《计算机组成原理》实验教学的优化及改进

2017-09-27苏英

课程教育研究·新教师教学 2015年5期

摘要：本文针对当前高校《计算机组成原理》实验教学的现状，引入“启发-探究”式教学方法，并结合实际教学情况对实验内容进行了优化。实践证明，优化的实验内容和“启发-探究”式教学方法不仅对于提高学生理论水平起到了积极作用，而且提高了学生的动手能力，培养了学生的创新思维，对于培养应用型人才具有一定的现实意义。

关键词：计算机组成原理；实验教学；“启发-探究”式教学

基金项目：滨州学院教学研究项目（BYJYYB200918）；滨州学院科研基金项目（BZXYG1102）

TP301-4

0.前言

《计算机组成原理》属于计算机及其相关专业的专业基础课程，更因为被列入计算机专业考研通考专业课而愈来愈被学生重视。课程通过对计算机系统概述、总线系统、存储系统、输入输出系统、CPU、控制单元等主要组成部分的深刻解析和具体讲授，使学生能够形象的理解计算机的基本组成和工作原理[1]。

该课程内容抽象，知识点多，逻辑性强，内容有深度，有难度，芯片工作原理难以理解，教师很难形象的讲授教学内容 [2]。因此，各高校都会开设实验课以辅助理论教学。

1.实验课程教学现状

目前可供选择的计算机组成原理实验箱及实验资料很多，但是很多学生普遍感觉理论课与实验课像两条并行的铁轨，无法有机地联系起来。在实际应用中一遇到计算机硬件便一片茫然，无从下手，考研中的设计题更是得分率低。综合考虑主要存在以下问题：

（1）课程衔接不良

计算机组成原理的先修课包括电子技术、数字电路、模拟电路等。很多高校计算机专业的学生着重于编程的训练却在硬件电路方面知识薄弱，对于《计算机组成原理》中涉及的电路知识无法理解，致使计算机内部基本部件之间的构成原理及实现方法很难被学生理解，更无法对各大部件进行相关的设计。

（2） “傻瓜式”实验模式

大部分高校使用的《计算机组成原理》实验箱都采用集成化设计，实验箱上集成了计算机的基本功能模块，只是预留一些关键的信号线及总线供学生连接[3]。实验指导书只提供实验内容及实验步骤，对于相关原理介绍甚少，对于数据流如何流动及相关时钟分配无详细介绍。

学生按照实验指导书进行操作，机械地接线、拨动相应开关或做其它操作，直到看到实验结果，如果出现结果错误或做不出结果，不会查找故障，更不知如何解决[4]。

（3）实验内容与理论教学脱节

目前的试验箱可提供多种多功能试验，厂家提供的配套实验指导书中大多是单个模块的验证性实验介绍，综合性、设计性实验很少。单一的验证性实验无法使学生建立一个“整机”的概念，实验内容与理论教学及考研大纲也存在一定出入。

总之，针对使《计算机组成原理》的实验课真正达到辅助教学的目的，无论在优化实验内容还是改进教学方法等方面均需要积极探索和研究。

2.课程的优化和改进

2.1设计安排更科学合理的实验教学内容

首先，依据理论教学大纲和考研大纲，在原有的基础验证性实验基础上，增加若干设计性或综合性实验，辅助学生深入理解计算机内部各大部件之间如何工作，数据流如何流动，指令如何运行，时钟如何分配等。例如，设计一台硬连线的模型机，包括机器指令的设计，即指令格式，微指令流程图，相关控制信号，分配时序周期，并编写相应的微程序，使用实验箱资源，上机调试实现，并提交实验设计报告。通过实验，使学生将所学的基础理论知识模块和验证试验模块有机地结合起来，形成一个“整体”的概念，了解各个模块的功能、时钟和控制信号。其次，根据理论课程进度适时调整实验项目的顺序，依据教学大纲和考研大纲的变化精心设计每次实验的内容，使实验目的更明确，前后实验内容能够有机地衔接起来，让实验与理论相辅相成。

2.2引进“启发—探究”式教学方法，引导学生自主创新

“启发—探究”式教学旨在培养学生的探索精神和创新意识，基本操作程序如下图所示：

图1 “启发—探究”式教学基本操作程序图

将此种方法应用于实验教学，依据实验的内容和性质将实验分为三类：验证性、设计性和综合性，结合学生整体情况，以“启发—探究”式为主，讲授演示法、自学指导法等多种教学方法相结合的形式指导学生实验。

例如针对验证性实验，采用讲授演示法为主，启发式为辅的教学方法。首先主要讲解电路结构，电路设计思路；设计中需注意的问题；数据在各個部件之间如何流动，时钟如何分配等基本知识。然后对于基本操作进行演示，引领学生按照实验步骤完成基本的实验要求，帮助学生深入理解各芯片控制信号对于芯片所起的作用，相关器件如何配合工作，使其理解指导书上的实验步骤的含义。然后，采用启发式法进一步提升学生的认识。例如：对于算术逻辑运算单元的实验，首先按照实验步骤完成实验指导书上的操作，然后根据试验箱的特点要求学生自行完成1+1和1加1的操作，根据结果要求学生思考为何会出现1+1=1和1加1=0这两种情况，以达到学生对于加法器工作的实现及进位链如何进行工作的理解。

经过3个基本验证性实验后，学生基本上能够看懂功能模块的电路原理图，会按照实验指导书做基础性实验了。此时，引入设计性和综合性实验，主要采用自学指导法和研究式法的教学方法[6]。将教学重点转移到培养学生自学能力和动手能力上。引导学生自主阅读和使用实验指导书，培养他们仅借助手册就能独立操作的能力。列出实验题目，让学生自己设计电路，设计实验步骤，编写程序，然后连线做实验。协助学生排除故障，分析解决实验中所出现的各种问题，并对于最后的设计做出总结评价。

这个阶段，个别辅导是主要的教学手段。这个层次的实验可以培养学生的综合设计和动手能力，发散学生的创新思维，使学生从被动接受知识转变为自主获取知识，学生学习的积极性被极大地调动起来。

2.3注重教学内容的先进性

计算机技术及电子技术的迅速发展，使各种设备、观念和内容不断更新。为了使学生及时关注业界最新动态，在组织教学中要及时补充新技术、新芯片、电路设计等前沿知识，并留出适当的学时，组织学生进行讨论，比较计算机系统新旧技术的优劣特点，畅谈自己对于未来计算机系统发展的展望。

3.结论

实验教学作为学生亲自验证理论、充实知识，尝试设计，掌握核心的重要途径，也是培养应用型人才的实质性内容所在。优化实验内容，改进实验教学方法，提高实验教学水平，无疑将对学生的能力培养起到积极有效的作用。

教学实践证明，《计算机组成原理》实验课相对于以往教学情况，学生的态度从过去的敷衍了事变为积极参与，收到了良好的教学效果，有效促进了理论教学。根据近3年上过该课程的学生调查，大部分学生在实践能力方面有了很大的提高，对于理论知识的掌握也较深入，在考研过程中得分率不断提高。

参考文献：

1.唐朔飞.计算机组成原理[M].高等教育出版社.2008

2.刘建英，徐爱萍. 计算机组成原理实验课教改方案的设计[J]. 实验室研究与探索.2005[24]：2

3.邓丽，邓先瑞.计算机组成原理实验课程教学研究与实践探讨[J].煤炭技术. 2010[29]：3

4.戚梅，东野长磊.构建计算机硬件实验教学体系[J].实验室研究与探索. 2009 [28]：9

5.王诚，宋佳兴.教学计算机系统的设计与实现[J].计算机工程与应用. 2005.12