目的選擇[6]可以看出，學(xué)生通過(guò)對(duì)相關(guān)課外知識(shí)的學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐，已經(jīng)能夠完成一個(gè)比較復(fù)雜的硬件系統(tǒng)。美國(guó)阿拉巴馬大學(xué)開設(shè)了“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”這門課[7]，實(shí)驗(yàn)方面的主要題目包括：通過(guò)命令將指定內(nèi)存的內(nèi)容顯示到LED上[8]；修改DE2開發(fā)環(huán)境的指令格式[9]；設(shè)計(jì)一個(gè)既能顯示文本又能顯示圖形的混合模式的視頻顯示控制器[10]。美國(guó)伊利諾伊州立大學(xué)香檳分校開設(shè)了兩門相關(guān)的課程。第一門課程是“SOC設(shè)計(jì)與合成”[11]，實(shí)驗(yàn)方面只要求學(xué)生在2個(gè)月的時(shí)間內(nèi)通過(guò)對(duì)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，完成一個(gè)MP3播放器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。第二門課程是“數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程”[12]，通過(guò)14周的實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)要能夠完成AD轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)LCD面板的顯示，從鍵盤可以輸入信息，連接游戲桿進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器功能以及VGA顯示器的顯示。麻州大學(xué)安默斯特分校開設(shè)了實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3個(gè)半月的“計(jì)算器結(jié)構(gòu)”課程[13]，主要實(shí)驗(yàn)題目有：使用一個(gè)連接到開發(fā)板上的攝像頭，通過(guò)開關(guān)控制拍照，然后將拍下的圖片存儲(chǔ)到開發(fā)板的內(nèi)存中[14]；將實(shí)驗(yàn)中拍到的圖片進(jìn)行JPEG壓縮，傳到PC上看最終顯示結(jié)果，通過(guò)轉(zhuǎn)換不同的JPEG壓縮算法，看圖象壓縮后的差別[15]；通過(guò)開發(fā)板播放MP3歌曲[16]。全美電機(jī)系排名前五名的密西根大學(xué)安埃布爾分校為大一學(xué)生開設(shè)了“信息實(shí)驗(yàn)”課程[17]，它將全班學(xué)生分為八隊(duì)，每隊(duì)在期末專題要利用Altera DE2 FPGA多媒體平臺(tái)獨(dú)立制作出一部電子琴。多倫多大學(xué)開設(shè)了“數(shù)字系統(tǒng)”課程[18]，實(shí)驗(yàn)方面設(shè)計(jì)了一個(gè)3周的課程設(shè)計(jì)，讓學(xué)生自選題目，在DE2平臺(tái)上設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)?；F盧大學(xué)開設(shè)了“計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)”課程[19]，主要實(shí)驗(yàn)題目包括：設(shè)計(jì)一個(gè)8位的計(jì)算器，要求類似于生活中的計(jì)算機(jī)，只有單一輸入[20]；設(shè)計(jì)一個(gè)電子系統(tǒng)，功能類似于電子乒乓游戲[21]。以上的實(shí)踐課程都采用Altera DE2作為開發(fā)環(huán)境，如圖1所示。

3國(guó)內(nèi)大學(xué)相關(guān)課程情況介紹

我國(guó)的大學(xué)也開設(shè)了一些類似的課程。復(fù)旦大學(xué)開設(shè)了一門60學(xué)時(shí)的“計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課”，主要包含計(jì)算機(jī)部件實(shí)驗(yàn)和CPU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。清華大學(xué)“計(jì)算機(jī)組成原理”課程共安排48學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，每三名同學(xué)為一組，合作完成一個(gè)硬、軟件組成相對(duì)完整的全新計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和調(diào)試任務(wù)。哈工大計(jì)算機(jī)學(xué)院于2005年秋季學(xué)期開設(shè)了“計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐”，該課程以應(yīng)用實(shí)踐為視角，進(jìn)一步提高學(xué)生硬件方面的實(shí)際動(dòng)手能力和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。主要包括18個(gè)學(xué)時(shí)的課堂教學(xué)和60個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)踐教學(xué)，采用南京偉福實(shí)業(yè)有限公司研制的“COP2000計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀”(如圖2)，通過(guò)FPGA擴(kuò)展板(如圖3)在COP2000實(shí)驗(yàn)儀上完成實(shí)驗(yàn)。FPGA擴(kuò)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(wàn)門XCV200的FPGA芯片。它的實(shí)驗(yàn)題目以CPU設(shè)計(jì)為中心，主要包括：寄存器設(shè)計(jì)、元件例化、實(shí)驗(yàn)儀基本部件測(cè)試、給定指令系統(tǒng)的處理器設(shè)計(jì)、處理器功能測(cè)試、處理器外設(shè)接口設(shè)計(jì)、處理器與外設(shè)接口功能測(cè)試等。通過(guò)我們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生對(duì)CPU的原理和結(jié)構(gòu)有了深刻的體會(huì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)大大增強(qiáng)了學(xué)生的設(shè)計(jì)開發(fā)能力。

4對(duì)比與分析

首先在教學(xué)目標(biāo)方面，我院的教學(xué)目的是“使學(xué)生初步了解計(jì)算機(jī)部件和微處理器的設(shè)計(jì)方法，做到理論和實(shí)踐的真正結(jié)合，掌握有關(guān)硬件設(shè)計(jì)工具的功能和用法，有效地鍛煉動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)能力”，這個(gè)教學(xué)目標(biāo)已經(jīng)和國(guó)內(nèi)外一流大學(xué)相關(guān)課程的教學(xué)目標(biāo)相同。我院的這門課實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)達(dá)60學(xué)時(shí)，屬于非常多的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，而且我們?cè)谶@60學(xué)時(shí)內(nèi)安排了7個(gè)實(shí)驗(yàn)，相比其他學(xué)校的最多5個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生得到了更多的鍛煉機(jī)會(huì)。在教學(xué)隊(duì)伍方面，由于這門課的指導(dǎo)量很大，所以每個(gè)班級(jí)在實(shí)驗(yàn)時(shí)都有一個(gè)專門的老師和TA，相比國(guó)外整個(gè)一門課只有2～3名教師的情況，我們大大增加了指導(dǎo)老師的數(shù)量，可以及時(shí)有效地解決學(xué)生的問題。在教學(xué)方法方面，我們?cè)谏险n時(shí)主要采用個(gè)人與分組相結(jié)合的方式，前幾個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)以個(gè)人為單位完成，后面較難的實(shí)驗(yàn)以小組為單位，每個(gè)小組3～4人，以團(tuán)隊(duì)的方式來(lái)完成一個(gè)大的課題，目前國(guó)外大學(xué)也基本采用這種工作方式。采用這種教學(xué)方法，既鍛煉了學(xué)生的個(gè)人動(dòng)手能力，也鍛煉了學(xué)生的合作能力。在硬件平臺(tái)方面，由于國(guó)外采用的Altera DE2平臺(tái)的性能較好，因此可對(duì)CPU之外的音視頻模塊、存儲(chǔ)模塊等進(jìn)行二次開發(fā)，目前我們采用的COP2000實(shí)驗(yàn)儀由于硬件限制還無(wú)法完成相關(guān)類似題目的實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)以上的分析可以看出我們的課程與國(guó)外一流大學(xué)相比，在實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)方面已經(jīng)與國(guó)外一流大學(xué)接軌，在學(xué)時(shí)數(shù)、配置實(shí)驗(yàn)教師數(shù)量上我們所提供的條件已經(jīng)超過(guò)了國(guó)外一流大學(xué)，但目前由于受到硬件開發(fā)平臺(tái)的限制，我們實(shí)驗(yàn)題目還有待改進(jìn)。在今后的實(shí)踐教學(xué)中，我們可以選擇增加一些類似于“開發(fā)MP3播放器”之類的讓學(xué)生比較容易感興趣和效果更直觀的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)來(lái)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)硬件知識(shí)、軟硬件開發(fā)的興趣，鍛煉他們的動(dòng)手能力和創(chuàng)造力，提高我院學(xué)生的綜合素質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 向琳，左德承，羅丹彥，張展，唐朔飛.“計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐”課程創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)探索[J].計(jì)算機(jī)教育， 2007，(3).

作者簡(jiǎn)介

羅丹彥(1979-)，男，哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院講師，研究方向?yàn)橐苿?dòng)計(jì)算、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。