虚拟实验技术在计算机组成原理课程实践教学中的应用研究

◆张 威

虚拟实验技术在计算机组成原理课程实践教学中的应用研究

◆张 威

（福建农林大学 福建 350002）

本文在对计算机组成原理传统实验室特点和实践教学中存在的实际问题的分析基础上，介绍了虚拟实验室系统架构，以全加器实验为例，阐述该系统在计算机组成原理课堂教学中的应用，以及虚拟技术在计算机组成原理实践教学中的应用优势。

计算机组成原理；虚拟实验室；教学；实践

0 引言

计算机组成原理作为计算机科学与技术专业的一门核心硬件课程，是多门专业课程之间的过渡课程，具有举足轻重的地位［1］。该课程又以内容多、知识面广、难度大、更新快等特点难于教学，而实验教学的优点正好能够帮助学生理解与掌握抽象理论，因而在整个课程学习中具有重要作用。

计算机组成原理实验教学的主要任务是培养学生对计算机硬件结构的分析、应用、设计和开发能力［2］，让学生能够系统的理解计算机硬件的工作原理，掌握计算机硬件组成与设计、制造、调试和运行维护等多方面的技能。为了达到实验教学的任务，实验环境就必不可少，而碍于传统硬件实验室的局限性，对于一个操作性强、功能完善、仿真度高、交互性强的可视化计算机组成原理实验教学平台的需求就日趋迫切。

1 计算机组成原理传统实验室特点

当前对于计算机组成原理这门课程的实验教学，传统实验室主要是采用定制的实验箱，学生按实验指导书的要求步骤进行操作连线完成实验。这样的实验模式虽然具有直观性、实践性、创造性等优点，能够帮助学生更好理解和掌握抽象理论，但局限性也是显而易见的，主要体现在以下几点：

（1）在做实验时，由于其硬件动作的不可见性，学生对其执行流程以及之间的数据流动是不清楚的，也不能对单元的读写时序和选通信号进行检测和查看，就易导致实验透明度不高，成功率低的结果。

（2）由于实验室建设的经费有限，此类传统硬件实验室的实验元器件容易损坏以及老化，实验成本高，无法满足逐年增多的学生需求，从而导致实验环境非常缺乏。

（3）学生只有在设备完善的实验室中才能进行整个实验，课余时间就难以进行。

（4）由于计算机组成原理的实验具有一定连贯性，实验规模较大用时较长，实验对象需要专人专用，增大实验室排课困难。

（5）实验元器件是否出现故障无法用肉眼识别出来，需要借助测试器来检查，从而当电路有问题或调试过程的除错中就很难判断是组件问题还是接线问题，造成学生的学习障碍。

（6）如果在接电路时不小心接错电源或者短路而不知，就会造成元件损坏更甚者爆裂等。

2 计算机组成原理课程实践教学中存在的实际问题

2.1实践教学模式单一

传统的计算机组成原理实践教学模式多以验证性实验为主，围绕理论教学内容展开，学生总是跟着教师的指导或按实验指导书中所给接线图进行连线、拨动开关、记录发光二极管显示，采用微程序方法设计控制器时只能编写微程序，在规定的时间内按统一的模式做相同的实验。这种实践教学模式下，缺乏培养创新潜能的实践平台，教学效果不理想，学生对计算机工作原理的理解不透彻、不全面，不能充分调动学生的主观能动性，不利于培养动手能力、设计能力和创新能力，这对于技术性、工程性强的计算机组成原理课程来说，显然是很难达成课程的教标。

2.2实验室条件不足

传统的计算机组成原理实验教学主要依托昂贵的实验设备，实验室的搭建存在初期投入大，建设周期长，后期实验元器耗损量大维护费用高等问题。受实验室建设经费的限制，实验设备数量不够，配套元器件缺乏，只能多人一组进行实验；相关测试仪器设备的缺乏，使得学生无法对有关信号和电路状态获得直观认识；此外，在同一课堂时间内一个老师也无法同时指导到所有实验的学生，影响教学质量，无法高效开展实验教学，更不用说开展设计性和探究性的试验了。

2.3实践考核标准不合理

传统的计算机组成原理实验考核标准包含出勤情况、实验操作以及实验报告。其中现场实验操作的成绩评定主要依据实验结果的正确与否作为标准，很难判定其实际操作过程中的好坏，而大部分实验内容是非开放型的，试验结果都一样，导致会有少数学生不愿动手，实验时敷衍了事；当对较复杂的实验采取分组考核的方法进行实验的时候，也很难对组内每个成员的实际工作量进行准确界定，往往每组都有个别“打酱油”成员，若最终给组内每个成员都评定为一样的成绩也难免有失公允。另外，占据实验课程最终成绩比重最大的是每次是要课后上交的实验报告，由于是在课堂外完成的，实验内容和结果亦大相径庭，就会有部分学生抱着侥幸的心理，忽视课堂实验操作，相互抄袭实验报告，缺乏实际探索的动力，无法在实验过程中获益。

3 虚拟技术在计算机组成原理实践教学中的应用优势

3.1构建计算机组成原理虚拟实验室

所谓的虚拟实验室，就是将传统的实验室数字化、虚拟化，是基于Web、VR技术构建的一种网络化、开放式的虚拟实践教学系统。教师和学生都可以像在传统实验室一样搭建实验案例，操作实验器材。

计算机组成原理虚拟实验室是采用Java Applet技术、B/S结构，构建基于Internet的虚拟仿真实验系统平台。系统架构如图1所示。服务器端的实验组件库中是存储以JavaBean组件形式封装的各实验所需元器件。客户端是采用把Java Applet嵌入浏览器中的方式提供实验者操作所需，实现实验操作的运行并生成结果。

3.2虚拟实验室在计算机组成原理实践教学中的应用

图1 系统架构

以全加器实验为例，具体实验步骤如下：

（1）按照图2搭建实验，从左侧实验设备列表中添加所需的实验设备到实验流程面板中，并通过工具栏中的连线将相应的器件引脚相连；

（2）打开工具栏上的模拟电源开关，开始实验；

（3）分别双击开关，改变Ai、Bi和Ci的值，记录灯泡变化结果。

图2 全加器实验

由图2的实验界面可以看到，实验设备列表中的所有元器件都可以由学生自主选择、自由搭线，既可以按照实验指导书来完成实验，也可以自由搭建实验并验证自己的想法。在课堂实践教学中，教师在教师机上可以通过协作功能进行实验操作演示及初步讲解；在实验完成后，学生只要单击提交实验就可以将完成的实验提交给老师，而老师就可以直接在教师机上查看并给与评分，可以有效避免那些“打酱油”的学生。此外，学生还可以把在课堂中来不及完成的实验布线图拷贝回宿舍继续完成；若实验遇到困难，也可以通过该系统发出协作请求，此时如果有在使用该系统的教师或同学接受了请求，就会收到求助者的布线图，指导者可以直接在布线图上修改，所做的修改也会实时同步到求助者系统上。突破了传统计算机组成原理实践教学在时间空间条件上的局限性，给学生一个创新开放的实验平台。

3.3虚拟技术在计算机组成原理实践教学中的应用优势

由上述实例可以看出，计算机组成原理虚拟实验室较传统实验室而言有其明显的特征和优势，能够帮助解决实践教学中存在的一些实际问题，概括为以下几方面。

（1）成本低。计算机组成原理虚拟实验室系统由纯软件实现，使用虚拟实验设备，这样就不会产生实验设备的损耗，可以大幅降低设备购置、管理和维护经费。同时虚拟实验室环境可以重复、无损害地加以利用，提高实验设备的使用效率，节约开发成本，降低实验室建设、改造、维护的资金、时间和空间成本等。

（2）开放性和共享性。基于Internet的计算机组成原理虚拟实验室系统，以Java语言开发，因此只需登录到用户界面，客户端与服务器之间的通信就可以通过Intemet来实现，这样的实验平台无疑是不受时间和空间限制的。打破了传统课堂实践教学模式的局限，实现了资源共享。

（3）自主性。计算机组成原理虚拟实验室系统可以通过可视化的方法，充分调动学生主观能动性，实现实验流程的自主定制。这样不仅能让学生有如在真实环境中操作的体验，还能让学生在完成已有的特定实验演示的基础上进行创新性学习研究，自主性更强。

（4）交互性和可控性。计算机组成原理虚拟实验室系统实现了用户和远程计算机之间的交互，学生可以控制虚拟实验室中的设备和器材，避免了由于仪器故障或硬件接触不良等客观条件导致的对实验的影响，从而使得传统硬件实验室中难实现的大规模实验项目得以进行；学生亦可实时改变实验设备的状态，获取准确的结果，极大程度上提高了实验的成功率。

[1]葛桂萍，李云，方宇.计算机专业硬件课程体系的改革与探索[J].考试周刊，2015.

[2]贾彦竹，石松，包新月等.计算机组成原理实验教学探索[J].合肥师范学院学报，2016.