木合亞提·尼亞孜別克 古力沙吾利·塔里甫

(1.新疆大學 計算機科學與技術(shù)學院,烏魯木齊 830017)(2.新疆醫(yī)科大學 中醫(yī)學院,烏魯木齊 830011)

實驗教學是教育教學過程中的重要環(huán)節(jié)之一,是培養(yǎng)學生內(nèi)涵式發(fā)展,探索知識、發(fā)現(xiàn)知識能力的重要過程之一。在教學過程中提升實驗教學和理論教學相輔相成性,通過實驗教學的實踐操作體系,保障學生將理論知識在實驗過程中再現(xiàn)和體驗,使學生在實踐中體會、理解理論知識體系,更好地實現(xiàn)教學的高階性目的。通過在實驗課程中教師有目的地分步設(shè)計和制造問題,引導學生展開討論,并適時反饋學生中存在的問題,或引導學生發(fā)現(xiàn)實際實驗中存在的問題,組織學生從不同角度分析探究問題,隱性提升學生融會貫通、綜合靈活運用知識的能力,培養(yǎng)學生分解問題和逐次解決所發(fā)現(xiàn)問題的能力,從問題發(fā)現(xiàn)和解決去理解理論知識,從而推進學生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

“計算機組成原理”課程為一門專業(yè)核心課程,是重點講授計算機硬件系統(tǒng)中各個功能部件的作用以及之間的相互關(guān)系的課程,為了便于學生逐步建立整機概念,提升學生對計算機系統(tǒng)的工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)間的聯(lián)系的理解,提升學生自行設(shè)計、調(diào)試的動手能力,深入理解對控制信號作用各種屬性增加或減少,通過處理器對各屬性排列次序調(diào)整的影響,理解角度的變化或從不同角度分析、探討所呈現(xiàn)實際問題的差異,從而領(lǐng)悟到同樣的問題,因分析角度不同,可以有不同的解決策略,體會提出問題、分解問題是解決實際問題的重要環(huán)節(jié)。

1 實驗教學的現(xiàn)狀和存在的問題

新疆大學目前的實驗教學還有很大的提升空間。如現(xiàn)行的實驗指導教材是按照實驗?zāi)康?、實驗?nèi)容、實驗結(jié)果的思路撰寫,而學生只要按要求的實驗步驟完成實驗項目,最后記錄實驗數(shù)據(jù)即可。另外,實驗采用的專用實驗箱,其內(nèi)的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)固定,在實驗過程中學生只需聯(lián)接相應(yīng)的硬件模塊,例如對運算器實驗,按照如圖1所示來完成相關(guān)實驗聯(lián)接。

圖1 鍵盤實驗聯(lián)接圖

學生按照這個圖聯(lián)接完成后,輸入相關(guān)的匯編指令做實驗,最后驗證實驗所要求的結(jié)果就算完成實驗[1-2]。這種實驗?zāi)Ｊ绞勾蟛糠謱W生在實驗過程中,只是按預先安排好的實驗步驟完成實驗,而對于步驟的原因及電路結(jié)構(gòu)根本不加思索,對于芯片及電路的作用也不去考慮,更加不會去考慮如何進行改進,也無法真正做到理論與實踐相結(jié)合,很難突破實驗箱的限制,不利于培養(yǎng)出動手能力強,有創(chuàng)新能力的學生。

雖然計算機硬件基本原理具有不變性,但“計算機組成原理”實驗中的實驗箱設(shè)備老化,基本跟不上現(xiàn)在電子信息技術(shù)的發(fā)展需求,也無法及時反映計算機硬件技術(shù)的發(fā)展變化,不僅如此,在這些有限不足的實驗箱中還存在各種故障問題,甚至部分實驗箱的鍵盤及連接線故障,根本無法滿足輸入相關(guān)匯編語言的指令需要,更不能滿足實現(xiàn)硬件的設(shè)計性需要。

計算機設(shè)計與實踐是將抽象的理論可視化,再將計算機系統(tǒng)內(nèi)各個部分有機聯(lián)系起來,以實現(xiàn)學生從理解到能夠自主設(shè)計的過程。通常通過實驗教學中的三種方式來達成,一是鍵盤操作方式,二是采用PC機聯(lián)機操作方式,三是采用開關(guān)控制操作方式。如果在實驗教學過程中,教師不進行精心的設(shè)計,很難實現(xiàn)根本的育人育才目標。

2 提高實驗教學的思路及內(nèi)容

人才培養(yǎng)的核心是育人,在課程實驗教學的實踐過程中,不僅要引導學生學習理論知識和培養(yǎng)硬件的設(shè)計能力,還要塑造正確的人生價值觀,將工匠精神內(nèi)化為學生的品格,從而提高學生的科學素養(yǎng)、協(xié)同創(chuàng)新能力、社會責任感和實踐能力。

目前,“計算機組成原理”課程的教學基本采用理論授課+做實驗操作的方式進行,講授中除了重點介紹計算機硬件的基礎(chǔ)知識、各功能元件的工作機理,還有常見的邏輯組合電路、各種數(shù)據(jù)在計算機中的運算方式,以及數(shù)據(jù)的編碼和存儲信息的基本設(shè)計邏輯,要求學生實現(xiàn)對基本指令系統(tǒng)設(shè)計的理解,和對中央處理器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部邏輯的掌握。

在實驗教學中,如運算器實驗中要求學生能夠理解運算器的基本組成及工作機制,函數(shù)發(fā)生器的組合功能,及運算器如何按照指令執(zhí)行算術(shù)操作,并實現(xiàn)邏輯操作的過程。而移位運算實驗中要求學生理解8位雙向移位寄存器的移位控制功能及工作原理。在存儲部件實驗中需理解半導體靜態(tài)隨機存儲器RAM的特性和使用方法。而數(shù)據(jù)通路實驗是一項綜合設(shè)計實驗,要求學生能夠根據(jù)實驗一和實驗三的內(nèi)容設(shè)計一個運算器和存儲器相連的實驗電路,并實現(xiàn)各種操作功能,從而更深刻地理解運算器和存儲器協(xié)調(diào)工作的原理。在微程序控制器的組成與實現(xiàn)實驗中通過用單步方式執(zhí)行若干條微指令的實驗,要求學生能夠理解微程序控制器的工作原理。微程序設(shè)計實驗是實驗七的準備實驗,要求學生能夠掌握微程序有關(guān)的概念和微程序設(shè)計方法[3-5]。在簡單的設(shè)計性實驗——“計算機組成與程序運行”實驗中,要求學生通過定義幾條機器指令,編寫相應(yīng)微程序并具體上機調(diào)試,從而理解微程序控制器是如何控制模型機運行的,掌握整機動態(tài)工作過程。

在實驗過程中,經(jīng)過教師的精心設(shè)計,預設(shè)實驗教學過程中的各類常見問題,通過問題的提出到分析、解決等過程,將復雜的不同硬件元件,經(jīng)不同的選擇和聯(lián)接來創(chuàng)建一個能夠滿足不同功能的學習任務(wù),加以引導分解和設(shè)計,不斷引導學生增加對機器結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)的理解,在不提高成本需求的前提下,逐步提升學生對處理器的控制單元和數(shù)據(jù)通路、機器指令和存儲系統(tǒng)的理解,使學生建立整機概念,學會自頂向下分析探究問題的能力,學會從宏觀整體上認識系統(tǒng),也能從不同功能模塊、組成部分和軟硬件接口、內(nèi)部運行機制上認識計算機的軟件和硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及相互之間建立的邏輯過程。在引導學生分析思考教學設(shè)計和制造的問題過程中,不斷激發(fā)學生的好奇心和探究熱情,使教學過程對學生始終有吸引力,激發(fā)學生自主學習和提出問題的能力,同時不斷提升學生獲取信息、分析信息與應(yīng)用解決問題的能力,并使學生逐步形成良好的學習策略。

3 加強實驗教學環(huán)節(jié)的措施

3.1 實驗環(huán)節(jié)的重要性

“計算機組成原理”作為硬件系列課程中的核心課程,是一門實踐性很強的課程,也是一門在計算機專業(yè)的課程中有承上啟下作用的課程,硬件類和軟件類課程內(nèi)容均有涉及。而對理論概念的理解需要在實踐中提升,對指令的正確把握靈活應(yīng)用更需要在實踐性教學中不斷強化。

學生中存在的“重軟怕硬”現(xiàn)象,也需要通過實驗環(huán)節(jié)來應(yīng)對,激發(fā)學生對硬件設(shè)計的學習興趣,將理論知識與實踐過程相結(jié)合,強化學生對機器結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)的理解,以及用硬件描述語言模擬硬件的能力,克服“怕”的心態(tài)。

“計算機組成原理”的教學任務(wù)是培養(yǎng)學生對計算機硬件結(jié)構(gòu)的分析、應(yīng)用、設(shè)計和開發(fā)能力,因此,在實踐教學中貫穿以整機為主線,通過實驗過程體驗,使學生能夠掌握“計算機組成原理”五大部件的基本概念、構(gòu)成、總線、數(shù)據(jù)通路等的工作過程和基本工作原理,體會各部分在整機中起的作用,在實驗各環(huán)節(jié)中開展學生探討,訓練和培養(yǎng)學生形成找尋問題、思考問題、分析解決問題的能力。

3.2 利用好課前準備

在實驗課前,為了兼顧各種知識基礎(chǔ)層次不等的學生,提前提供實驗課件,直觀地展示實驗內(nèi)容,以便學生可以按需進行預習、復習、交流和總結(jié)等,并逐步完善和補齊相關(guān)知識[6-8]。針對學生在實驗箱系統(tǒng)實驗中可能遇到的各類問題,如:對基本邏輯部件、運算部件、指令系統(tǒng)、中央處理器、三級存儲結(jié)構(gòu)、輸入、輸出通道管理及綜合應(yīng)用間邏輯關(guān)系的抽象理論的具體理解,在實驗課前布置作業(yè),要求畫出相應(yīng)實驗內(nèi)容的邏輯線路圖,將教材中硬件抽象描述語言用邏輯電路的方式畫出來,可以使學生在實驗課前對元件、導線連接有理論認知,還可以在實操實驗箱過程中通過導線連接、撥動開關(guān)、觀察信號燈驗證中獲得直觀體驗,即便實驗箱因損毀而不能正常工作,學生的挫敗感也不會太強,且對學生形成硬件設(shè)計思維有益,還有助于學生以硬件工程師的視角,從門電路開始逐步設(shè)計數(shù)據(jù)通路、存儲器、控制器、運算部件、流水控制邏輯直至完整的可運行簡單程序的CPU,實現(xiàn)層次遞進的系統(tǒng)設(shè)計能力的培養(yǎng)。此外,還可以加深學生對各插、撥和元件與底層電路的對應(yīng)關(guān)系的感性認識,獲得對看似幾百根導線完成的“復雜”系統(tǒng)是自己設(shè)計出來的線路圖實物的成就感,使枯燥的實踐課轉(zhuǎn)變成有獲得感的興趣課。

3.3 寫好實驗指導教材

通常實驗的大部分內(nèi)容在課堂講授中都有涉及,但是真正動手做實驗時,學生對很多內(nèi)容感覺模糊,不知應(yīng)從哪里開始著手做,機械地按照實驗步驟完成實驗,很難真正理解計算機結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性,難以形成硬件相關(guān)的設(shè)計概念,難以形成“計算機原理課程”中軟硬件相輔相成統(tǒng)一的整機主線理念。

因此,設(shè)計好實驗指導教材,從為什么做這項實驗、實驗要解決的問題是什么、在整機中這一步的作用是什么、每個實驗步驟及要實現(xiàn)的基本內(nèi)容、目的和要求進行逐次不同層次的遞進設(shè)計,并根據(jù)情況設(shè)計制造問題,鼓勵學生分組合作檢索、找尋解決方案,如:基本指令實驗中,要求在原有指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,設(shè)計某種新指令并編寫相應(yīng)的微程序,并使各條指令都引用運算器功能及多種尋址方式,始終貫徹系統(tǒng)性的思想,啟發(fā)學生探尋多種實現(xiàn)方法,這樣下去做完一個學期的八個實驗后,大部分學生基本能夠理解計算機組成的基本工作原理和信息流的全過程,有助于培養(yǎng)學生自主學習和合作創(chuàng)造意識,也有助于建立系統(tǒng)整體概念和明確計算機的發(fā)展方向和研究方法。

4 實驗過程指導

4.1 重視學生做實驗的全過程

在實驗課堂上針對教學內(nèi)容的細節(jié)部分,除了拋出精心設(shè)計的逐級分解的各個小問題,如:辨認實驗箱中各元件及其作用、導線在這里的具體作用、開關(guān)的作用等,結(jié)合課前布置的線路設(shè)計圖,鼓勵學生實時討論,并及時對學生的問題給以概況、分析和解答,通過由整體到局部,層層深入的過程,使課外課內(nèi)協(xié)同化[9-10]。還可以通過將實驗以數(shù)字化信息來表示,將信號的傳輸和控制手段等,按逐次遞進的幾個層次進行內(nèi)容的分析和展示,或以利用軟件制作各種動畫來展示各種數(shù)據(jù)傳輸過程,以及各個功能部件之間的構(gòu)建聯(lián)系等,引導學生建立系統(tǒng)化思維和整機系統(tǒng)的理念,培養(yǎng)計算機專業(yè)學生的思考及解決問題的能力、硬件設(shè)計與編程結(jié)合的動手能力和創(chuàng)新能力。

4.2 總結(jié)

通過實驗教學方法的不斷嘗試和改進,如根據(jù)實驗環(huán)節(jié)的不同設(shè)計問題和提供課前的不同層次自學慕課資源及實踐操作課后總結(jié)等教學環(huán)節(jié),很大程度保障了學生將理論知識在實驗過程中再現(xiàn),也提升了學生在實踐中理解理論知識體系和發(fā)現(xiàn)實際實驗中存在的問題的能力。雖然在前后班級間的最終卷面考試成績上并沒有明顯的差異,但是學生參與討論的積極度和作業(yè)內(nèi)容上有了明顯的變化,學生們更積極地參與討論,討論內(nèi)容的質(zhì)量也明顯提高,完成的課后作業(yè)內(nèi)容也豐富多樣,不再是千篇一律的書中內(nèi)容摘抄,更多的學生會寫一些自己的分析過程,并提出一些自己的想法,甚至給出另一種方案等,如:改變邏輯路徑等。

這些雖增加了教師的工作量,但學生的學習激情被調(diào)動了,教學成效顯著。

5 結(jié)語

實驗教學是理論教學的深化,完善實驗教學環(huán)節(jié),提高學生的實踐能力,也是培養(yǎng)學生發(fā)散性、創(chuàng)造性思維的一條有效途徑。而傳統(tǒng)的實驗箱更新發(fā)展緩慢且硬件投資更新對資金的消耗大,對教學質(zhì)量的輔助還需教師針對實驗內(nèi)容進行精心的設(shè)計才能實現(xiàn),這對教師的技術(shù)水平要求較高。

而隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)字化技術(shù)、傳感器技術(shù)等的不斷成熟發(fā)展,已能夠虛擬出很逼真的實驗,再現(xiàn)各個實驗場景,多樣化的計算機的總線結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)和指令流、動態(tài)存儲器、多核CPU等的工作過程不斷地被逼真虛擬場景再現(xiàn)。相信不久就會引來各種不同的實驗環(huán)境,使學生進行實時交互,讓學生體會到比現(xiàn)有實驗裝置更好的性能,真正提升課堂理論教學的效果。