顏遠(yuǎn)海

（廣州華商學(xué)院，廣東 廣州 511300）

關(guān)鍵字：計算機組成原理；實驗設(shè)計；輔助教學(xué)

1 引言

計算機組成原理課程主要在計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)工程等專業(yè)中開設(shè)，是電子信息類中一門相當(dāng)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是計算機專業(yè)的經(jīng)典課程和專業(yè)平臺課程。它幫助學(xué)生建立計算機系統(tǒng)的完整概念，使學(xué)生掌握計算機的工作原理，深刻理解程序在計算機硬件上被執(zhí)行的過程，即計算機硬件系統(tǒng)各組成部件的工作原理、邏輯實現(xiàn)、設(shè)計思想以及它們聯(lián)結(jié)成整機并協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)的方法，為培養(yǎng)學(xué)生對計算機系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計、開發(fā)、使用的能力奠定基礎(chǔ)[1]。對計算機專業(yè)本科學(xué)生而言，該課程普遍難教難學(xué)，因為它需要一定的模擬電路和數(shù)字電路方面的硬件基礎(chǔ)，即使學(xué)生已經(jīng)先修過模擬電路和數(shù)字電路，但由于專業(yè)方向等原因?qū)W生普遍對硬件的興趣偏小，硬件基礎(chǔ)仍然是他們的薄弱環(huán)節(jié)。因此針對這種情況，必須不斷探索進(jìn)行課改，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣從而提高學(xué)習(xí)效率。

2 實驗教學(xué)的設(shè)計思想

為配合計算機組成原理課程組的教學(xué)方法、教學(xué)計劃、教學(xué)思路，將引入計算機組成原理教學(xué)實驗系統(tǒng)，它具有虛擬仿真功能、硬件保護功能、在線查錯功能[2]。充分考慮了學(xué)生實驗的特點，讓學(xué)生在“Try”的過程中真正做到從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的轉(zhuǎn)變，做到舉一反三，從而保證了課程的實踐環(huán)節(jié)的有效實施。

（1）硬件保護技術(shù)使得實驗儀的返修率幾乎為0，解決了由于學(xué)生操作錯誤導(dǎo)致的實驗設(shè)備易損壞的一貫難題。同時，實驗儀還設(shè)有與微機通訊的接口，方便大量數(shù)據(jù)的錄入和聯(lián)機控制。

（2）將實驗儀上模型機的工作過程以動畫形式顯示在微機屏幕上，使學(xué)生對計算機的程序運行過程一目了然。設(shè)計了“虛擬仿真機”功能，允許學(xué)生在課后安裝實驗軟件，即使在沒有實驗設(shè)備的情況下，也可以使用“虛擬仿真機”功能完成控制器實驗的調(diào)試工作，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和效率。

（3）各個教學(xué)模塊的實驗設(shè)計合理，由簡至繁，重視綜合設(shè)計能力的培養(yǎng)；實驗指導(dǎo)書內(nèi)容詳盡、系統(tǒng)，條理清楚。

（4）整個實驗方法充分體現(xiàn)“Try”的教學(xué)和學(xué)習(xí)理念，實驗具有開放性、綜合性和可擴展性。對于那些對硬件非常感興趣或者能力較強的優(yōu)秀學(xué)生，可以通過工程訓(xùn)練或畢業(yè)設(shè)計，做進(jìn)一步的實驗項目。在教師指導(dǎo)下，學(xué)生通過CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）設(shè)計一個個性化的簡單完整的CPU芯片，并在實驗系統(tǒng)中驗證設(shè)計的正確與否，從而進(jìn)一步掌握了計算機硬件設(shè)計的方法和思路，同時也激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動力[4]。

3 課程實驗內(nèi)容及教學(xué)設(shè)計

該課程單元的教學(xué)中以解決各種問題的方法為主線，采用問題遞進(jìn)驅(qū)動教學(xué)方法[5]，在完成各種問題的過程中引入知識點，操練設(shè)計方法。整個教學(xué)設(shè)計分為如下的兩個階段：

表1 實驗內(nèi)容及學(xué)時

（1）硬件基礎(chǔ)準(zhǔn)備階段

這一階段的內(nèi)容主要是在學(xué)習(xí)各部件組成原理之前，首先學(xué)習(xí)組成計算機硬件的一些常用電路及器件、計算機中二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示信息的格式方法、完成算術(shù)運算的硬件電路等。方法上主要是加強操練。通過各種書面作業(yè)、多重訓(xùn)練和一個問題的多種解決方法來加強這些知識點的掌握，開闊學(xué)生的理解思路。在此階段，教師的作用是對硬件的基礎(chǔ)知識理論聯(lián)系實際地進(jìn)行講解，讓學(xué)生對硬件設(shè)計有基礎(chǔ)性的了解，再通過第二階段的學(xué)習(xí)讓學(xué)生進(jìn)一步加深理解并逐步掌握計算機的硬件設(shè)計方法。

（2）計算機各部件的原理與設(shè)計方法掌握階段

這一階段的主要內(nèi)容包括運算器、存儲器、指令系統(tǒng)、控制器和輸入輸出系統(tǒng)。通過第一階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)具備了硬件的基礎(chǔ)知識，在這一階段將重點講解計算機各部件的組成原理、設(shè)計方法和設(shè)計通路等，為今后的課程如匯編語言程序設(shè)計、接口與通訊、單片機及應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計等課程及計算機應(yīng)用項目開發(fā)作鋪墊[6]。

本階段的案例設(shè)計非常重要，課堂教學(xué)中的例子，既要使學(xué)生容易理解、易于實現(xiàn)、便于掌握計算機各部件的設(shè)計思想，又要能體現(xiàn)完整計算機的主要功能。通過這些簡單易懂的典型案例，讓學(xué)生掌握基本的硬件設(shè)計和實現(xiàn)的方法，在此基礎(chǔ)上，對學(xué)生提出新的問題和更高的要求，鼓勵他們自己去嘗試、去解決。在此階段，教師主要通過多媒體CAI課件虛擬模型計算機工作原理、倡導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生“try”的學(xué)習(xí)理念、鼓勵學(xué)生動手實驗等手段，引導(dǎo)學(xué)生理解掌握計算機的組成及簡單完整計算機的設(shè)計方法。

4 學(xué)生的主動學(xué)習(xí)以及教學(xué)創(chuàng)新

在整個課程設(shè)計過程中，教師所起的作用僅是啟發(fā)引導(dǎo)，以達(dá)到拋磚引玉的目的，鼓勵學(xué)生獨立思考，獨立查閱分析資料，利用所學(xué)的理論知識以及各種技術(shù)手段獨立解決問題，鼓勵學(xué)生在完成基本設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，拓展思維，不斷創(chuàng)新。從試行的效果看，有些學(xué)生的設(shè)計方案具有創(chuàng)新性，并且有效調(diào)動了主觀能動性和學(xué)習(xí)積極性。

在課程實驗過程中實行開放式教學(xué)。每個實驗項目按表1中的計劃學(xué)時執(zhí)行教學(xué)，實驗時間可由學(xué)生自行安排，可以在實驗室完成，也可以由學(xué)生自由支配時間，這樣可以方便學(xué)生自由查閱相關(guān)資料。采用二人一組的實驗小組方式，共同設(shè)計，共同組裝，共同調(diào)試，在合作中發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。

開放式教學(xué)體現(xiàn)形式：（1）教學(xué)目標(biāo)開放；（2）教學(xué)過程開放；（3）實訓(xùn)時間開放；（4）評價結(jié)果開放。具體體現(xiàn)可以參照表2任務(wù)說明表。

表2 運算器組成原理實訓(xùn)任務(wù)表

計算機組成原理實驗系統(tǒng)配有CAI軟件，通過CAI介紹實驗的儀器、實驗方法、實驗過程等，通過規(guī)范的操作示范和詳細(xì)生動的講解，讓學(xué)生了解實驗的全過程，使學(xué)生產(chǎn)生強烈的實驗愿望；并且在實驗過程中，如果遇到不懂的問題，學(xué)生可以通過軟件找到相應(yīng)的解決辦法，最終完成實驗。

5 評價等級制度的創(chuàng)新

對學(xué)生實驗的評價，采取分步計分、抽簽考核綜合評定的辦法，主要考察總體設(shè)計能力、實踐動手能力、綜合創(chuàng)新能力、綜合總結(jié)能力四個方面，為每個學(xué)生就這四個方面標(biāo)注相應(yīng)的權(quán)值，最后形成該學(xué)生在該項目上的最終評價。以上述表2實訓(xùn)任務(wù)進(jìn)行結(jié)果評價如表3所示。

表3 評價指標(biāo)體系設(shè)計

6 結(jié)語

計算機專業(yè)學(xué)生對于計算機組成原理、操作系統(tǒng)等理論性強的課程，實驗課非常重要，這也是學(xué)習(xí)好一門理論課程的重要環(huán)節(jié)，如何在實踐中不斷總結(jié)、創(chuàng)新是每一個教師都應(yīng)該認(rèn)真對待的事情。實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生寬厚的文化素養(yǎng)、扎實的專業(yè)理論基礎(chǔ)、精湛的專業(yè)技能的實踐性課堂，是大學(xué)專業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)的實質(zhì)性內(nèi)容之所在，提高教學(xué)實踐水平，無疑對學(xué)生能力的培養(yǎng)起到積極作用。