农业院校计算机组成原理实验箱使用思考

2015-10-17徐淑艳王玉洁

中国教育技术装备 2015年18期

徐淑艳王玉洁

计算机组成与体系结构是计算机科学与技术专业的重要专业基础课，在计算机科学与技术专业课程体系设置中处于核心地位。该课程具有理论性强、知识面广、抽象不易理解、内容繁多且难以掌握的特点，是硬件及编程课程的基础，在课程体系中起着承上启下的重要作用。计算机组成与体系结构实践教学尤其强调形象、直观以及可操作性，通过实践教学不但能够加深学生对计算机系统各部分的工作原理、内部相互联系和作用的理解，而且培养了学生理论和实践相结合的能力。因此，如何使用和开发出组成原理箱的各项功能，对该课程的实践教学具有重要意义。

1 目前普通高校计算机组成与体系结构实验原理箱在使用中存在的问题

重理论轻实践计算机组成与体系结构课程因涉及知识面广，内容繁多，而采用理论教学为主、少量实践教学为辅的教学模式。以教师讲授为主，学生围绕教师的讲课思路被动地接受，这种教学模式不利于调动学生学习的积极性和主动性。事实上，计算机组成与体系结构是一门实践性很强的课程，如果不能充分结合实践进行教学，将会使得学生对抽象的理论知识缺乏深刻理解与掌握，不利于对学生进行理论联系实际能力的培养，并且这与培养实用、创新人才的理念相违背。

计算机组成原理实验箱以验证性实验为主，操作简单在实践教学中，学生侧重通过操作硬件了解电子器件和电路构成，对学生理解计算机的组成和工作原理有一定帮助。然而目前大部分高校采用的计算机组成原理实验箱是以验证性为主，操作简单。由于组成原理硬件课程的特殊性，面对底层的电路，很多学生不知如何下手，往往是实验做完了，结果也正确，可是信号具体在芯片内部是如何产生和传递的过程却并不清楚。这种以验证性为主的实践教学，不利于学生对课程内容深入地理解，不利于对创新型人才的培养。

过度依赖仿真软件，弱化了原理箱在实践教学中的地位和作用目前，许多高校在实践教学中用仿真软件替代组成原理箱，即:学生在计算机上进行模拟操作，只需要点击相应的按键，就能看到实验的结果。这种完全脱离了硬件环境的实践教学模式导致课程学完后，学生只知其然，不知其所以然，根本不知道具体的硬件芯片和电子电路的构成，更不能深入地了解CPU的结构和具体的工作原理。

理论指导有限，影响原理实验箱的使用该课程实践教学中的普遍情况是学生人手一套原理箱和实验指导书，教师进行简单的讲解后要求学生按照实验指导书的要求进行操作，看到应该出现的结果就可以了。教师对实验结果的原理讲解不充分，学生对实验结果的原理不理解，不知道如何查找故障，更谈不上自己设计实验了。这种教学方式限制了原理箱功能的开发，起不到理论联系实际、培养动手能力的作用，更谈不上创新能力的培养。

2 北京农学院计算机组成原理实验设备的应用情况

北京农学院组成原理箱情况简介北京农学院重视计算机组成原理与体系结构课程的建设，尤其重视实践教学建设。学校组成原理实验设备从最初的面包板上连接芯片发展到使用集成度高、操作简单、易于理解的组成原理箱，功能从最初只做简单的验证性实验发展到现在能开出具有研发、设计性质的实验。组成原理箱的使用把学生的精力从简单的接线、检查线路等低端的工作中转移到原理箱的功能使用和开发上来，使学生加深对本课程的理解和把握，为理论知识的学习打下扎实的基础，同时培养了一定的研发和创新能力。

目前，北京农学院采用COP-FLY-1计算机组成原理实验箱和与之配套的CZ-FLY通讯演示系统。该系统采用软硬结合的形式，即硬件原理箱+软件通讯演示系统相结合的形式:硬件实验保证了学生能了解CPU的具体组成，了解当前一些流行的技术和芯片；配套的通讯软件则提供了可视化的界面，通过实时的信号采集和传输，直观而形象地展示了信号和数据在CPU内部的流动情况，有助于学生更好地理解原理。在实验过程中，软件和硬件相结合，学生在软件中选择实验内容，软件会显示出该实验所涉及的硬件的原理框图。按照实验指导书的步骤操作硬件，软件会实时采集到数据和信号，并用不同的颜色在原理框图上显示出来，这样学生既了解了硬件的组成，又更加直观地理解了CPU运行的过程，大大提高学习兴趣和实验水平。

认真研究原理箱的功能，参与编写实验指导书实验师认真研究实验箱的各项功能，提前在每一台原理箱上做出全部的实验，对设备进行调试，找出故障的原因和处理方法。同时在系统研究实验原理箱的基础上和任课教师一起开发新的实验项目，参与编写组成原理实验指导书。

创新实践教学方法，充分发挥原理箱的作用，创新实践教学的新模式采取任课教师指导为主、实验教师指导为辅共同指导实践教学，充分开发原理箱的功能。任课教师注重实验原理的讲解和对学生的启发式引导，负责实践教学的全过程；实验教师要参与实践教学全过程，也就是前期对实验原理箱设备进行研究和调试，参加新的实验项目的开发和实验教材编写，在实验过程中负责指导和解决学生出现的问题，课后负责设备的维护和故障检修等工作。这样把任课教师从繁琐的事务性工作中解放出来，使他们把更多的精力用于对学生的启发和引导等重要的环节中来。这种“任课教师+实验师”共同指导实验教学的模式能够提高原理箱的应用水平，有力地促进实践教学的顺利进行。

配合3+1培养方案的教学内容安排在16学时的计算机组成与体系结构课程实验教学之后，开设30学时的小学期课程设计强化实践训练。在实践教学的内容上强调整体观念，实验师配合教师根据学生的实际情况，用计算机组成原理实验箱预留出来的开发功能，指导学生设计一些有一定实用性的实习项目，增强学生的开发兴趣。这样不但培养了学生的学习和动手能力，而且培养了学生独立思考、解决问题的能力，实现了“3+1”培养方案教学的目标。学生反馈说:“用组成原理箱进行开发设计比直接做实验困难许多，通过自己的设计实践对计算机原理有了更深入的理解，收获特别大。”

3 一些经验

北京农学院目前采用COP-FLY-1计算机组成原理箱和与之配套的CZ-FLY通讯演示系统。笔者在与任课教师配合指导学生实验的过程中，通过不断摸索，总结出一些原理箱使用上有益的经验做法。

掌握相应的理论是做好实验的基础本计算机组成原理箱采用微程序和组合逻辑控制器方案，要求学生必须很好地掌握程序控制器的结构与工作原理，掌握组合逻辑控制器的基础原理，并且在此基础上理解熟悉模型计算机指令系统，记住ALU控制信号的功能和意义，看得懂程序，提前预计出每一步应该出现的结果，进行有的放矢的学习与实践，通过实验使得所学知识得到升华。在实验中会结合实验内容简单复习重点的理论知识，使学生明确每一个实验的目的与意义，杜绝囫囵吞枣、不知所以然地盲目实验。

在实验中培养学生细心认真的作风计算机是由许多的集成电路模块组成的，其设计、生产、使用都要求认真仔细，来不得半点马虎，通过实验来培养计算机专业学生的细致认真作风。不同的实验对应不同的开关状态，粗心的学生往往在搭建好实验线路后没有注意设置开关的状态，导致实验结果错误。实验教师在指导学生实验时，会提示让学生自己通过仔细检查、发现问题并进行改正，从而加强一丝不苟作风的养成。

配置原理箱与PC机之间的端口连接PC执行演示系统时，要提示学生提前配制好USB端口，一般系统默认为COM1，但是根据实际情况端口会有所不同，需要重新配置，否则会导致计算机与原理箱连接失败。

计算机组成原理箱简单故障处理的方法计算机组成原理箱大多数故障为显示灯不能正常显示，影响了实验过程的直观展示及实验结果的正确输出，影响了实验的质量，必须及时进行分析处理。这就要求对实验箱有一个完整细致的掌握，检查发现有的是芯片烧制程序过程中出错，只有对各部分的硬件组成及软件程序都了如指掌，才能够正确找出故障的原因，有针对性地进行解决，为实验的正常开出提供保障。

按照实验的模块化结构判断显示灯的位置本计算机组成原理箱的地址、数据和控制信号分别采用红、绿、黄三种颜色的LED灯进行显示。由于实验箱功能模块多、面积小，显示灯摆放得相对集中且没有标识，使得学生在实验中不能顺利及时地找到各个功能模块的显示。这时就指导学生根据实验的类型按照模块化的结构和功能区进行判断，很快找出相应的信号灯进行观察。