艾列富, 王贈凱，宋 靜，吳 健

(1.安慶師范大學(xué) 計算機與信息學(xué)院，安徽 安慶 246133；2.嘉興學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

工程教育專業(yè)認證在國際上被眾多國家和地區(qū)接受和認可，已成為高校教育質(zhì)量評價和保證體系的重要構(gòu)成之一。我國在2016年正式成為《華盛頓協(xié)議》簽約成員，標志著國內(nèi)高校專業(yè)在通過工程教育認證之后在國際上具有等效學(xué)位/學(xué)歷認定[1]。國內(nèi)高校開展工程教育專業(yè)認證，其已成為我國高等教育的重要組成部分，目標是通過改革人才培養(yǎng)模式，提高工程教育質(zhì)量[2]。

工程教育的核心理念是“以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進”，強調(diào)解決學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的4個問題：(1)要達到怎樣的目標學(xué)習(xí)成果；(2)學(xué)生為什么要達成目標學(xué)習(xí)成果；(3)如何幫助學(xué)生達成目標學(xué)習(xí)成果；(4)如何評估學(xué)生是否獲得了目標學(xué)習(xí)成果[3]。在該理念下，高校各專業(yè)，尤其是工科類專業(yè)需要持續(xù)推進課程建設(shè)和教學(xué)改革[4]，促進學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)和提高。

實驗教學(xué)作為專業(yè)課程教學(xué)的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、分析問題能力和解決實際問題的動手實踐能力等方面肩負重要責(zé)任[5]。補碼乘法器設(shè)計是計算機組成原理課程中的綜合設(shè)計性實驗，是圍繞存儲器擴展、運算器級聯(lián)、補碼乘法控制等電路自主設(shè)計和綜合運用的實踐而建設(shè)的實驗內(nèi)容，其教學(xué)目標是推動具備實踐創(chuàng)新和解決復(fù)雜工程問題能力的高素質(zhì)人才培養(yǎng)[6]。

為此，開發(fā)了貼近實物的補碼一位乘法器設(shè)計虛擬仿真實驗系統(tǒng)，學(xué)生可以使用該系統(tǒng)所虛擬仿真的實驗元器件自主設(shè)計和搭建電路，突破傳統(tǒng)實體實驗箱在實驗教學(xué)中存在的時間、空間限制、靈活度不足和綜合性實驗教學(xué)方面擴展性不足等方面的瓶頸，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合該系統(tǒng)提出了探究式實驗教學(xué)方式。

1 “補碼乘法器設(shè)計”實驗

1.1 實驗內(nèi)容和特點

補碼乘法器設(shè)計是計算機組成原理課程中電路規(guī)模較大和綜合性較高的實驗，難度較大，可以體現(xiàn)工程認證中解決復(fù)雜問題的能力要求。該實驗涉及到的知識點包括：(1)馮·諾依曼模型機的構(gòu)成；(2)存儲器工作原理和擴展；(3)運算器工作原理和級聯(lián)；(4)補碼乘法原理；(5)補碼算術(shù)移位規(guī)則；(6)組合、時序電路設(shè)計原理和方法。主要涉及的模塊電路包括：(1)存儲器及其容量擴展電路；(2)運算器級聯(lián)電路；(3)補碼乘法器的控制電路。

基于工程認證理念，該實驗對應(yīng)的指標點包括：(1)針對特定問題進行分析，查閱資料并獲得結(jié)論；(2)針對復(fù)雜問題的具體需求，選擇合理的方法、技術(shù)和工具，構(gòu)建有效的電路；(3)根據(jù)特定目標，完成實驗電路的測試、完善和改進。

1.2 實驗教學(xué)現(xiàn)狀

目前大多數(shù)高校采用硬件實驗箱在實驗室開展以教師為主導(dǎo)的“注入式、模仿式”[7]實驗教學(xué)，這種實驗教學(xué)方式主要存在以下不足：

1)實驗教學(xué)受到時間、空間限制。使用實體實驗設(shè)備，學(xué)生必須在特定時間到特定地點進行實驗。通常一次實驗課占2個學(xué)時，而補碼乘法器電路設(shè)計(電路圖如圖1所示)這種大型綜合性實驗，電路比較復(fù)雜，需要4～6學(xué)時。學(xué)生在一次實驗課時間內(nèi)往往不能及時完成實驗任務(wù)，而教室的實體實驗設(shè)備并不是供每位學(xué)生獨占使用，因此未完成任務(wù)的學(xué)生在下一次實驗課時面臨需要重新搭建電路的問題，帶來重復(fù)工作，影響實驗教學(xué)效果。此外，使用實體實驗設(shè)備，學(xué)生只能在實驗課期間才能在實驗教室動手實踐，無法利用課余時間及時去驗證和實現(xiàn)其關(guān)于硬件電路設(shè)計的構(gòu)思和創(chuàng)意，不利于實踐能力培養(yǎng)。

2)實體實驗箱可以支持的實驗內(nèi)容有限，實驗擴展性不足。目前實體實驗箱通常采用模塊化設(shè)計，雖然可以很方便地支持存儲器、運算器這類單模塊電路的驗證性實驗，但不能滿足補碼乘法器設(shè)計這種綜合設(shè)計性實驗關(guān)于實驗擴展、大規(guī)模實驗電路設(shè)計的實際教學(xué)需求。此外，實驗箱不具備讓學(xué)生定位異常信號、調(diào)試電路的實驗條件，并且實驗箱中芯片、接口等易損壞，必須定期維護和更新，人力和經(jīng)濟成本消耗大。

3)目前以教師為主導(dǎo)的實驗教學(xué)模式，學(xué)生只需按照固定的實驗步驟搭建電路，驗證實驗結(jié)果。這種方式不利于培養(yǎng)學(xué)生主動思考、分析和解決實際問題的能力。

因此，為了更好地培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力，需要從實驗環(huán)境、實驗教學(xué)模式等方面進行教學(xué)改革，突出以學(xué)生為中心，成果導(dǎo)向，持續(xù)改進的理念，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)動力，促進實踐能力增長。

2 補碼乘法器設(shè)計虛擬仿真實驗系統(tǒng)

相比實體實驗箱，采用虛擬仿真實驗系統(tǒng)可以讓實驗教學(xué)方式變得更加靈活[8]，突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的上述瓶頸。為此，圍繞補碼乘法器設(shè)計所需的實驗芯片和元器件，研發(fā)了一套模型機——補碼一位乘法器設(shè)計虛擬仿真實驗系統(tǒng)，為學(xué)生提供不受時空間限制的虛擬實驗環(huán)境，使學(xué)生可以自主、靈活地設(shè)計實驗方案、搭建電路、測試和驗證電路正確性。本系統(tǒng)采用Web方式進行訪問(網(wǎng)址：https://vstc.aqnu.edu.cn)，實驗操作界面如圖2所示。該系統(tǒng)已部署在我校虛擬仿真實驗教學(xué)共享平臺，學(xué)生可以在平臺上完成實驗的課前視頻學(xué)習(xí)、虛擬實驗操作、課后習(xí)題鞏固和實驗報告提交整個環(huán)節(jié)。

2.1 補碼乘法器設(shè)計虛擬仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計

圖3是所開發(fā)的補碼乘法器設(shè)計虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構(gòu)，圍繞實驗所需的芯片等元器件，虛擬仿真包括：存儲芯片2114和6116，運算器相關(guān)芯片74LS181和74LS182，移位寄存器74LS395，計數(shù)器芯片74LS161和74LS193，觸發(fā)器和鎖存器74LS272和74LS373以及其他如74LS157選擇器芯片和74LS08等多個邏輯門芯片，輸入輸出和時序發(fā)生器類元器件有二極管燈、數(shù)碼管、示波器、脈沖發(fā)生器和方波信號源等。

針對電路設(shè)計中芯片、元器件之間的導(dǎo)線連接，設(shè)計了基于Dijkstra且具有規(guī)避障礙物功能的導(dǎo)線路徑自動規(guī)劃算法。在此基礎(chǔ)上，通過獲取系統(tǒng)中所放置的實驗芯片、元器件類型以及通過導(dǎo)線連接獲取的電路連接狀態(tài)，開發(fā)了基于SPN(similar petri net)模型的電路仿真器，計算電路輸出。在仿真過程中，Web前端同后臺電路仿真器之間通信架構(gòu)如圖4所示。仿真調(diào)度進程通過監(jiān)聽實驗前端的仿真活動，為每個發(fā)送仿真命令的前端啟動一個電路仿真器進程。當(dāng)前端同電路仿真器進程建立連接后，直接進行數(shù)據(jù)交互。

2.2 補碼乘法器設(shè)計虛擬仿真實驗系統(tǒng)的特點

1)補碼乘法器設(shè)計虛擬仿真實驗系統(tǒng)為實驗教學(xué)提供貼近實物的芯片級交互式虛擬實驗環(huán)境，使電路的設(shè)計、調(diào)試和運行貼合實際情況。此外，將各種芯片的圖文資料集成在系統(tǒng)中，學(xué)生在選擇芯片的時候可以從圖片和文字上對芯片有一個直觀上的理解，同時也可以通過幫助選項中的說明書來了解芯片的功能和用法。

2)硬件技術(shù)的發(fā)展會帶來硬件元器件的更新?lián)Q代，為此，另外配套開發(fā)了虛擬實驗芯片定制軟件，通過交互的方式定義芯片邏輯和時序，即可很方便地生成對應(yīng)的虛擬芯片模型，如圖5所示。本實驗系統(tǒng)支持動態(tài)添加和部署新的實驗元器件以開發(fā)更多、更新的虛擬實驗項目，使實驗教學(xué)同計算機芯片技術(shù)發(fā)展趨勢保持同步。

3)該實驗系統(tǒng)集成了電路診斷技術(shù)，在仿真時檢測電路完整性、實驗元器件連接、信號是否存在沖突，并對異常信息進行提示。在實驗電路仿真運行過程中，本實驗系統(tǒng)還監(jiān)測并實時顯示電路中任何實驗元器件引腳的電平邏輯信號，供學(xué)生調(diào)試電路時使用，以得到目標實驗結(jié)果。

3 結(jié)合補碼乘法器設(shè)計虛擬仿真實驗系統(tǒng)的探究式實驗教學(xué)

為提高補碼乘法器設(shè)計實驗的教學(xué)效果，充分利用虛擬仿真實驗系統(tǒng)在時間、空間無限制和電路設(shè)計等方面開放式的特點，構(gòu)建一種以學(xué)生為中心，自主探究的新型實驗教學(xué)模式。實驗教學(xué)流程如圖6所示，其中應(yīng)用嘗試與調(diào)試和實驗探究改進貫穿在課中和課后兩個階段。指導(dǎo)教師主要講解補碼乘法器相關(guān)原理、實驗任務(wù)和預(yù)期目標，并在整個實驗課前、中、后全過程對學(xué)生加以指導(dǎo)和引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生主動思考意識，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力。通過實驗任務(wù)和目標驅(qū)動，實驗結(jié)果評價為導(dǎo)向，實驗過程中充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，挑戰(zhàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實踐能力，鼓勵學(xué)生開展合作和協(xié)作探究式學(xué)習(xí)，從而有效調(diào)動學(xué)生參與實驗教學(xué)的積極性和主動性，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的綜合能力。

3.1 課前自主學(xué)習(xí)

教師在課前將補碼乘法器設(shè)計的實驗任務(wù)書通過校級實驗共享平臺下達給學(xué)生，實驗任務(wù)書內(nèi)容包括：實驗主題、實驗?zāi)康?、實驗?nèi)容、實驗測試樣例及實驗探究內(nèi)容提綱，如圖7所示。教師可以在課前錄制實驗任務(wù)書講解視頻，以及存儲器工作原理及擴展、運算器工作原理及級聯(lián)方式、數(shù)據(jù)補碼表示方式和補碼乘法控制原理等實驗所涉及相關(guān)知識點視頻作為學(xué)習(xí)資料上傳至實驗系統(tǒng)所在的校級實驗共享平臺；學(xué)生在實驗課前須在線學(xué)習(xí)教師提供的視頻以幫助理解實驗任務(wù)、搜集補碼乘法器設(shè)計的相關(guān)資料、構(gòu)思實驗方案、使用補碼乘法器設(shè)計虛擬仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計電路并驗證。

圖7 “補碼乘法器設(shè)計”實驗任務(wù)

3.2 課上交流研討

課上交流研討，一方面可以使教師檢查學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)和補碼乘法器實驗準備的情況；另一方面，可以讓學(xué)生將自己的實驗心得、電路方案以及問題等方面以課堂研討的方式進行交流討論。該過程在一次實驗課中可以分多次進行，一般總共控制在一個實驗學(xué)時以內(nèi)，其余時間供學(xué)生自主實驗。

在這個環(huán)節(jié)里，教師由傳統(tǒng)的完全講授者轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕鸬酱鹨山饣?、觀察和協(xié)調(diào)組織者。教師從實驗任務(wù)的要求和探究性問題出發(fā)，結(jié)合補碼乘法器電路從模塊設(shè)計到模塊綜合、整體電路的優(yōu)化以及從手動控制到全自動控制的需求，提出理論與技術(shù)要求，引導(dǎo)學(xué)生針對電路方案進行討論交流。通過實驗探究內(nèi)容的課上交流研討，不僅可以鍛煉學(xué)生的語言表達和交流能力，還可以引導(dǎo)學(xué)生主動思考、發(fā)現(xiàn)問題并提出解決方案，以鍛煉嚴謹?shù)倪壿嬎季S。

3.3 應(yīng)用嘗試

交流研討之后，學(xué)生需按照各自最后確定的補碼乘法器電路方案進行實驗。實驗結(jié)果有2種可能：一是實驗設(shè)計合理，在虛擬仿真實驗系統(tǒng)中能夠得到目標實驗結(jié)果。對此，教師可以結(jié)合實驗探究內(nèi)容，引導(dǎo)這部分學(xué)生進行更深層次問題的探究和思考，培養(yǎng)學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的精神。二是實驗結(jié)果不正確。對此，學(xué)生需自主或者在教師的幫助和引導(dǎo)下，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題產(chǎn)生的原因并制定解決問題的辦法。

3.4 實驗探究與改進

針對前面實驗嘗試出現(xiàn)的問題或者由實驗嘗試帶來的深層次問題，結(jié)合實驗?zāi)康囊约皩嶒炄蝿?wù)中待探究的問題，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生主動思考、分析和給出解決思路。比如：結(jié)果測試、電路結(jié)構(gòu)改進和控制方式優(yōu)化等方面。

3.3、3.4兩部分內(nèi)容可以反復(fù)進行，即學(xué)生可以持續(xù)地對所設(shè)計的實驗電路進行優(yōu)化、仿真和調(diào)試，檢驗實驗結(jié)果是否達到預(yù)期。

結(jié)合虛擬仿真實驗系統(tǒng)在使用上的時間、空間優(yōu)勢，實驗教學(xué)可以采用開放式學(xué)習(xí)模式。如果課上時間不足，依靠網(wǎng)絡(luò)平臺的便利性，學(xué)生可在課下自主選擇時間、地點登錄虛擬仿真實驗系統(tǒng)，開展實驗和實踐。在實驗任務(wù)驅(qū)動下，學(xué)生可以自主安排課下學(xué)習(xí)計劃，從而有利于其主觀能動性的發(fā)揮。

3.5 提交實驗報告

學(xué)生完成實驗任務(wù)并得到預(yù)期實驗結(jié)果之后，可在學(xué)校實驗共享實驗平臺中在線撰寫實驗報告并提交。教師可以隨時在系統(tǒng)中線上評閱實驗報告，相比傳統(tǒng)方式需要等待實驗報告線下完全收集后集中評閱，可以有效增加教師評閱工作的靈活性。

4 結(jié)語

結(jié)合補碼乘法器設(shè)計虛擬仿真實驗系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢，將“探究式+虛擬仿真實驗系統(tǒng)”的實驗教學(xué)模式應(yīng)用于補碼乘法器設(shè)計的實驗教學(xué)中，利用課前和課后自主學(xué)習(xí)以及課堂探究討論，可以豐富教學(xué)形式，增強學(xué)生主動學(xué)習(xí)和探究實驗的動力、嚴謹?shù)乃季S和動手實踐能力，符合工程教育認證對培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的要求。與此同時，開放式的探究式實驗教學(xué)對教師和學(xué)生也帶來新的挑戰(zhàn)：學(xué)生需要由被動注入式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，需要更強的學(xué)習(xí)和實踐能力；教師需要更好地結(jié)合理論和實際設(shè)計實驗內(nèi)容，統(tǒng)籌安排課堂內(nèi)容和實施方式，引導(dǎo)和充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動性?？傊?，結(jié)合虛擬仿真實驗系統(tǒng)的探究式實驗教學(xué)模式可以推動既具有主動學(xué)習(xí)能力又具備工程實踐能力的卓越人才培養(yǎng)。