計算機組織與結構課程群開放式實驗建設探討

遲宗正， 侯 剛， 賴曉晨， 任志磊， 惠 煌， 李大奎

(大連理工大學 軟件學院 實驗教學中心， 遼寧 大連 116621)

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計算機組織與結構課程群開放式實驗建設探討

遲宗正， 侯 剛， 賴曉晨， 任志磊， 惠 煌， 李大奎

(大連理工大學 軟件學院 實驗教學中心， 遼寧 大連 116621)

通過總結我院2011年以來開放式實驗建設內容，提出了合理安排課堂實驗教學和開放實驗教學兩種模式并駕齊驅，既能照顧基礎一般學生的大眾化教育，又兼顧拔高型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)；研究了如何將基礎實驗和拔高型實驗互相推進，互相補充，形成良性循環(huán)；建立了以微信和微信公眾平臺為基礎的實時聯(lián)絡機制；形成了基于復雜網絡理論以學生自由組合為主，教師微調為輔的學生分組策略，學生聯(lián)系更加緊密，教學效果更加明顯；提出了基于軟件工程的層次化任務驅動式實驗環(huán)節(jié)安排更能夠激發(fā)學生興趣，發(fā)揮其主觀創(chuàng)新能動性。從各個環(huán)節(jié)切實踐行了因材施教和“卓越創(chuàng)新人才”培養(yǎng)計劃。

開放實驗教學； 微信； 復雜網絡； 軟件工程

0 引 言

計算機組織與結構相關課程包括計算機組成原理、體系結構以及系統(tǒng)設計等課程，是計算機相關專業(yè)的核心課程，在整個硬件課程體系中，上承數字電路與模擬電路、單片機、電子技術綜合課程，下接嵌入式系統(tǒng)結構、嵌入式操作系統(tǒng)、FPGA等課程，地位重要，意義非凡。而且課程具有抽象性強難以理解，學習難度大不易掌握等特點，因而配套相關實驗以幫助學生充分理解和掌握[1-3]。由此可見，為助學生打下堅實基礎，課程配套實驗實踐環(huán)節(jié)非常重要，不容忽視[4-6]。

隨著建設創(chuàng)新型國家戰(zhàn)略的提出，教育部對研究型大學的人才培養(yǎng)定位提出了更高的要求，如何搭建培養(yǎng)高素質創(chuàng)新人才和卓越人才的平臺，成為新時代各大高校教育工作者必須認真研究和探索的問題[7-9]。

大連理工大學軟件學院實驗教學中心自2011年以來，建設計算機組織與結構課程群開放式實驗，將開放式實驗與傳統(tǒng)課堂實驗教學兩種模式有機結合，針對不同實驗內容合理安排實驗形式。將微信等新科技手段，層次化遞進式任務驅動教學形式等應用到實際教學中，并研究更加有效的學生分組策略，基礎實驗內容與開放實驗內容關系，開放形式和實驗考核方式等內容。在整個教學探索過程中積累了一定的經驗，實施過程中取得了較好的效果。

1 合理安排實驗形式

1.1 傳統(tǒng)觀念中實驗形式

在傳統(tǒng)觀念中，實驗教學的主體是以教師為中心開展的課堂實驗教學，這種教學模式突出了教師的“教”和引導作用，在整個過程中，教師占主導地位，不利于學生的個性發(fā)揮和創(chuàng)新能力培養(yǎng)[9-12]。而開放實驗教學則是由教師或學生提出實驗目標，學生經自主性學習研究、自行設計實驗方案并獨立完成實驗的一種教學方式，此種教學模式以學生為主體，強調學生“自主性學習”和“個性化學習”等創(chuàng)新能力培養(yǎng)[13-14]。

1.2 我院實驗形式現狀

然而這并非意味著要完全取締傳統(tǒng)的實驗模式。對于我院這樣學生眾多，存在大規(guī)模授課的高校，實施全開放式實驗勢必存在一些問題。我院每屆學生將近800人，學生水平有高有低，參差不齊，興趣與主觀能動性也不盡相同，完全以開放式實驗教學形式進行會導致部分基礎較差，能力一般的學生打起退堂鼓，如此反而效果一般。而且基礎實驗一般都分成多次進行，如果完全開放，學生可能每次實驗課預約的時間段不盡相同，負責的任課教師更是無法固定，學生的課堂表現分數和當堂成績，以及學生的總成績匯總都會有諸多不便。最重要的由于無法固定負責教師，學生的成績一旦出問題，牽扯面較廣，且責任很難落實到人。

1.3 最終實踐的實驗形式及成效

鑒于以上原因，我們針對現狀，提出把基礎實驗教學與開放實驗教學有機融合，對計算機組成原理實驗和計算機體系結構實驗兩門基礎實驗中的熟悉實驗設備環(huán)節(jié)等不需給定成績的實驗內容和拔高型計算機系統(tǒng)設計實驗采取預約式開放形式；而前兩門基礎實驗中的需要評定當堂實驗操作成績的實驗內容依然采取大規(guī)模傳統(tǒng)課堂實驗教學形式。學生可以根據自己的興趣和時間進行開放式實驗，在開放實驗中實現學生的個性化培養(yǎng)；在傳統(tǒng)課堂實驗教學中實現普適教育。如此兩種教學形式有機結合，既照顧了基礎一般學生的大眾化教育，又兼顧了拔高型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。我院自2011年以來一直采用預約開放式及傳統(tǒng)課堂實驗教學形式相結合進行實驗教學，在實踐的過程中，學生能夠更加合理安排自己的時間，有的學生也可以將周六、周日整塊時間投入到實驗中，創(chuàng)新設計產出大大高于傳統(tǒng)實驗形式。

2 依托新科技，建立新式聯(lián)絡機制

2.1 傳統(tǒng)聯(lián)絡機制

傳統(tǒng)的教師與學生的聯(lián)絡機制，教師將自己的講課課件、授課視頻、實驗效果演示視頻、參考資料的等上傳至FTP供學生下載觀摩學習，學生必須借助電腦才能完成下載和學習。教師與學生的聯(lián)系方式也由最初的電話升級到QQ、QQ群，聯(lián)系方式的多樣化拉近了教師和學生之間的距離，大大提高了教學效果。

2.2 伴隨新技術的新式聯(lián)絡機制

然而伴隨著科技的進步，智能手機等移動設備的普及，且大學生作為一個年輕群體，注重時尚、先進的高科技產品，幾乎每個大學生都擁有一部或多部智能移動終端。近年來伴隨微信、微信公眾平臺等工具的出現，傳統(tǒng)的教學模式、聯(lián)絡方式已經無法引起當代大學生的興趣。

因此，我們提出針對基礎實驗課程，建立“理工軟院之計算機組成原理實驗”微信公眾平臺，將其余課程的學生采用同一個平臺下的分組管理，如圖1所示。通過平臺向選擇對應課程的學生下發(fā)實驗講課視頻、PPT、每次實驗操作針對性的注意事項，并通過平臺與學生進行互動答疑，移動智能端設備界面如圖2所示。針對小規(guī)模拔高型計算機系統(tǒng)設計實驗建立(自2011年來，學生人數分別在27,19,14,14名不等，人數少，需要更加靈活管理)微信群。微信群較QQ群的好處是，微信能夠在手機后臺自啟動，因此學生能夠實時收到所發(fā)內容，而QQ群只有登錄QQ客戶端才能收到消息，比較而言，微信群更加靈活，時效性更強。

2.3 新式機制的成效

(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(tài)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最后實驗心得體會以及課下向學生調查統(tǒng)計，95%以上的同學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(tǒng)提前預習演練，能夠更加快速準確的完成基礎實驗內容，并留有足夠精力探索研究擴展提高實驗內容。數據統(tǒng)計，2013～2014年度計算機組織與結構實驗共13個班，作者承擔8個班，目前關注人數目前為385人。作者所承擔班級每次課基本都有40%～60%的同學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(tǒng)的班級，上課進入狀態(tài)慢，基本只有5%～15%的同學去嘗試選做內容。

圖1 微信公眾平臺管理界面

圖2 智能移動端界面

3 基于復雜網絡的分組策略

3.1 分組機制現狀

對于拔高型計算機系統(tǒng)設計開放實驗，多以設計性、綜合性和創(chuàng)新性實驗為內容，且以學生未經過統(tǒng)一學習的VHDL作為開發(fā)語言，伴以軟件工程模式要求進行設計和實現，工作量大，任務繁雜。因此為保證學生的完成度和完成質量，保持學生完成設計的積極性，課程多以分組的形式進行。

自2011年以來，我們對學生的分組進行了多種形式的嘗試，最終確定以復雜網絡理論為基礎的分組策略。2011年，因為是第1年開展開放實驗教學，為保持學生的積極性和任務的完成度，我們安排學生以5或6人為一組，經過1年下來，通過平時的課上觀察、提問以及最終的答辯考核，發(fā)現5或6人一組，項目組成員太多，實際發(fā)揮作用的大多是2或3人，其余人員發(fā)揮作用甚微，參與度不高，工作量不夠，造成組內其他成員心里不平衡，不利于發(fā)揮學生的主觀創(chuàng)新能動性。因此后續(xù)我們基本采用2或3人一組，充分激發(fā)組內所有成員的主觀能動性，提高實驗任務參與度。

3.2 復雜網絡理論

在20世紀50年代末，數學家提出了隨機網絡。在隨后40多年的時間里，隨機網絡一直被認為是描述真實系統(tǒng)最適宜的網絡。直到最近幾年，科學家們才發(fā)現真實世界的網絡模型既不是規(guī)則網絡，也不是隨機網絡，而是具有統(tǒng)計特征的網絡，科學家們稱其為復雜網絡(complex networks)。自然界中存在的大量復雜系統(tǒng)都可以通過形形色色的網絡加以描述。如社會關系網、電力網絡、Internet、交通網等等。1967年美國社會心理學家Milgram通過“小世界效應”，提出了“六度分離推斷”，即地球上任意兩個人之間的平均距離為6，也就是說只要中間經過5個人，就能夠跟地球上任何人聯(lián)系上[15]。這一理論被一些數學家進行了嚴格的證明。

3.3 基于復雜網絡理論的分組機制實踐

基于復雜網絡理論，對參與拔高型計算機系統(tǒng)設計開放實驗學生進行分組，2或3人一組，以學生自由組合為主，輔以教師根據學生的能力、號召力和溝通能力加以微調。通過此分組方法，學生的每個組內都有業(yè)務水平高、帶頭作用顯著、溝通能力強的成員。如此執(zhí)行，不至于有的組因為基礎都一般而完成不了實驗任務，也不至于閉門造車，與其他組無任何交流。通過后續(xù)幾年的實踐，該開放課程的每組成員都能按照教師的引導，自行確定題目和設計，最終通過編程實現，目前已將多組成員完成內容申請計算機軟件著作權，分組機制完成的“基于TEC-XP實驗箱的多級CPU系統(tǒng)”軟件著作權已經申請成功，證書還沒有到手。

4 基礎實驗教學與拔高開放教學的良性循環(huán)

在我院，計算機組成原理實驗和計算機體系結構實驗為基礎實驗，計算機系統(tǒng)設計開放式實驗為此兩門課程后續(xù)的拔高型實驗。前兩門實驗每屆選課人數在800人左右，而計算機系統(tǒng)設計開放實驗隸屬創(chuàng)新個性化培養(yǎng)課程，選課原則上是由基礎實驗課內完成較好的學生參與，每屆選課人數在20人左右。

我院基礎實驗內容設置包括4次驗證性實驗、1次演示性實驗和4次設計性實驗，其中設計性實驗內容層層遞進，由簡到難，且通過實驗，學生了解了簡單的VHDL語言，這為學生參與后續(xù)計算機系統(tǒng)設計開放實驗打下堅實基礎；而且在開放實驗中不斷成熟的設計性內容，又可以“反哺”到基礎實驗教學中，提升基礎實驗教學檔次，基礎實驗教學內容等級提升，又會提高開放式實驗入門臺階，如此形成良性循環(huán)，提高教學內容的水平和質量。

另外開放實驗學生在完成自己設計的過程中發(fā)現現行實驗設備的不足，通過研究原設備擴展接口，通過自行設計、畫圖、制板完成實驗儀器擴展模塊，進而應用到基礎實驗教學中，大大提高了基礎實驗教學的效果，學生通過提高型計算機系統(tǒng)開放設計性實驗內容，指出現用TEC-XP實驗箱存在的不足，設計和制作配套擴展實驗板升級改造實驗箱以滿足實驗需求，制作的擴展板如圖3所示。

圖3 六十進制計數擴展板

5 遞進式任務驅動開放實驗教學

在2011年開放式實驗初建立時，實驗指導過程分離：由理論課教師指導闡述理論內容，FPGA教師指導VHDL語言內容，實驗教師指導實驗環(huán)節(jié)，且采用整體項目驅動式教學。

軟件學院最理想的教學模式是將軟件工程思想融入到教學的各個環(huán)節(jié)，提前培養(yǎng)學生的軟件工程意識，讓他們明白軟件工程并不只是簡單的編寫代碼。為響應我院“軟件卓越工程師”培養(yǎng)計劃，我們在計算機系統(tǒng)設計開放實驗中要求學生以軟件工程的思想，完成實驗任務需求分析、可行性分析、概要設計、詳細設計以及編碼實現，并針對各個環(huán)節(jié)編寫相關文檔。

教師從中以分層次遞進式任務驅動的方式，由簡到難、層層遞進的引導學生完成實驗任務。培養(yǎng)學生模塊化設計，模塊化調試。由最初的存儲器設計、ALU設計逐漸添加其他總線模塊、堆棧模塊、指令流水功能，進而實現帶指令流水的計算機整機系統(tǒng)。分層次遞進式任務驅動之計算機系統(tǒng)系統(tǒng)開放設計實驗能夠循序漸進的引導選課學生設計出模型機，相比較而言，基于軟件工程的層次化任務驅動式實驗環(huán)節(jié)安排更能夠激發(fā)學生的興趣，發(fā)揮其主觀創(chuàng)新能動性。

6 開放形式和考核安排

計算機組成原理實驗和計算機體系結構實驗中的基礎實驗教學環(huán)節(jié)，采取基礎課堂教學模式，由教務統(tǒng)一安排學生上課時間。學生成績的統(tǒng)計內容包括：實驗預習、課堂實驗操作、課堂紀律表現，課后測驗以及實驗報告等多方面綜合評定。

而拔高型計算機系統(tǒng)設計開放式實驗教學環(huán)節(jié)，采取開放式實驗教學模式，由任課教師與學生進行預約式上課，學生通過完成預習，考核合格后方可進行實驗時間和實驗設備預約。學生成績統(tǒng)計內容包括：課前預習、課堂紀律表現、實驗效果演示、實驗文檔與最終答辯等多方面綜合評定。總之，針對不同實驗內容和學生采取不同授課和考核方式，能夠提高教學效果，切實踐行因材施教和“卓越創(chuàng)新人才”培養(yǎng)計劃。

我院于2012年開始實行新的考核形式，通過增加課前預習考核評價學生實驗資格、課堂檢查評定學生實驗操作情況以及課后期末考核最終評價學生的總體掌握情況，提高了學生預習的積極性，能夠督促學生保質保量的完成實驗內容，掌握實驗步驟與目的。

7 結 語

通過總結大連理工大學軟件學院2011年以來開放式實驗建設內容，探討了如何合理安排課堂實驗教學模式和開放實驗教學模式并駕齊驅，兩種模式并存，既照顧了基礎一般學生的大眾化教育，又兼顧了拔高型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，而且基礎實驗和拔高型實驗能夠互相推進，互相補充，形成良性循環(huán)；充分發(fā)揮了科技進步帶來的移動設備普及現狀，建立以微信和微信公眾平臺為基礎的實時聯(lián)絡機制，聯(lián)系更加靈活，實時性更強；基于復雜網絡理論，建設形成了以學生自由組合為主，教師微調為輔的學生分組策略，學生聯(lián)系更加緊密，教學效果更加明顯；基于軟件工程的層次化任務驅動式實驗環(huán)節(jié)安排更能夠激發(fā)學生的興趣，發(fā)揮其主觀創(chuàng)新能動性；有針對性的開放和考核形式安排能夠更加準確地對學生能力進行評定，也切實踐行因材施教和“卓越創(chuàng)新人才”培養(yǎng)計劃。

[1] 王曉崗，高 英，史 良，等．開放實驗教學的理論與實踐[J].實驗室科學,2011,14(4):73-75.

[2] 黃天辰, 馮長江, 趙月飛,等．全開放實驗教學與管理系統(tǒng)的設計與實現[J].實驗室研究與探索,2011,30(4):161-163,184.

[3] 彭 燦．基于Android的計算機組成原理教輔程序的設計與實現[D].呼和浩特：內蒙古大學,2013.

[4] 梁 麗．構建分層次實驗教學體系培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[J].實驗室研究與探索,2014,33(1):217-219,242.

[5] 錢小明．高校實驗室開放管理機制的探索與實踐[J].實驗技術與管理,2013,30(11):40-42,49.

[6] 劉喬壽，黃沛昱．電子信息類開放實驗教學模式[J].實驗室研究與探索,2013,32(7):157-160,201.

[7] 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．

[8] 張 磊，鄭 榕，田軍峰．《計算機組成原理》實驗教學改革[J]．實驗科學技術，2013，11(2)：107-110．

[9] 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．

[10] 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(yǎng)[J]．計算機教育，2012，16(8)：103-106．

[11] 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．

[12] 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．

[13] 王曉崗,張 星,李 靜,等.開放實驗教學管理研究[J]. 實驗技術與管理,2013,29(4):155-157.

[14] 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]．計算機教學，2010(2)：119-121．

[15] Watts J S, Strogatz S H. Collective dynamic of small-world networks[J]. Nature,1998,393(6684):440-442.

Research of Opening Experimental Construction for Course Group of Computer Organization and Architecture

CHIZong-zheng,HOUGang,LAIXiao-chen,RENZhi-lei,HUIHuang,LIDa-kui

(School of Software, Dalian University of Technology, Dalian 116621, China)

By summing up the opening experimental construction content since 2011 of our school, the coexistence of traditional experiment teaching in class and opening experimental teaching are proposed, which both take care of popular education and the innovative talents cultivation. A study is made on how to balance the basic and comprehensive experiment and make them promote each other. New communication method via Wechat and Wechat platform is established. It makes the students and teachers closer. The hierarchical and task-driven experiments arouse the students’ interest. From all aspects, the opening experiment brings the outstanding innovative talents cultivation into practice.

opening experimental teaching; WeChat; complex network; software engineer

2015-02-27

國家自然科學青年基金(61403057);中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助(DUT15QY53)；遼寧省教改項目(UPRP20140893,UPRP20140851);大連理工大學教改基金(ZX201521，MS201558)

遲宗正(1984-)，男，山東青島人，博士在讀，工程師，主要從事計算機組成原理實驗、嵌入式綜合實驗以及數字與模擬電路實驗的教學及實驗平臺管理工作。

Tel.:13591169937;E-mail：czz.dut@163.com

任志磊(1984-)，男，河北石家莊人，博士，講師，研究方向為：軟件工程、啟發(fā)式算法。

Tel.:13610863182;E-mail：ren@mail.dlut.edu.cn

G 642.0；G 642.4

A

1006-7167(2016)01-0150-05