计算机组成原理实验课的设计与创新

颜远海

（广州华商学院，广东 广州 511300）

关键字：计算机组成原理；实验设计；辅助教学

1 引言

计算机组成原理课程主要在计算机科学与技术、软件工程、网络工程等专业中开设，是电子信息类中一门相当重要的专业基础课，是计算机专业的经典课程和专业平台课程。它帮助学生建立计算机系统的完整概念，使学生掌握计算机的工作原理，深刻理解程序在计算机硬件上被执行的过程，即计算机硬件系统各组成部件的工作原理、逻辑实现、设计思想以及它们联结成整机并协调运转的方法，为培养学生对计算机系统进行分析、设计、开发、使用的能力奠定基础[1]。对计算机专业本科学生而言，该课程普遍难教难学，因为它需要一定的模拟电路和数字电路方面的硬件基础，即使学生已经先修过模拟电路和数字电路，但由于专业方向等原因学生普遍对硬件的兴趣偏小，硬件基础仍然是他们的薄弱环节。因此针对这种情况，必须不断探索进行课改，提高学生的学习兴趣从而提高学习效率。

2 实验教学的设计思想

为配合计算机组成原理课程组的教学方法、教学计划、教学思路，将引入计算机组成原理教学实验系统，它具有虚拟仿真功能、硬件保护功能、在线查错功能[2]。充分考虑了学生实验的特点，让学生在“Try”的过程中真正做到从感性认识到理性认识的转变，做到举一反三，从而保证了课程的实践环节的有效实施。

（1）硬件保护技术使得实验仪的返修率几乎为0，解决了由于学生操作错误导致的实验设备易损坏的一贯难题。同时，实验仪还设有与微机通讯的接口，方便大量数据的录入和联机控制。

（2）将实验仪上模型机的工作过程以动画形式显示在微机屏幕上，使学生对计算机的程序运行过程一目了然。设计了“虚拟仿真机”功能，允许学生在课后安装实验软件，即使在没有实验设备的情况下，也可以使用“虚拟仿真机”功能完成控制器实验的调试工作，大大提高了学生学习的兴趣和效率。

（3）各个教学模块的实验设计合理，由简至繁，重视综合设计能力的培养；实验指导书内容详尽、系统，条理清楚。

（4）整个实验方法充分体现“Try”的教学和学习理念，实验具有开放性、综合性和可扩展性。对于那些对硬件非常感兴趣或者能力较强的优秀学生，可以通过工程训练或毕业设计，做进一步的实验项目。在教师指导下，学生通过CPLD（复杂可编程逻辑器件）设计一个个性化的简单完整的CPU芯片，并在实验系统中验证设计的正确与否，从而进一步掌握了计算机硬件设计的方法和思路，同时也激发了学生学习兴趣和学习动力[4]。

3 课程实验内容及教学设计

该课程单元的教学中以解决各种问题的方法为主线，采用问题递进驱动教学方法[5]，在完成各种问题的过程中引入知识点，操练设计方法。整个教学设计分为如下的两个阶段：

表1 实验内容及学时

（1）硬件基础准备阶段

这一阶段的内容主要是在学习各部件组成原理之前，首先学习组成计算机硬件的一些常用电路及器件、计算机中二进制数据表示信息的格式方法、完成算术运算的硬件电路等。方法上主要是加强操练。通过各种书面作业、多重训练和一个问题的多种解决方法来加强这些知识点的掌握，开阔学生的理解思路。在此阶段，教师的作用是对硬件的基础知识理论联系实际地进行讲解，让学生对硬件设计有基础性的了解，再通过第二阶段的学习让学生进一步加深理解并逐步掌握计算机的硬件设计方法。

（2）计算机各部件的原理与设计方法掌握阶段

这一阶段的主要内容包括运算器、存储器、指令系统、控制器和输入输出系统。通过第一阶段的学习，学生已经具备了硬件的基础知识，在这一阶段将重点讲解计算机各部件的组成原理、设计方法和设计通路等，为今后的课程如汇编语言程序设计、接口与通讯、单片机及应用、嵌入式系统设计等课程及计算机应用项目开发作铺垫[6]。

本阶段的案例设计非常重要，课堂教学中的例子，既要使学生容易理解、易于实现、便于掌握计算机各部件的设计思想，又要能体现完整计算机的主要功能。通过这些简单易懂的典型案例，让学生掌握基本的硬件设计和实现的方法，在此基础上，对学生提出新的问题和更高的要求，鼓励他们自己去尝试、去解决。在此阶段，教师主要通过多媒体CAI课件虚拟模型计算机工作原理、倡导和培养学生“try”的学习理念、鼓励学生动手实验等手段，引导学生理解掌握计算机的组成及简单完整计算机的设计方法。

4 学生的主动学习以及教学创新

在整个课程设计过程中，教师所起的作用仅是启发引导，以达到抛砖引玉的目的，鼓励学生独立思考，独立查阅分析资料，利用所学的理论知识以及各种技术手段独立解决问题，鼓励学生在完成基本设计方案的基础上，拓展思维，不断创新。从试行的效果看，有些学生的设计方案具有创新性，并且有效调动了主观能动性和学习积极性。

在课程实验过程中实行开放式教学。每个实验项目按表1中的计划学时执行教学，实验时间可由学生自行安排，可以在实验室完成，也可以由学生自由支配时间，这样可以方便学生自由查阅相关资料。采用二人一组的实验小组方式，共同设计，共同组装，共同调试，在合作中发现问题并解决问题。

开放式教学体现形式：（1）教学目标开放；（2）教学过程开放；（3）实训时间开放；（4）评价结果开放。具体体现可以参照表2任务说明表。

表2 运算器组成原理实训任务表

计算机组成原理实验系统配有CAI软件，通过CAI介绍实验的仪器、实验方法、实验过程等，通过规范的操作示范和详细生动的讲解，让学生了解实验的全过程，使学生产生强烈的实验愿望；并且在实验过程中，如果遇到不懂的问题，学生可以通过软件找到相应的解决办法，最终完成实验。

5 评价等级制度的创新

对学生实验的评价，采取分步计分、抽签考核综合评定的办法，主要考察总体设计能力、实践动手能力、综合创新能力、综合总结能力四个方面，为每个学生就这四个方面标注相应的权值，最后形成该学生在该项目上的最终评价。以上述表2实训任务进行结果评价如表3所示。

表3 评价指标体系设计

6 结语

计算机专业学生对于计算机组成原理、操作系统等理论性强的课程，实验课非常重要，这也是学习好一门理论课程的重要环节，如何在实践中不断总结、创新是每一个教师都应该认真对待的事情。实践教学是培养学生宽厚的文化素养、扎实的专业理论基础、精湛的专业技能的实践性课堂，是大学专业素养培养的实质性内容之所在，提高教学实践水平，无疑对学生能力的培养起到积极作用。