蔣本珊 王 娟 馬忠梅

摘要:本文通過分析“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的特點(diǎn),闡明理論與實(shí)踐環(huán)節(jié)必須有機(jī)結(jié)合,不能完全脫節(jié)的觀點(diǎn)。結(jié)合本校“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教學(xué)的體會(huì),總結(jié)注意實(shí)踐教學(xué)體系和理論教學(xué)體系的關(guān)聯(lián)性,推動(dòng)實(shí)踐教學(xué)體系改革的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)組成原理;理論教學(xué)體系;實(shí)踐教學(xué)體系;硬件實(shí)驗(yàn)

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

“計(jì)算機(jī)組成原理”課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程等相關(guān)專業(yè)本科生的主干核心課程,是必修的專業(yè)基礎(chǔ)課,同時(shí)又是碩士研究生入學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課全國統(tǒng)一考試的科目之一,在計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)本科生的教學(xué)計(jì)劃中起著承上啟下的重要作用。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的內(nèi)容也不能一成不變,只有保證課程教學(xué)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)手段的先進(jìn)性,才能確保課程教學(xué)效果的優(yōu)秀性。目前,“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的理論教學(xué)體系比較成熟和完善,但實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)相對(duì)滯后,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)手段比較落后。造成這一現(xiàn)象的原因除實(shí)驗(yàn)條件等客觀因素以外,也與國內(nèi)高校中實(shí)際存在著的“重理論,輕實(shí)踐”、“重軟件、輕硬件”的傾向是分不開的。

1理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)必須有機(jī)結(jié)合

“計(jì)算機(jī)組成原理”課程首先強(qiáng)調(diào)基本概念和基本原理的學(xué)習(xí),對(duì)計(jì)算機(jī)的各大基本部件的組成原理、設(shè)計(jì)方法及相互關(guān)系都進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹,使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu)概念,熟悉一些典型的有代表性的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu),弄清硬件與軟件之間的接口界面,建立起一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念,為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備必要的硬件方面的基礎(chǔ)知識(shí)。同時(shí)本課程又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性,必須注重理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合,以避免理論和實(shí)際脫節(jié)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的今天,硬件的許多理論知識(shí)只有通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)才能加深理解,實(shí)驗(yàn)將使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)等多方面的技能。培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力以及認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)。

我校的“計(jì)算機(jī)組成原理”課程共分理論和實(shí)踐兩門獨(dú)立的課程,其中理論課程56學(xué)時(shí)(3.5學(xué)分),實(shí)踐課程32學(xué)時(shí)(2學(xué)分)。兩門課程均有獨(dú)立的教學(xué)大綱,均為必修環(huán)節(jié),分別單獨(dú)在不同的學(xué)期設(shè)置,單獨(dú)計(jì)算學(xué)分,單獨(dú)考核。理論和實(shí)踐課程的比例為1.75∶1。

在理論教學(xué)中,我們?cè)趨⒖糃C2005課程體系和CCC2002對(duì)“計(jì)算機(jī)組成原理”課程所列知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,不斷完善課程的教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容。在講授基本原理的過程中,注意融入計(jì)算機(jī)發(fā)展的新技術(shù)和新動(dòng)向,注重基礎(chǔ)理論與先進(jìn)技術(shù)的融合。使得本課程內(nèi)容既符合計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展潮流,又具有專業(yè)基礎(chǔ)課的相對(duì)穩(wěn)定性。56學(xué)時(shí)的理論課程全部采用課堂教學(xué)方式,以多媒體課件為主,適當(dāng)使用一些板書。教學(xué)中注意與學(xué)生的交流和互動(dòng),經(jīng)常會(huì)向?qū)W生提出一些小問題,請(qǐng)學(xué)生思考并回答。講課中注意多舉例,多比喻,將深?yuàn)W、難以理解的問題與日常生活中的實(shí)際例子相對(duì)應(yīng)。

實(shí)踐課程安排在短學(xué)期,暑假前三周,以學(xué)生動(dòng)手為主,在硬件實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行,這樣做的目的是為了使學(xué)生有一段相對(duì)集中的時(shí)間,學(xué)生以自然班為單位在指定的時(shí)間輪流到實(shí)驗(yàn)室。根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及提交的預(yù)習(xí)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)報(bào)告并結(jié)合學(xué)生個(gè)人在實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)評(píng)定成績。

多年來,我們堅(jiān)持由理論課的主講教師同時(shí)擔(dān)任實(shí)驗(yàn)課的主講教師,并親自設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、親自參與實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo),理論課和實(shí)驗(yàn)課的教師來自于同一教學(xué)團(tuán)隊(duì),避免了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與課堂教學(xué)完全脫節(jié),將實(shí)驗(yàn)任務(wù)簡單地交給實(shí)驗(yàn)員了事的現(xiàn)象。

我校的“計(jì)算機(jī)組成原理”課程具備獨(dú)立的理論教學(xué)體系和實(shí)踐教學(xué)體系,這兩個(gè)體系既獨(dú)立又緊密結(jié)合。計(jì)算機(jī)組成原理理論課程是實(shí)踐課程的基礎(chǔ),同時(shí)實(shí)踐課程又為了配合理論課程。如果將實(shí)踐教學(xué)體系和理論教學(xué)體系完全割裂開來,學(xué)生只知道理論,不知道理論怎么結(jié)合實(shí)際,起什么作用,或者學(xué)生不知道為什么要做這些實(shí)驗(yàn),這些實(shí)驗(yàn)涉及到的理論知識(shí)點(diǎn)又有哪些,這樣理論知識(shí)就變成空中樓閣,抽象程度高,不好理解,同時(shí)實(shí)踐課程的效果也會(huì)大打折扣。

2實(shí)踐教學(xué)體系的不斷創(chuàng)新改革

目前,社會(huì)上對(duì)加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的呼聲越來越高,教育行政部門對(duì)實(shí)踐教學(xué)的重視程度也越來越高,各專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中實(shí)踐環(huán)節(jié)的比重也有所提升。為了加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié),有不少課程中都增加了一些單獨(dú)設(shè)課、單獨(dú)計(jì)算學(xué)分的實(shí)踐環(huán)節(jié)。但在實(shí)施過程中,確實(shí)有些課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和理論環(huán)節(jié)完全脫節(jié),甚至是由兩個(gè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)來完成,互相之間不通氣,完全根據(jù)各自的教學(xué)體系開課,根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件開設(shè)實(shí)驗(yàn),這種將實(shí)踐環(huán)節(jié)與理論環(huán)節(jié)完全割裂開的方式是不可取的。

課堂教學(xué)是老師向?qū)W生傳授知識(shí)的重要途徑,但不是唯一的途徑。對(duì)于“計(jì)算機(jī)組成原理”課程來說,僅僅靠課堂教學(xué)顯然是不夠的。近年來,我們既注意實(shí)踐教學(xué)體系和理論教學(xué)體系的關(guān)聯(lián)性,使我們精心設(shè)置的每個(gè)實(shí)驗(yàn)均有相應(yīng)的理論支撐,每個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康拿鞔_,實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)要求清晰;同時(shí)又對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行過多次更新和改進(jìn),不斷減少原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的比重,增加學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的比重,推動(dòng)了實(shí)踐教學(xué)體系的改革。

計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)歸屬于硬件實(shí)驗(yàn),目前,我們開設(shè)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)中既有驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)、也有綜合性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn),既有計(jì)算機(jī)的部件實(shí)驗(yàn),也有整機(jī)實(shí)驗(yàn),下面簡要的介紹3種不同的類型的實(shí)驗(yàn)。

2.1傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)部件實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)屬于驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn),要求學(xué)生按照要求利用中規(guī)模集成電路芯片構(gòu)成一個(gè)簡單的硬件模塊,自己動(dòng)手連線和調(diào)試。例如,總線傳輸實(shí)驗(yàn)就要求學(xué)生利用常見的三態(tài)輸出器件建立一個(gè)簡單的8位數(shù)據(jù)總線傳輸電路,通過總線并利用RAM實(shí)現(xiàn)存放在兩個(gè)寄存器中的不同數(shù)據(jù)的交換。實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟诹私夂驼莆湛偩€的分時(shí)與共享特性、傳輸控制技術(shù)、靜態(tài)RAM的讀寫原理和使用方法以及三態(tài)輸出器件的性能和使用方法。

這類實(shí)驗(yàn)由于需要大量的連線,可能會(huì)因?yàn)榻佑|不良等原因使實(shí)驗(yàn)工作量加大。但我們認(rèn)為這類實(shí)驗(yàn)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生寄存器級(jí)硬件故障的檢錯(cuò)和排錯(cuò)能力還是有積極作用的,這就是我們至今仍保留一個(gè)簡單的傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)的原因。為避免花費(fèi)過多的時(shí)間用于連線,我們將這類實(shí)驗(yàn)的任務(wù)盡可能簡化,將實(shí)驗(yàn)的主要考核點(diǎn)放在電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試的過程中。這類實(shí)驗(yàn)的不足之處是比較簡單,難以進(jìn)行有創(chuàng)意的或綜合性較強(qiáng)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

2.2基于FPGA的計(jì)算機(jī)模塊設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)屬于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),要求學(xué)生采用硬件描述語言進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì),首先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行功能仿真,最后下載到可編程邏輯器件中測試的方法。例如,在基于FPGA的運(yùn)算器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中,我們要求學(xué)生用硬件描述語言設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)16位運(yùn)算器,支持基本的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算,設(shè)計(jì)完成后下載到DE2開發(fā)板上測試。

這類實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案沒有任何限制,對(duì)于所連接的輸入、輸出設(shè)備允許有多種選擇,可以使用DE2開發(fā)板上的資源(如開關(guān)、按鍵、LED燈、數(shù)碼管和LCD),也可以使用外接的小鍵盤、大鍵盤和VGA顯示器,學(xué)生可以根據(jù)自己的情況自行選擇設(shè)備,最終根據(jù)使用設(shè)備的難易程度和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能計(jì)分。對(duì)于這類實(shí)驗(yàn),學(xué)生的積極性很高,有不少學(xué)生提出了獨(dú)特的設(shè)計(jì)方案,對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有積極作用。

通過對(duì)國內(nèi)外相關(guān)情況的調(diào)查、分析、研究,借鑒國內(nèi)外高校的經(jīng)驗(yàn),我們從2005年開始提出了將硬件描述語言和可編程邏輯器件引入計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的設(shè)想,首先在計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)中加入了VHDL實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,以取代部分傳統(tǒng)的硬連線實(shí)驗(yàn),接著又在教學(xué)計(jì)劃中增設(shè)了“VHDL與計(jì)算機(jī)硬件模塊設(shè)計(jì)”選修課程,讓學(xué)生掌握一種硬件描述語言,會(huì)使用先進(jìn)的EDA工具軟件進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。開始時(shí)由于設(shè)備的限制,學(xué)生還只能完成在軟件環(huán)境下的功能設(shè)計(jì)和模擬仿真,這使得很多學(xué)生感覺不盡興。目前,我校配置了DE2開發(fā)套件,所有的實(shí)驗(yàn)都能下載到DE2開發(fā)板上測試,與國外著名高校使用的軟硬件環(huán)境基本一致。

我們認(rèn)為將硬件實(shí)驗(yàn)完全軟化,實(shí)驗(yàn)僅局限于在軟件環(huán)境下的功能設(shè)計(jì)和模擬仿真是不夠的,如果一味軟化,可能會(huì)使一部分學(xué)生只將注意力和興趣集中在各種編程環(huán)境、開發(fā)工具的使用上,對(duì)于硬件技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用研究望而生畏。這種現(xiàn)象的后果是造成學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)偏軟,硬件基礎(chǔ)比較薄弱,不能完全滿足社會(huì)對(duì)軟硬件相結(jié)合人才的需求。

2.3整機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

這是一個(gè)大的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),要求學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備所提供的硬件資源(基本功能模塊、控制臺(tái)及外設(shè)等),設(shè)計(jì)一臺(tái)具有16條指令的微程序控制的實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)。其目的在于使學(xué)生掌握微程序控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方法,加深了解微程序的特點(diǎn);通過設(shè)計(jì)和調(diào)試,了解計(jì)算機(jī)如何執(zhí)行指令,如何控制I/O設(shè)備工作;掌握在具體實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)的整機(jī)邏輯框圖下,指令流和數(shù)據(jù)流的流動(dòng)過程,建立整機(jī)概念。

微程序設(shè)計(jì)技術(shù)是計(jì)算機(jī)組成原理理論課程教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn),由于微程序控制單元看不見,摸不著,涉及微程序控制的許多概念難以理解。整機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)將使學(xué)生了解微程序執(zhí)行的整個(gè)過程,讓學(xué)生通過親手解剖一個(gè)小小的“麻雀”來了解微程序控制單元的設(shè)計(jì)方法。

我們給每組學(xué)生分配一張指令表,指令表中包含十余條不同的機(jī)器指令,要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)整機(jī)邏輯圖來設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)中每條指令的執(zhí)行流程,設(shè)計(jì)微操作控制信號(hào)和微指令格式,確定初始微地址和后繼微地址的形成,然后根據(jù)指令流程和微指令格式編寫出每條機(jī)器指令所對(duì)應(yīng)的微程序,同時(shí)還要針對(duì)每條機(jī)器指令編寫相應(yīng)的測試程序,以測試微程序的正確性。我們還要求學(xué)生自主設(shè)計(jì)給定指令表上沒有的指令,以培養(yǎng)學(xué)生的舉一反三的能力。

從實(shí)驗(yàn)的開展情況來看,由于實(shí)驗(yàn)工作量比較大,獨(dú)立完成有一定難度,確有少數(shù)同學(xué)表現(xiàn)比較消極,希望通過借鑒、拷貝等方式來完成任務(wù)。針對(duì)這種情況,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)的驗(yàn)收階段增加了提問環(huán)節(jié),以此來甄別實(shí)驗(yàn)是否獨(dú)立完成。

3未來設(shè)想

我們將繼續(xù)堅(jiān)持實(shí)踐教學(xué)體系與理論教學(xué)體系有機(jī)結(jié)合,鼓勵(lì)青年教師投身實(shí)踐教學(xué)改革,使實(shí)驗(yàn)為理論教學(xué)服務(wù),實(shí)驗(yàn)為創(chuàng)新設(shè)計(jì)服務(wù),全面提升“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的教學(xué)質(zhì)量。

希望通過幾年的努力,不斷完善“計(jì)算機(jī)組成原理”課程實(shí)踐教學(xué)體系,建設(shè)一個(gè)與國際接軌的,能夠體現(xiàn)研究型大學(xué)特點(diǎn)的,綜合性、研究性的硬件實(shí)驗(yàn)基地,突破傳統(tǒng)的以驗(yàn)證性為主的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?增加大量設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí),合作學(xué)習(xí)以及研究型學(xué)習(xí),完成創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完整設(shè)計(jì)和調(diào)試過程,提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

下面是我們正在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)并且日趨完善的教改思路:

(1) 根據(jù)因材施教的思想,我們將未來的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)分成不同的層次,面向不同的對(duì)象。保證必做實(shí)驗(yàn)的水平和質(zhì)量;提高選做實(shí)驗(yàn)的數(shù)量和種類,給學(xué)生更多的選擇和發(fā)展空間。

(2) 設(shè)置大型的綜合性實(shí)驗(yàn),突出計(jì)算機(jī)學(xué)科特色,滿足有興趣學(xué)生的需要,如讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī),包括CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口設(shè)計(jì),甚至包括操作系統(tǒng)和軟件的設(shè)計(jì),所有的設(shè)計(jì)最終都下載到開發(fā)板上實(shí)現(xiàn),讓學(xué)生深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念。

(3) 鼓勵(lì)學(xué)生以兩至三個(gè)人為一小組的形式搞創(chuàng)新活動(dòng),自主命題和設(shè)計(jì)方案,開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,為參加學(xué)科知識(shí)競賽鍛煉隊(duì)伍和積累素材。

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