計算機組成原理實驗新教學模式研究實踐

遲宗正， 賴曉晨， 惠 煌， 王 潔， 孔祥杰， 張改革

(1. 大連理工大學 軟件學院 實驗教學中心， 遼寧 大連 116621；2. 清華大學 科教儀器廠， 北京 100084)

計算機組成原理實驗新教學模式研究實踐

遲宗正1， 賴曉晨1， 惠 煌1， 王 潔1， 孔祥杰1， 張改革2

(1. 大連理工大學 軟件學院 實驗教學中心， 遼寧 大連 116621；2. 清華大學 科教儀器廠， 北京 100084)

通過分析計算機組成原理實驗教學現狀，指出了現階段計算機組成原理實驗教學存在的部分不足，從教學手段、教學方式及教學內容調整等方面提出了相應的改革措施。實踐證明，通過新教學模式的實施，使該課程在教學效果方面有了明顯的提高和進步。

微信平臺； 大規模開放式網絡課程； 仿真軟件

計算機組成原理課程是計算機相關專業的核心課程，理論內容十分抽象，學好不易，所以配套相關實驗以幫助學生理解和掌握計算機整機的內在運行機制[1-2]。該課程是大學生建立計算機整機系統概念和學習硬件的樞紐課程。該課程在硬件課程體系的核心作用體現在其前導課程是模擬與數字電路及其相關實驗，后續是體系結構、單片機、嵌入式系統結構、嵌入式操作系統及程序設計等課程[3-4]。

在計算機相關專業教學中，硬件與軟件教學環環相扣，不可強行剝離。清華大學計算機組成原理授課教師王誠教授，就曾指出計算機組成原理課程不能一味地強調硬件，忽視軟件，因為硬件是軟件的基礎，軟件是硬件的目的所在，所以他組織并研發了計算機組成原理實驗箱TEC-XP，其中很多部件實驗都是融合匯編語言來完成，體現了硬件和軟件的協作[5-7]。

本文從教學模式、預習方式和實驗教學內容入手，指出現階段計算機組成原理實驗教學存在的一系列問題，并由此提出解決這些問題的教學改革方法：建設計算機組成原理微信公眾平臺，設計研發硬件實驗箱配套仿真系統以及調整實驗教學內容。通過實踐統計數據，證明改革內容提升了大連理工大學軟件學院(以下簡稱我院)組成原理實驗教學效果[8]。

1 我院計算機組成原理實驗現狀

1.1 課程參考資料及信息下達方式落后

在移動設備如此盛行的時代，我院依然采用傳統的方式下達課程參考資料。

傳統的教學方式，教師所有的課程資料(包括課程課件，講課視頻，實驗效果視頻等相關資料)上傳至FTP服務器，學生使用個人電腦，通過IE或者FTP客戶端自行下載觀看。采用這種方法，學生只有手邊有能夠聯網的電腦，才可以完成參考資料下載和觀看，靈活性很差[9]。另外，有時因客觀原因需要跟學生協商調課，或者通知學生最新的上課內容安排，只能通知教務在學院發通知，或者挨個通知班級的負責人。

采用第一種方法，缺點在于需要與教務聯系并最終確認通知內容，而且學院的通知也無法保證所有的學生能在第一時間看到，缺乏時效性；而采用第二種方法，就我院的實際情況來說，因為我們計算機組成原理實驗是自由選課，同一節課上課的學生，經常都分屬多個不同的行政班級，所以要挨個找到負責人，挨個通知，負責人再通知班級成員，可行性較差。

1.2 預習方式單一

目前，整個計算機組成原理實驗環節，包括實驗的預習、難點講解、實驗操作以及結果記錄。各大高校的該實驗課程的預習仍然停留在通過觀看參考資料完成一些簡單的選擇題或者解答題、學習講課課件的內容、觀看講課視頻和實驗效果視頻等，整個預習過程缺乏實驗操作模擬演練，都是學生根據對參考資料的學習之后完成的，學生無法驗證對錯，只有在實際的上機操作之后才能驗證對實驗內容的理解是否正確。如此預習方法，效果不佳。

1.3 實驗方式固定

傳統的計算機組成原理實驗一般采用專用實驗箱完成課程所要求的實驗內容。由于實驗箱硬件動作的不可見性，學生進行實驗時，不能夠清楚了解硬件動作的執行流程及單元之間的數據流動，阻礙了對組成原理的深入理解，同時由于實驗箱的結構基本固定，實驗以驗證性實驗為主，不利于激發學生設計能力和創新能力[10-12]。

我院計算機組成原理實驗從2005—2010年，一直使用的是上海復旦大學研發的組成原理實驗箱，該實驗箱的優點是其微程序控制實驗能夠讓學生深入了解計算機的內在運行機制，通過單步調試能夠看到信號的變化和數據的流動，使學生對計算機整機有清楚的認識，但是其缺點是部件實驗太少，沒有涉及到計算機的五大部分組成，而且設備老化嚴重。自2011年我院更換成清華科教儀器廠生產的TEC-XP，極大地豐富了實驗內容，但還是多以驗證性為主，輔以簡單的設計性實驗，缺乏提高設計性實驗和綜合性實驗內容

2 計算機組成原理實驗改革內容

2.1 建立計算機組成原理實驗微信公眾平臺

隨著時代的發展，傳統的預習方法無法滿足新時代大學生的需求。在傳統方法中，學生必須借助電腦進行下載和觀看參考資料，但是現在仍然沒有辦法達到大學生隨時隨地帶著電腦，然而伴隨著科技的進步，當代大學生卻達到了幾乎人人一部智能手機的水平，而目前智能手機的操作系統，無論是ios還是android，都可以安裝微信平臺。沒有人會實時帶著電腦，但幾乎所有的人都隨時隨地帶著手機，這就給我們新的預習模式奠定了基礎。

另外，我院的基礎設施改造也使此項改革具有了可行性。2013年我院在教學樓、實驗樓、圖書館、辦公樓以及宿舍樓都完成了網絡設備的更新換代，并安裝了足夠多的無線節點，覆蓋了整個校園。我們知道微信平臺的所有信息都走的是GPRS流量，而遍布校園的無線節點提供了足夠的WiFi熱點，使微信平臺信息能夠實現實時高速免費傳輸。

通過微信平臺申請注冊一個公眾平臺賬號，將講課課件、講課視頻以及實驗效果視頻等相關參考資料，按照平臺要求修改處理上傳至素材管理。在初次上課的時候讓所有學生在微信平臺中關注此微信公眾賬號，通過微信平臺可以群發給所有關注者演示文稿和實驗視頻，關注此公眾賬號的所有微信用戶都會收到相應的參考資料，并直接可以借助微信平臺的內嵌插件進行播放，無需另裝播放程序，真正實現了隨時隨地預習的新型預習模式。微信公眾管理平臺如圖1所示，關注用戶及智能手機接收消息情況如圖2所示。此微信平臺模式可以推廣至所有的實驗課程和理論課程。

圖1 “微平臺”管理界面

圖2 微平臺智能平臺接收界面

2.2 設計研發硬件配套仿真系統

隨著網絡和科技的發展進步，全球各大高校都在挑戰新的教育模式，并提出“足不出戶上大學”的概念，為實現此目標推出了MOOCs(大規模網絡開放課程massive opening online courses)平臺。MOOCs平臺對于理論課和實驗課的意義是不一樣的，理論課只需將課程的相關資料都上傳至平臺，并完善在線互動和網上評價即可，然而實驗課的實驗操作環節卻無法通過簡單的上傳課件實現，用戶在學習了參考資料之后，無法完成對實驗內容的驗證，也就無法通過實驗現象來加深對理論知識的認識和理解。我們設計并研發了與計算機組成原理實驗硬件實驗箱TEC-XP配套的仿真軟件，能夠完整地模擬實驗箱的所有監控命令和基本指令集，因此學生可以借助安裝在PC端仿真軟件提前對實驗內容進行邏輯驗證，進而提高課堂效率，

并留有足夠時間嘗試提高型選做內容。

仿真軟件是對實驗箱功能的仿真，能夠接收用戶匯編程序的輸入，通過對軟件的操作(包括單步執行、連續執行等)，在顯示區域顯示出程序的執行結果。當然，目前這個仿真軟件只是指令級的仿真，是指令功能的仿真，對于使用者來說沒有實驗箱的立體感，我們也將繼續設計實現實驗箱微體系級仿真系統，將實時監控、顯示運行信息(內存，結果，控制信號等信息)。

2.3 調整實驗內容

我院2005—2010年一直使用復旦大學涂時亮老師研發的實驗箱，實驗例程只有2個，一個十分簡單易理解，一個非常綜合復雜難掌握，不具有層次性，自更換成清華科教儀器廠TEC-XP以后，由原來2個實驗內容增加至9個，其中部件實驗5個，設計性實驗3次4個實驗例程，選做提高性實驗2個，用作學有余力的學生在完成簡單設計性實驗之后的繼續深造。另外，由于TEC-XP實驗箱的控制器實驗例程不如復旦實驗箱的控制器實驗易學、易掌握，相比之下，后者的該實驗內容更能夠給學生展示出微程序控制下的計算機的內在運行機制，因此我們也將此內容簡化并作為一次講解內容安排到新的教學大綱中。調整前后的實驗內容如表1、表2所示。

表1 調整前實驗內容安排

圖2 調整后實驗內容安排

TEC-XP是典型的雙CPU結構的計算機組成原理實驗箱，2個CPU共享外設和總線等，其中部件實驗由左邊的Mach控制器控制完成，通過每個實驗讓學生在實際中了解運算器的運行過程，不同存儲類型的存儲器(RAM，ROM，EEProm)、I/O接口通信以及帶有嵌套和優先級的中斷實驗。

這種部件實驗對于學生來說，硬件的內在運行機制是不可見的，學生只能簡單地通過實驗輸入和實驗效果來驗證理論課的內容，缺乏設計性和創新性，因此我們基于TEC-XP實驗箱右邊的FPGA芯片開發了一些設計性實驗。設計性實驗由簡到難，具有層次性。由于基于FPGA的設計性實驗，其中的VHDL編程語言和Xilinx的編程工具都是學生未曾學過的內容，所以“微調整”之初的實驗內容是數字與模擬電路的數字邏輯部分的內容，采用VHDL語言在FPGA芯片上實現。通過簡單的內容熟悉VHDL語言和開發工具，進而深入學習提高。此項調整體現出計算機組成原理實驗在硬件課程體系的核心作用，將前導課程數字電路與模擬電路和后續課程FPGA設計聯系了起來。

為不斷完善計算機組成原理基礎實驗教學之實驗內容，并為學有余力的學生提供深入學習的平臺，我們開設了計算機系統設計開放實驗，該實驗課程在基礎實驗教學完成之后開設。從每一屆中選出基礎實驗成績優異且對進一步深入理解計算機有濃厚興趣的學生，讓學生圍繞計算機組成原理及體系結構內容采用FPGA設計并實現有一定難度的實驗內容。通過多次實踐，拿出一些難易適度且逐漸成熟的實驗例程，融入到基礎實驗教學中作為選做內容，供尖子學生參考使用。該開放實驗針對高水平學生，并由計算機組成原理理論課教師與實驗課教師共同指導，結合理論課內容，設計和實現有一定難度且對理論課教學和學生理解理論有幫助的設計性實驗。

3 效果評價

(1) 學生通過關注計算機組成原理微信公眾平臺，獲取每堂實驗課要點、難點內容，課上進入狀態快、少走彎路，能夠快速理解和完成實驗內容。另外，根據學生實驗報告冊的實驗心得體會以及課下向學生調查統計，95%以上的學生為借助計算機組成原理微信公眾平臺推送預習要點信息這種新教學方式點贊，其中真正能夠實時查看、學習推送內容并從中獲益的有70%以上。

(2) 學生借助微信公眾平臺和仿真系統提前預習演練，能夠更加快速準確地完成基礎實驗內容，并留有足夠精力探索、研究、擴展、提高實驗內容。數據統計，2013—2014年度計算機組織與結構實驗共13個班，微信公眾平臺在其中3個班中推廣，并下發仿真系統，與其余10個班做對比實驗。3個班總人數174人，上課期間公眾平臺關注粉絲最高峰值達到204人，每次課基本都有40%～60%的學生有時間和精力去嘗試選做內容，而未關注平臺和使用仿真系統的班級，上課進入狀態慢，基本只有5%～15%的學生去嘗試選做內容。

4 結束語

通過此次改革，微信公眾平臺拉近了教師與學生的距離，信息傳達快，而且學生隨時隨地都能觀看參考資料完成預習；仿真系統提升了學生預習的層次，能夠在課前通過仿真就能驗證程序的正確性；實驗內容的不斷調整完善，能夠給學有余力的學生提供提升自己的平臺。總之，新的教學模式探索實踐方便了教師教學，也方便了學生學習，使該課程在教學效果方面有了明顯的提高和進步。

References)

[1] 侯宏霞，松云.“計算機組成原理”精品課程建設的實踐與探索[J].計算機教育，2010(2):119-121.

[2] 張磊，鄭榕，田軍峰.《計算機組成原理》實驗教學改革[J].實驗科學與技術，2013，11(2)：107-110.

[3] 姜欣寧，陳宇.“計算機組成原理專題實驗”的教學改革[J].實驗技術與管理，2013，30(4)：162-165.

[4] 李麗萍，盛琳陽.基于 EDA 技術的計算機組成原理實驗課開放性教學模式研究[J].計算機教育，2010，10(5)：55-57.

[5] 白明，張健.基于GEF的計算機組成原理實驗仿真[J].實驗技術與管理，2010，27(9)：81-84.

[6] 陳智勇，李民政，陳宏.計算機組成原理精品課程建設的探索與實踐[J].計算機教育，2011，4(2)：56-59.

[7] 張磊，鄭榕，田軍峰.計算機組成原理理論實驗教學無縫結合的新方法[J].實驗室研究與探索，2013，32(5)：168-172.

[8] 肖娟，龔德良，王嵩，等.計算機組成原理實驗方式改革[J].計算機教育，2012，21(11)：80-82.

[9] 馬漢達，趙蕙.計算機組成原理實驗教學改革[J].計算機教育，2010，17(9)：30-33.

[10] 楊欣宇，李誠，宋廣軍，等.計算機組成原理實驗教學改革探索[J].計算機教育，2013，18(9)：45-51.

[11] 黃沛杰，徐東風，殷建軍.計算機組成原理實驗教學中的計算思維培養[J].計算機教育，2012，16(8)：103-106.

[12] 秦磊華，王小蘭，管軍.EDA仿真在組成原理設計性實驗中的應用[J].實驗室研究與探索，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

國家自然科學基金項目(61203165)；遼寧省重點教改項目；大連理工大學教改專項(ZX2014018)；大連理工大學教改重點項目(ZD2014028，ZD2014038)

遲宗正(1984—)，男，山東煙臺，在讀博士研究生，工程師，主要從事計算機硬件類實驗的教學及實驗平臺管理工作

E-mail：czz.dut@163.com

惠煌(1974—)，男，新疆石河子，碩士，高級工程師，主要從事計算機網絡教學研究和計算機學科實驗教學平臺的研發管理工作.

E-mail：silkroader@vip.163.com

G642.0

A

1002-4956(2015)5- 0232- 04