遲宗正， 惠 煌， 侯 剛， 于 成， 賴曉晨， 張政凱

(大連理工大學 軟件學院 實驗教學中心， 遼寧 大連 116621)

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·實驗教學與創(chuàng)新·

計算機組成原理實驗之“微改革”

遲宗正， 惠 煌， 侯 剛， 于 成， 賴曉晨， 張政凱

(大連理工大學 軟件學院 實驗教學中心， 遼寧 大連 116621)

通過分析計算機組成原理及其實驗教學現(xiàn)狀，指出了現(xiàn)階段計算機組成原理實驗教學存在的部分不足，從教學手段、實驗儀器升級改造和考核方式改革試點等方面提出了相應的改革措施。實踐結果證明，改革內容提升了我院計算機組成原理實驗課程教學效果。

微信平臺； 實驗箱升級； 實驗考試考核

0 引 言

計算機組成原理課程是計算機相關專業(yè)的核心課程，具有抽象性強、學習難度大等特點，因此配套相關實驗以幫助學生充分理解和掌握[1-2]。該課程是大學生建立計算機整機概念和學習硬件的樞紐課程，所以其重要性不僅體現(xiàn)在對學習硬件專業(yè)的學生，對于軟件工程等專業(yè)的學生認識并掌握計算機系統(tǒng)原理，進而在此基礎上提高自己的編程水平，也同等重要[3-4]。

在計算機相關專業(yè)中，硬件與軟件相輔相成、息息相關，清華組成原理課程王誠老師指出計算機組成原理課程不能只強調硬件，忽視軟件，硬件是軟件的基礎，軟件是硬件的目的。他設計和研發(fā)的計算機組成原理實驗箱TEC-XP，其中很多部件實驗都是融合匯編語言來完成[5～7]。

本文擬從教學模式、實驗設備升級改造和實驗考核方式三個方面入手，指出現(xiàn)階段計算機組成原理實驗教學存在的一系列問題，并由此提出解決以上問題的教學改革方法：建設計算機組成原理微信公眾平臺，焊接線路、設計制作實驗箱配套擴展模塊以及增加實驗考試(筆試與機試相結合)。通過實踐統(tǒng)計數據證明改革內容提升了大連理工大學軟件學院(以下簡稱我院)組成原理實驗教學效果[8]。

1 計算機組成原理實驗現(xiàn)狀

(1) 在移動設備如此盛行的時代，依然延用傳統(tǒng)下達課程參考資料方式，未能與時俱進。

傳統(tǒng)的教學方式，教師所有的課程資料(包括課程課件，講課視頻，實驗效果視頻等相關資料)上傳至FTP服務器，學生借助電腦下載觀看學習。采用這種方法，一是需要網絡支持；二是電腦體積笨重、不便攜，靈活性太差[9-11]。

另外，有時因客觀原因需跟學生協(xié)商調課，或者通知學生最新的上課內容安排。傳統(tǒng)方式是通過教務在學院發(fā)“學生周知”，或者挨個通知班級的負責人，采用第一種方法，缺點在于，我們需要與教務聯(lián)系并最終確認通知內容，而且學院的通知也無法保證所有的學生能在第一時間看到，缺乏時效性；而第二種方法，對于我院的實際情況來說，學生是自由選課，同一節(jié)課上課的學生，經常分屬多個不同的行政班級，所以要找到各個學生的負責人，負責人再通知其班級成員，過程繁瑣，可行性差[12-13]。

其次，學生經常在課下做預習或者測驗時發(fā)現(xiàn)難點問題，傳統(tǒng)的面對面答疑方式能夠比較清楚地向學生解釋問題，然而過于局限，而且如果學生有疑問者眾多，師生時間不利于統(tǒng)一安排。

(2) 實驗箱由廠家統(tǒng)一生產，無法完全滿足每個大學的教學需求。

我院購買的清華大學科教儀器廠生產銷售的TEC-XP實驗箱，由清華大學計算機組成原理教研室王誠教授團隊設計研發(fā)。由于各高校有不同的培養(yǎng)計劃，對課程有不同的需求，因此一款通用實驗箱必然無法滿足所有教學需求。另外還有一些輸出接口不夠完備，影響實驗效果展示。TEC-XP實驗箱上留有的可擴展接口讓我們在此基礎上實現(xiàn)實驗箱的升級改造。

(3) 傳統(tǒng)的實驗考核方式，存在一定漏洞，無法準確對每一名學生進行準確評估。

傳統(tǒng)的考核方式主要分為課前預習、實驗操作、課堂表現(xiàn)、實驗報告以及出勤情況。其中課前預習主要包括下載參考資料完成相關的預習題；實驗操作是指完成課堂規(guī)定的實驗內容；課堂表現(xiàn)主要看學生對于隨堂提問的回答情況；當堂實驗結束后需要按要求完成實驗報告。其中預習題和實驗報告存在抄襲的現(xiàn)象，由于實驗內容不是開放的，實驗效果都一樣，很難區(qū)別出完成的好壞，一般都是通過完成的快慢分級成績，然而存在部分做得慢的同學請教提前完成的同學，所以完全按照快慢分等級存在一定紕漏。另外，針對比較復雜的實驗，采取分組的考核方法，該方法很難界定組內成員的工作量，并且往往大部分工作主要由一位成員來完成，另外幾位成員“打醬油”，而最終所有組員成績一樣的話，也存在不合理性[14-15]。

2 計算機組成原理實驗之“微改革”

分析了計算機組成原理實驗的現(xiàn)狀，指出了該實驗課程存在的問題之后，提出了計算機組成原理實驗之“微改革”，主要包括建設計算機組成原理實驗微信公眾平臺；設計研發(fā)TEC-XP實驗箱擴展模塊，完成實驗設備升級改造；試點“筆試+機試”的實驗考核方式三個方面。

2.1 微信公眾平臺之“微平臺”

2.1.1 建立“微平臺”的可行性

(1) 隨著時代的發(fā)展，傳統(tǒng)的預習方法無法滿足新時代大學生的需求。在傳統(tǒng)方法中，學生須借助電腦下載和觀看參考資料，十分不便。然而伴隨著科技的進步，當代大學生幾乎人人一部智能手機。目前智能手機的操作系統(tǒng)，無論是ios還是android，都可以安裝微信平臺。手機的便攜程度遠遠超過了電腦，這給我們建立新的預習模式奠定了基礎。

(2) 另外，我院的基礎網絡設施改造項目的實施為“微平臺”的推廣提供了便利。2013年我院在教學樓、實驗樓、圖書館、辦公樓以及宿舍樓都完成了網絡設備的更新?lián)Q代，并安裝了足夠多的無線節(jié)點，覆蓋了整個校園。在無WiFi的情況下，微信平臺的信息都需消耗電話運營商的GPRS流量，而遍布校園的無線節(jié)點提供了足夠的WiFi熱點，使微信公眾平臺信息能夠實現(xiàn)實時高速免費傳輸。

2.1.2 “微平臺”具體實施

(1) 通過微信平臺申請注冊一個公眾平臺賬號，將講課課件、講課視頻以及實驗效果視頻等相關資料，按照平臺要求修改處理上傳至素材管理。在初次上課的時候讓所有學生在微信平臺中關注此微信公眾賬號，通過微信平臺可以群發(fā)給所有關注者演示文稿和實驗視頻，關注此公眾賬號的所有微信用戶都會收到相應的參考資料，并直接可以借助微信平臺的內嵌插件進行播放，無需另裝播放程序，真正地實現(xiàn)了隨時隨地預習的新型預習模式。理工軟院之計算機組成原理實驗微信公眾管理平臺界面如圖1所示，智能手機具有訂閱號界面、接收消息界面以及平臺二維碼。

(2) “微平臺”互動環(huán)節(jié)實施。采用以課程負責人為主，課題組所有成員參與的輪班制，在線回答同學提出的問題。

(3) 另外，此微信平臺模式可以推廣至所有的實驗課程乃至理論課。目前已在我院實驗中心實現(xiàn)初步推廣，計算機網絡綜合實驗課程負責人惠煌老師已經申請到網絡實驗訂閱號。

圖1 “微平臺”管理界面

2.2 實驗儀器設備之“微改造”

由于實驗設備由廠家根據高校的普遍需求而設計，所以缺乏一定的針對性，我們在使用的過程中也發(fā)現(xiàn)了很多可以改進的地方，加強實驗的效果。

其中FPGA設計性實驗中，與芯片相連的輸入開關和輸出顯示LED分別只有八個，這在進行提高性和復雜綜合性設計實驗的時候往往不夠用，造成了輸入需要多次進行、中間結果無法顯示、最終顯示的結果不全等問題，而且還存在像六十進制計數器實驗，其結果顯示是以二進制形式分別顯示個位和十位，結果顯示不明朗。

鑒于實驗箱在使用過程中存在以上的不足之處，計算機組成原理課題組與數字電路模擬電路課題組協(xié)同設計電路板，并制板焊接，目前已經設計了計數器實驗中個位和十位的二進制到十進制轉化，并由LED顯示結果的電路，還加強了FPGA芯片的設計，增加了與芯片管腳相連的LED燈，在運行的過程中能夠實時監(jiān)控程序運行的中間狀態(tài)。擴展板及其與TEC-XP連接如圖2所示。

2.3 考核方式之“微試點”

在傳統(tǒng)的考核方式中，預習報告和實驗報告存在一定的抄襲現(xiàn)象，只能以完成的快慢和對問題的理解程度、學習態(tài)度以及認真程度來評定，實驗的最終成績無法做到公正、公平，并且所有同學每次都認真參加實驗并通過各種各樣的方法(包括請高手指導幫助)完成實驗內容，無法依次為依據來評定學生實際能力。

對于實驗課，理論專業(yè)課則不存在此類問題，理論課的成績主要由最后的考試給定，學生學得好壞由學生卷面成績評判。因此我們提出效仿理論課，將考試考核方式融入到實驗考核當中。我院計算機組成原理實驗課程一屆學生720人，一般50～60人一個班，初次考試試點選取31人的小班進行，考試形式采取筆試與機試相結合的方式，筆試主要是跟實驗平臺以及具體實驗相關，機試要求采用VHDL語言在FPGA芯片上設計能夠實現(xiàn)該數字邏輯、存儲器或者ALU。最終的實驗成績綜合考試成績、課堂測驗以及實驗報告給出，更加準確，更加公平。如圖3為我院2014年度小班考試環(huán)節(jié)。

圖2 TEC-XP實驗箱擴展板

下一步我們將嘗試把課前預習、課堂測驗以及實驗考核與微信公眾平臺結合，建設基于微信公眾平臺的學習、測驗、考核一體化平臺。通過微信公眾平臺實現(xiàn)課前預習、課堂測驗以及最終考核，并能夠根據學生的作答的分數納入到最終的成績評定。

圖3 實驗考試環(huán)節(jié)

3 效果評價

學生通過關注計算機組成原理微信公眾平臺，獲取每堂實驗課要點、難點內容，課上進入狀態(tài)快，少走彎路，能夠快速理解和完成實驗內容。另外，根據學生實驗報告冊最后實驗心得體會以及課下向學生調查統(tǒng)計，95%以上的同學為借助計算機組成原理微信公眾平臺推送預習要點信息這種新教學方式點贊，其中真正能實時查看、學習并從中獲益的有70%以上。

為充分發(fā)揮學生的能動性，每堂課實驗內容都包括基礎內容和提高型選做內容，關注微信公眾平臺的3個班能夠接收到每堂課的實驗難點和注意細節(jié)，因此上課時進入狀態(tài)早，基礎實驗內容完成快，每次課基本都有40%～60%的同學有時間和精力去嘗試選做內容，而未關注平臺的班級，上課進入狀態(tài)慢，基本只有5%～15%的同學去嘗試選做內容。學生通過實驗報告冊的課程心得體會給計算機組成原理實驗微信公眾平臺，并用于教學給予充分肯定。

4 結 語

通過此次改革，“微平臺”拉近了教師與學生的距離，信息傳達快，而且學生隨時隨地都能觀看參考資料完成預習；“微改造”讓實驗箱更加完善，更能滿足學生的需求，更好地呈現(xiàn)實驗結果和程序運行過程中的中間狀態(tài)，幫助學生理解和掌握實驗內容；“微試點”也為今后實驗課程考核方式提供了參考。實踐結果證明，計算機組成原理“微改革”提升了我院計算機組成原理實驗課程教學效果。

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Micro Reform of Experiments for Principles of Computer Composition

CHIZong-zheng,HUIHuang,HOUGang,YUCheng,LAIXiao-chen,ZHANGZheng-kai

(School of Software, Dalian University of Technology, Dalian 116621, China)

By analyzing the current situation of experiment teaching for principles of computer composition, the paper points out the shortcomings existed in the experimental teaching from teaching methods, upgrading experimental equipment and assessing methods and so on. Some reform measures are performed. The practice of the reform actually promotes the whole experimental teaching to a new grade.

weichat platform; upgrade experimental box; experimental examination

2015-01-02

國家自然科學基金(61402073);遼寧省教改項目(UPRP20140893);大連理工大學實踐類教改專項(ZX2014018);大連理工大學現(xiàn)代遠程類教育改革重點項目(ZD2014028,ZD2014038)

遲宗正(1984-)，男，山東青島人，博士在讀，工程師，主要從事計算機組成原理實驗、嵌入式綜合實驗以及數字與模擬電路實驗的教學及實驗平臺管理工作。

Tel.:13591169937; Email：czz.dut@163.com

賴曉晨(1977-)，男，臺灣臺中人，博士，講師，研究方向為：嵌入式系統(tǒng)設計、無線傳感網絡。

Tel.:13889415322; E-mail：far.away@tom.com

TP 39； G 642.42

A

1006-7167(2015)08-0154-04