应用型本科院校《计算机组成原理》实验教学改革

胡 伟

(黄山学院 信息工程学院，安徽 黄山 245041)

1 概 述

随着我国经济社会发展的日益加速，一方面高水平的学术研究型人才必不可少，而另一方面对高素质的应用型专业人才的需求量则更为巨大。国内大多数的本科院校，特别是新升格的本科院校都确定了以培养应用型专业人才为主要任务。所以新升格普通高等学校都必须积极推行应用型人才培养的教学研究与改革。

计算机科学与技术专业硬件技术的教学主要以数字逻辑电路和计算机组成原理为基础，汇编语言程序设计、微机接口技术和计算机系统结构等课程为扩展。其中计算机组成原理是计算机科学与技术专业的专业基础课，也是计算机学科的考研课程之一，在计算机科学与技术专业的课程体系中有着十分重要的地位。微机接口技术和汇编语言程序设计分别是在硬件和软件方面的延伸和拓展。[1]传统的实验教学不能满足应用型人才培养目标的要求，因此对计算机组成原理的实验教学环节进行必要的整合和改革，有利于学生理论与实践相结合，加深学生对理论知识的掌握，加强学生动手能力的培养。

2 计算机组成原理的实验方式

目前高校计算机组成原理实验主要采用两种方案实现。

1.采用固定的实验平台，实验箱上已经将计算机系统的各个部件全部做好，学生通过亲手连线来掌握各部件的数据通路，通过拨动相应控制开关模拟控制器给出控制信号完成计算机的各项功能；

2.将EDA技术引入计算机组成原理的实验课程，利用电路设计仿真软件先设计出实验电路，然后将实验电路下载到FPGA芯片中，最后利用实验仪的相应硬件资源直观地观察实验结果来验证实验电路的设计。

目前我校使用的是启东计算机公司的DVCCC8JH型计算机组成原理综合实验系统。该实验平台是将计算机系统的各个组成部分整合在一个实验箱中，学生只需要接少量的连线，就可以完成实验任务，学生可以将主要精力花在实验原理的理解和掌握上。这种固定结构的实验平台可帮助学生深刻理解计算机系统整体的工作原理，也能较好的提高学生的动手实验能力，但其缺点是验证性实验占大多数，实验内容的扩展性不强，学生的开发创新能力难以突破实验平台的局限。如何突出理论联系实际、强调实践的重要性，必须增加设计性、综合性实验的比例，而在原来的实验平台和实验基础上增设设计性和综合性实验难度很大。因此课题组对计算机组成原理课程实验进行了大胆的改革，实验方式由基于固定结构实验平台的实验方式升级为基于FPGA结构实验平台的实验方式。这种实验方式突破了传统硬布线设计的局限，通过实验学生即能锻炼动手能力，又能更好的培养自身的创新能力和探索能力。这样的实验方法即能巩固学生对计算机组成原理课程的理论知识的学习，又能促进学生的感性认识，激发学生的学习兴趣。[2]

3 实验内容的改革实践与优化

3.1 实验项目的设置

基于DVCC-C8JH型计算机组成原理综合实验系统的计算机组成原理实验主要包括计算机主要部件功能验证实验和模型机设计实验。其中计算机主要部件验证实验包括运算器、存储器和总线3部分共6个实验18个学时的验证性实验，模型机设计实验包括微控制器实验和基本模型机设计实验2部分共6个学时的实验。在FPGA实验方式上，实验项目的设置变得更加灵活，实验类型也全部为设计性，每个实验的实验电路可以在满足实验原理的基础上由学生自主设计。基于FPGA的实验开发首先要利用VHDL进行编程，然后利用Modelsim等软件进行仿真调试，最后利用FPGA实验开发系统下载到芯片后进行测试。FPGA扩展板由两块FPGA芯片及其外围电路组成，它的核心器件是Xilinx公司的20万门XCV200的FPGA芯片。表1是固定结构实验平台(左)与FPGA实验方式(右)实验项目设置对照表。

表1 实验项目改革

3.2 优化实践中存在的问题

经过一段时间的改革实践，我们发现虽然将实验类型由原来的验证型改为设计性，提高了实验要求，希望能获得较好的教学效果，但实施时却遇到非常大的困难。主要原因在知识体系的欠缺上，由于开始计算机组成原理课程时，学生只完成了C语言程序设计的学习，还没有硬件描述语言的编程训练，而且VHDL语言的结构与C语言有较大差距，不是很直观，学生不易掌握。而且修改教学计划增设VHDL语言的课程的执行难度较大，如果让学生采用完全自学的方式学习VHDL语言也很难解决实际问题。因此，要求学生使用VHDL语言设计出所有实验电路的代码难度太大，大多数同学在规定的时间内无法完成代码的设计，更不用说验证实验电路了。为了保证实验的基本要求，将实验步骤调整为教师写好参考代码，生成位流文件，实验前发布给学生，要求学生进行分析研究，然后在实验的时候主要让学生先下载位流文件进行验证，再回过来进行代码设计，这样保证了所有学生都能达到基本要求。为了真正锻炼学生的开发设计能力，在实验之前，要求学生仔细阅读参考代码，写出分析报告，拟定修改设计的思路后，由指导老师审核通过后才给予实验机会。

经过实验执行方式的调整，大多数学生能在按照要求完成实验内容的同时，发挥自己的开发创新能力，实验改革取得阶段性成果。如果在课程教学中设计一些启发性教学环节，学生开展互动与讨论，特别是引入一些新技术的介绍，引导学生学习研究的方法与方向，能更好的激发学生学习的兴趣和主动性，进而培养他们的自主学习能力、研究能力和创新能力，而基于FPGA结构实验平台的计算机组成原理实验改革给学生提供了良好的实践创新思想的机会。[3]

3.3 规范实验教材

实验教材主要包括实验指导书、实验报告以及与实验有关的资源。强化实验预习是提高实验教学质量的必要条件，实验预习质量的高低取决于实验教材的质量。[4]为此，我们重新编写了实验指导书。指导书的主要内容有实验目的、实验原理、预习要求等，在指导书上为每一个实验设计了较为详细的实验步骤和参考代码，要求学生在预习时，仔细阅读实验参考代码，写出分析报告，从而增加了学生对实验代码的理解，提高了预习的效果，也避免学生依然停留在验证实验模式。

实验报告质量直接反映了实验完成的质量。以往的实验报告要求学生使用统一的实验报告纸，在实验结束后完成实验报告，学生书写实验报告时，大段地摘抄实验指导书上的实验原理、实验目的、实验步骤，这样的实验报告对培养学生的能力没有任何帮助。在计算机组成原理实验中，我们规范了实验报告内容，对于实验报告中包含的实验目的、实验原理、实验操作和记录等方面内容的填写只是简单的记录层面的要求，而对实验现象分析，实验总结等方面加强了要求。如实验过程中出现的问题以及解决方法，实验内容和实验软件的使用等情况的总结，都要求学生写出详细的分析报告，这样才能将设计性实验真正体现出来。

3.4 建立实验教学辅助平台

开发基于网络的CAI实验课教学平台，利用多媒体进行讲解，在辅助平台中提供更多实验资源方便学生查阅，为实验预习、实验过程提供指导。在辅助平台设计中，对以往学生在各个实验中出现的常见问题进行了总结，并将解决办法在辅助平台中列出，让学生借助辅助平台就可以自主解决实验过程中出现的问题，这样也减轻了老师的指导工作。同时，基于网络的CAI实验课教学平台能更好的方便师生交流，也为开放实验教学提供良好的条件。[5]

4 结束语

应用型本科计算机硬件类课程的实验教学改革将是一个不断深入和发展的过程，我们首先在计算机组成原理这门计算机专业的核心课程的实验教学改革实践中，进行了一些创新和尝试。通过改革，发现了一些问题，也积累了一定的经验，明确了今后进一步展开深入教学改革的方向和目标。对于其它计算机硬件课程的实验教学改革也起到了很好的引领和促进作用。教学改革是提高教学质量的必经之路，而实验教学改革是真正培养应用型人才创新开发能力的有效途径。分析应用型本科计算机专业人才特点，合理改革实验教学实施方案，采用先进的教学手段，加之以科学的管理，是培养应用型本科计算机专业人才的有效途径。

[1]唐朔飞.计算机组成原理[M].北京：高等教育出版社,2006：33-48.

[2]乔道迹.《计算机组成原理》课程复杂模型机的深度开发[J].装备制造技术,2009,(5)：114.

[3]刘旭东,熊桂喜.“计算机组成原理”的课程改革与实践[J].计算机教育,2009,(7)：74-76.

[4]马汉达,赵蕙.计算机组成原理实验教学改革[J].计算机教育,2010,(17)：30-33.

[5]赵秋云,何嘉,魏乐.对《计算机组成原理》课程教学模式的探讨[J].电脑知识与技术,2008,4(3)：693-694.