计算机组成原理实验新教学模式研究实践

迟宗正， 赖晓晨， 惠 煌， 王 洁， 孔祥杰， 张改革

(1. 大连理工大学 软件学院 实验教学中心， 辽宁 大连 116621；2. 清华大学 科教仪器厂， 北京 100084)

计算机组成原理实验新教学模式研究实践

迟宗正1， 赖晓晨1， 惠 煌1， 王 洁1， 孔祥杰1， 张改革2

(1. 大连理工大学 软件学院 实验教学中心， 辽宁 大连 116621；2. 清华大学 科教仪器厂， 北京 100084)

通过分析计算机组成原理实验教学现状，指出了现阶段计算机组成原理实验教学存在的部分不足，从教学手段、教学方式及教学内容调整等方面提出了相应的改革措施。实践证明，通过新教学模式的实施，使该课程在教学效果方面有了明显的提高和进步。

微信平台； 大规模开放式网络课程； 仿真软件

计算机组成原理课程是计算机相关专业的核心课程，理论内容十分抽象，学好不易，所以配套相关实验以帮助学生理解和掌握计算机整机的内在运行机制[1-2]。该课程是大学生建立计算机整机系统概念和学习硬件的枢纽课程。该课程在硬件课程体系的核心作用体现在其前导课程是模拟与数字电路及其相关实验，后续是体系结构、单片机、嵌入式系统结构、嵌入式操作系统及程序设计等课程[3-4]。

在计算机相关专业教学中，硬件与软件教学环环相扣，不可强行剥离。清华大学计算机组成原理授课教师王诚教授，就曾指出计算机组成原理课程不能一味地强调硬件，忽视软件，因为硬件是软件的基础，软件是硬件的目的所在，所以他组织并研发了计算机组成原理实验箱TEC-XP，其中很多部件实验都是融合汇编语言来完成，体现了硬件和软件的协作[5-7]。

本文从教学模式、预习方式和实验教学内容入手，指出现阶段计算机组成原理实验教学存在的一系列问题，并由此提出解决这些问题的教学改革方法：建设计算机组成原理微信公众平台，设计研发硬件实验箱配套仿真系统以及调整实验教学内容。通过实践统计数据，证明改革内容提升了大连理工大学软件学院(以下简称我院)组成原理实验教学效果[8]。

1 我院计算机组成原理实验现状

1.1 课程参考资料及信息下达方式落后

在移动设备如此盛行的时代，我院依然采用传统的方式下达课程参考资料。

传统的教学方式，教师所有的课程资料(包括课程课件，讲课视频，实验效果视频等相关资料)上传至FTP服务器，学生使用个人电脑，通过IE或者FTP客户端自行下载观看。采用这种方法，学生只有手边有能够联网的电脑，才可以完成参考资料下载和观看，灵活性很差[9]。另外，有时因客观原因需要跟学生协商调课，或者通知学生最新的上课内容安排，只能通知教务在学院发通知，或者挨个通知班级的负责人。

采用第一种方法，缺点在于需要与教务联系并最终确认通知内容，而且学院的通知也无法保证所有的学生能在第一时间看到，缺乏时效性；而采用第二种方法，就我院的实际情况来说，因为我们计算机组成原理实验是自由选课，同一节课上课的学生，经常都分属多个不同的行政班级，所以要挨个找到负责人，挨个通知，负责人再通知班级成员，可行性较差。

1.2 预习方式单一

目前，整个计算机组成原理实验环节，包括实验的预习、难点讲解、实验操作以及结果记录。各大高校的该实验课程的预习仍然停留在通过观看参考资料完成一些简单的选择题或者解答题、学习讲课课件的内容、观看讲课视频和实验效果视频等，整个预习过程缺乏实验操作模拟演练，都是学生根据对参考资料的学习之后完成的，学生无法验证对错，只有在实际的上机操作之后才能验证对实验内容的理解是否正确。如此预习方法，效果不佳。

1.3 实验方式固定

传统的计算机组成原理实验一般采用专用实验箱完成课程所要求的实验内容。由于实验箱硬件动作的不可见性，学生进行实验时，不能够清楚了解硬件动作的执行流程及单元之间的数据流动，阻碍了对组成原理的深入理解，同时由于实验箱的结构基本固定，实验以验证性实验为主，不利于激发学生设计能力和创新能力[10-12]。

我院计算机组成原理实验从2005—2010年，一直使用的是上海复旦大学研发的组成原理实验箱，该实验箱的优点是其微程序控制实验能够让学生深入了解计算机的内在运行机制，通过单步调试能够看到信号的变化和数据的流动，使学生对计算机整机有清楚的认识，但是其缺点是部件实验太少，没有涉及到计算机的五大部分组成，而且设备老化严重。自2011年我院更换成清华科教仪器厂生产的TEC-XP，极大地丰富了实验内容，但还是多以验证性为主，辅以简单的设计性实验，缺乏提高设计性实验和综合性实验内容

2 计算机组成原理实验改革内容

2.1 建立计算机组成原理实验微信公众平台

随着时代的发展，传统的预习方法无法满足新时代大学生的需求。在传统方法中，学生必须借助电脑进行下载和观看参考资料，但是现在仍然没有办法达到大学生随时随地带着电脑，然而伴随着科技的进步，当代大学生却达到了几乎人人一部智能手机的水平，而目前智能手机的操作系统，无论是ios还是android，都可以安装微信平台。没有人会实时带着电脑，但几乎所有的人都随时随地带着手机，这就给我们新的预习模式奠定了基础。

另外，我院的基础设施改造也使此项改革具有了可行性。2013年我院在教学楼、实验楼、图书馆、办公楼以及宿舍楼都完成了网络设备的更新换代，并安装了足够多的无线节点，覆盖了整个校园。我们知道微信平台的所有信息都走的是GPRS流量，而遍布校园的无线节点提供了足够的WiFi热点，使微信平台信息能够实现实时高速免费传输。

通过微信平台申请注册一个公众平台账号，将讲课课件、讲课视频以及实验效果视频等相关参考资料，按照平台要求修改处理上传至素材管理。在初次上课的时候让所有学生在微信平台中关注此微信公众账号，通过微信平台可以群发给所有关注者演示文稿和实验视频，关注此公众账号的所有微信用户都会收到相应的参考资料，并直接可以借助微信平台的内嵌插件进行播放，无需另装播放程序，真正实现了随时随地预习的新型预习模式。微信公众管理平台如图1所示，关注用户及智能手机接收消息情况如图2所示。此微信平台模式可以推广至所有的实验课程和理论课程。

图1 “微平台”管理界面

图2 微平台智能平台接收界面

2.2 设计研发硬件配套仿真系统

随着网络和科技的发展进步，全球各大高校都在挑战新的教育模式，并提出“足不出户上大学”的概念，为实现此目标推出了MOOCs(大规模网络开放课程massive opening online courses)平台。MOOCs平台对于理论课和实验课的意义是不一样的，理论课只需将课程的相关资料都上传至平台，并完善在线互动和网上评价即可，然而实验课的实验操作环节却无法通过简单的上传课件实现，用户在学习了参考资料之后，无法完成对实验内容的验证，也就无法通过实验现象来加深对理论知识的认识和理解。我们设计并研发了与计算机组成原理实验硬件实验箱TEC-XP配套的仿真软件，能够完整地模拟实验箱的所有监控命令和基本指令集，因此学生可以借助安装在PC端仿真软件提前对实验内容进行逻辑验证，进而提高课堂效率，

并留有足够时间尝试提高型选做内容。

仿真软件是对实验箱功能的仿真，能够接收用户汇编程序的输入，通过对软件的操作(包括单步执行、连续执行等)，在显示区域显示出程序的执行结果。当然，目前这个仿真软件只是指令级的仿真，是指令功能的仿真，对于使用者来说没有实验箱的立体感，我们也将继续设计实现实验箱微体系级仿真系统，将实时监控、显示运行信息(内存，结果，控制信号等信息)。

2.3 调整实验内容

我院2005—2010年一直使用复旦大学涂时亮老师研发的实验箱，实验例程只有2个，一个十分简单易理解，一个非常综合复杂难掌握，不具有层次性，自更换成清华科教仪器厂TEC-XP以后，由原来2个实验内容增加至9个，其中部件实验5个，设计性实验3次4个实验例程，选做提高性实验2个，用作学有余力的学生在完成简单设计性实验之后的继续深造。另外，由于TEC-XP实验箱的控制器实验例程不如复旦实验箱的控制器实验易学、易掌握，相比之下，后者的该实验内容更能够给学生展示出微程序控制下的计算机的内在运行机制，因此我们也将此内容简化并作为一次讲解内容安排到新的教学大纲中。调整前后的实验内容如表1、表2所示。

表1 调整前实验内容安排

图2 调整后实验内容安排

TEC-XP是典型的双CPU结构的计算机组成原理实验箱，2个CPU共享外设和总线等，其中部件实验由左边的Mach控制器控制完成，通过每个实验让学生在实际中了解运算器的运行过程，不同存储类型的存储器(RAM，ROM，EEProm)、I/O接口通信以及带有嵌套和优先级的中断实验。

这种部件实验对于学生来说，硬件的内在运行机制是不可见的，学生只能简单地通过实验输入和实验效果来验证理论课的内容，缺乏设计性和创新性，因此我们基于TEC-XP实验箱右边的FPGA芯片开发了一些设计性实验。设计性实验由简到难，具有层次性。由于基于FPGA的设计性实验，其中的VHDL编程语言和Xilinx的编程工具都是学生未曾学过的内容，所以“微调整”之初的实验内容是数字与模拟电路的数字逻辑部分的内容，采用VHDL语言在FPGA芯片上实现。通过简单的内容熟悉VHDL语言和开发工具，进而深入学习提高。此项调整体现出计算机组成原理实验在硬件课程体系的核心作用，将前导课程数字电路与模拟电路和后续课程FPGA设计联系了起来。

为不断完善计算机组成原理基础实验教学之实验内容，并为学有余力的学生提供深入学习的平台，我们开设了计算机系统设计开放实验，该实验课程在基础实验教学完成之后开设。从每一届中选出基础实验成绩优异且对进一步深入理解计算机有浓厚兴趣的学生，让学生围绕计算机组成原理及体系结构内容采用FPGA设计并实现有一定难度的实验内容。通过多次实践，拿出一些难易适度且逐渐成熟的实验例程，融入到基础实验教学中作为选做内容，供尖子学生参考使用。该开放实验针对高水平学生，并由计算机组成原理理论课教师与实验课教师共同指导，结合理论课内容，设计和实现有一定难度且对理论课教学和学生理解理论有帮助的设计性实验。

3 效果评价

(1) 学生通过关注计算机组成原理微信公众平台，获取每堂实验课要点、难点内容，课上进入状态快、少走弯路，能够快速理解和完成实验内容。另外，根据学生实验报告册的实验心得体会以及课下向学生调查统计，95%以上的学生为借助计算机组成原理微信公众平台推送预习要点信息这种新教学方式点赞，其中真正能够实时查看、学习推送内容并从中获益的有70%以上。

(2) 学生借助微信公众平台和仿真系统提前预习演练，能够更加快速准确地完成基础实验内容，并留有足够精力探索、研究、扩展、提高实验内容。数据统计，2013—2014年度计算机组织与结构实验共13个班，微信公众平台在其中3个班中推广，并下发仿真系统，与其余10个班做对比实验。3个班总人数174人，上课期间公众平台关注粉丝最高峰值达到204人，每次课基本都有40%～60%的学生有时间和精力去尝试选做内容，而未关注平台和使用仿真系统的班级，上课进入状态慢，基本只有5%～15%的学生去尝试选做内容。

4 结束语

通过此次改革，微信公众平台拉近了教师与学生的距离，信息传达快，而且学生随时随地都能观看参考资料完成预习；仿真系统提升了学生预习的层次，能够在课前通过仿真就能验证程序的正确性；实验内容的不断调整完善，能够给学有余力的学生提供提升自己的平台。总之，新的教学模式探索实践方便了教师教学，也方便了学生学习，使该课程在教学效果方面有了明显的提高和进步。

References)

[1] 侯宏霞，松云.“计算机组成原理”精品课程建设的实践与探索[J].计算机教育，2010(2):119-121.

[2] 张磊，郑榕，田军峰.《计算机组成原理》实验教学改革[J].实验科学与技术，2013，11(2)：107-110.

[3] 姜欣宁，陈宇.“计算机组成原理专题实验”的教学改革[J].实验技术与管理，2013，30(4)：162-165.

[4] 李丽萍，盛琳阳.基于 EDA 技术的计算机组成原理实验课开放性教学模式研究[J].计算机教育，2010，10(5)：55-57.

[5] 白明，张健.基于GEF的计算机组成原理实验仿真[J].实验技术与管理，2010，27(9)：81-84.

[6] 陈智勇，李民政，陈宏.计算机组成原理精品课程建设的探索与实践[J].计算机教育，2011，4(2)：56-59.

[7] 张磊，郑榕，田军峰.计算机组成原理理论实验教学无缝结合的新方法[J].实验室研究与探索，2013，32(5)：168-172.

[8] 肖娟，龚德良，王嵩，等.计算机组成原理实验方式改革[J].计算机教育，2012，21(11)：80-82.

[9] 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(9)：30-33.

[10] 杨欣宇，李诚，宋广军，等.计算机组成原理实验教学改革探索[J].计算机教育，2013，18(9)：45-51.

[11] 黄沛杰，徐东风，殷建军.计算机组成原理实验教学中的计算思维培养[J].计算机教育，2012，16(8)：103-106.

[12] 秦磊华，王小兰，管军.EDA仿真在组成原理设计性实验中的应用[J].实验室研究与探索，2009,28(4)：79-82.

Research and practice of new teaching mode of experimentsfor principles of computer composition

Chi Zongzheng1, Lai Xiaochen1, Hui Huang1, Wang Jie1, Kong Xiangjie1, Zhang Gaige2

(1. School of Software, Dalian University of Technology, Dalian 116621, China; 2. Tsinghua UniversityScience & Technology Experiment Factory, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

By analyzing the current teaching situation of experiments for principles of computer composition, this article points out the shortcomings of experimental teaching, From teaching methods, teaching mode, teaching contents, and so on, some reform measures are performed. The practice of the reform actually promotes the whole experimental teaching of the course.

WeChat platform; MOOCs; simulation software

2014- 11- 27 修改日期：2014- 12- 05

国家自然科学基金项目(61203165)；辽宁省重点教改项目；大连理工大学教改专项(ZX2014018)；大连理工大学教改重点项目(ZD2014028，ZD2014038)

迟宗正(1984—)，男，山东烟台，在读博士研究生，工程师，主要从事计算机硬件类实验的教学及实验平台管理工作

E-mail：czz.dut@163.com

惠煌(1974—)，男，新疆石河子，硕士，高级工程师，主要从事计算机网络教学研究和计算机学科实验教学平台的研发管理工作.

E-mail：silkroader@vip.163.com

G642.0

A

1002-4956(2015)5- 0232- 04