《計算機組成原理》實驗教學的優(yōu)化及改進

摘要：本文針對當前高校《計算機組成原理》實驗教學的現(xiàn)狀，引入“啟發(fā)-探究”式教學方法，并結合實際教學情況對實驗內容進行了優(yōu)化。實踐證明，優(yōu)化的實驗內容和“啟發(fā)-探究”式教學方法不僅對于提高學生理論水平起到了積極作用，而且提高了學生的動手能力，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維，對于培養(yǎng)應用型人才具有一定的現(xiàn)實意義。

關鍵詞：計算機組成原理；實驗教學；“啟發(fā)-探究”式教學

基金項目：濱州學院教學研究項目（BYJYYB200918）；濱州學院科研基金項目（BZXYG1102）

TP301-4

0.前言

《計算機組成原理》屬于計算機及其相關專業(yè)的專業(yè)基礎課程，更因為被列入計算機專業(yè)考研通考專業(yè)課而愈來愈被學生重視。課程通過對計算機系統(tǒng)概述、總線系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、CPU、控制單元等主要組成部分的深刻解析和具體講授，使學生能夠形象的理解計算機的基本組成和工作原理[1]。

該課程內容抽象，知識點多，邏輯性強，內容有深度，有難度，芯片工作原理難以理解，教師很難形象的講授教學內容 [2]。因此，各高校都會開設實驗課以輔助理論教學。

1.實驗課程教學現(xiàn)狀

目前可供選擇的計算機組成原理實驗箱及實驗資料很多，但是很多學生普遍感覺理論課與實驗課像兩條并行的鐵軌，無法有機地聯(lián)系起來。在實際應用中一遇到計算機硬件便一片茫然，無從下手，考研中的設計題更是得分率低。綜合考慮主要存在以下問題：

（1） 課程銜接不良

計算機組成原理的先修課包括電子技術、數字電路、模擬電路等。很多高校計算機專業(yè)的學生著重于編程的訓練卻在硬件電路方面知識薄弱，對于《計算機組成原理》中涉及的電路知識無法理解，致使計算機內部基本部件之間的構成原理及實現(xiàn)方法很難被學生理解，更無法對各大部件進行相關的設計。

（2） “傻瓜式”實驗模式

大部分高校使用的《計算機組成原理》實驗箱都采用集成化設計，實驗箱上集成了計算機的基本功能模塊，只是預留一些關鍵的信號線及總線供學生連接[3]。實驗指導書只提供實驗內容及實驗步驟，對于相關原理介紹甚少，對于數據流如何流動及相關時鐘分配無詳細介紹。

學生按照實驗指導書進行操作，機械地接線、撥動相應開關或做其它操作，直到看到實驗結果，如果出現(xiàn)結果錯誤或做不出結果，不會查找故障，更不知如何解決[4]。

（3） 實驗內容與理論教學脫節(jié)

目前的試驗箱可提供多種多功能試驗，廠家提供的配套實驗指導書中大多是單個模塊的驗證性實驗介紹，綜合性、設計性實驗很少。單一的驗證性實驗無法使學生建立一個“整機”的概念，實驗內容與理論教學及考研大綱也存在一定出入。

總之，針對使《計算機組成原理》的實驗課真正達到輔助教學的目的，無論在優(yōu)化實驗內容還是改進教學方法等方面均需要積極探索和研究。

2.課程的優(yōu)化和改進

2.1設計安排更科學合理的實驗教學內容

首先，依據理論教學大綱和考研大綱，在原有的基礎驗證性實驗基礎上，增加若干設計性或綜合性實驗，輔助學生深入理解計算機內部各大部件之間如何工作，數據流如何流動，指令如何運行，時鐘如何分配等。例如，設計一臺硬連線的模型機，包括機器指令的設計，即指令格式，微指令流程圖，相關控制信號，分配時序周期，并編寫相應的微程序，使用實驗箱資源，上機調試實現(xiàn)，并提交實驗設計報告。通過實驗，使學生將所學的基礎理論知識模塊和驗證試驗模塊有機地結合起來，形成一個“整體”的概念，了解各個模塊的功能、時鐘和控制信號。其次，根據理論課程進度適時調整實驗項目的順序，依據教學大綱和考研大綱的變化精心設計每次實驗的內容，使實驗目的更明確，前后實驗內容能夠有機地銜接起來，讓實驗與理論相輔相成。

2.2引進“啟發(fā)—探究”式教學方法，引導學生自主創(chuàng)新

“啟發(fā)—探究”式教學旨在培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新意識，基本操作程序如下圖所示：

圖1 “啟發(fā)—探究”式教學基本操作程序圖

將此種方法應用于實驗教學，依據實驗的內容和性質將實驗分為三類：驗證性、設計性和綜合性，結合學生整體情況，以“啟發(fā)—探究”式為主，講授演示法、自學指導法等多種教學方法相結合的形式指導學生實驗。

例如針對驗證性實驗，采用講授演示法為主，啟發(fā)式為輔的教學方法。首先主要講解電路結構，電路設計思路；設計中需注意的問題；數據在各個部件之間如何流動，時鐘如何分配等基本知識。然后對于基本操作進行演示，引領學生按照實驗步驟完成基本的實驗要求，幫助學生深入理解各芯片控制信號對于芯片所起的作用，相關器件如何配合工作，使其理解指導書上的實驗步驟的含義。然后，采用啟發(fā)式法進一步提升學生的認識。例如：對于算術邏輯運算單元的實驗，首先按照實驗步驟完成實驗指導書上的操作，然后根據試驗箱的特點要求學生自行完成1+1和1加1的操作，根據結果要求學生思考為何會出現(xiàn)1+1=1和1加1=0這兩種情況，以達到學生對于加法器工作的實現(xiàn)及進位鏈如何進行工作的理解。

經過3個基本驗證性實驗后，學生基本上能夠看懂功能模塊的電路原理圖，會按照實驗指導書做基礎性實驗了。此時，引入設計性和綜合性實驗，主要采用自學指導法和研究式法的教學方法[6]。將教學重點轉移到培養(yǎng)學生自學能力和動手能力上。引導學生自主閱讀和使用實驗指導書，培養(yǎng)他們僅借助手冊就能獨立操作的能力。列出實驗題目，讓學生自己設計電路，設計實驗步驟，編寫程序，然后連線做實驗。協(xié)助學生排除故障，分析解決實驗中所出現(xiàn)的各種問題，并對于最后的設計做出總結評價。

這個階段，個別輔導是主要的教學手段。這個層次的實驗可以培養(yǎng)學生的綜合設計和動手能力，發(fā)散學生的創(chuàng)新思維，使學生從被動接受知識轉變?yōu)樽灾鳙@取知識，學生學習的積極性被極大地調動起來。

2.3注重教學內容的先進性

計算機技術及電子技術的迅速發(fā)展，使各種設備、觀念和內容不斷更新。為了使學生及時關注業(yè)界最新動態(tài)，在組織教學中要及時補充新技術、新芯片、電路設計等前沿知識，并留出適當的學時，組織學生進行討論，比較計算機系統(tǒng)新舊技術的優(yōu)劣特點，暢談自己對于未來計算機系統(tǒng)發(fā)展的展望。

3.結論

實驗教學作為學生親自驗證理論、充實知識，嘗試設計，掌握核心的重要途徑，也是培養(yǎng)應用型人才的實質性內容所在。優(yōu)化實驗內容，改進實驗教學方法，提高實驗教學水平，無疑將對學生的能力培養(yǎng)起到積極有效的作用。

教學實踐證明，《計算機組成原理》實驗課相對于以往教學情況，學生的態(tài)度從過去的敷衍了事變?yōu)榉e極參與，收到了良好的教學效果，有效促進了理論教學。根據近3年上過該課程的學生調查，大部分學生在實踐能力方面有了很大的提高，對于理論知識的掌握也較深入，在考研過程中得分率不斷提高。

參考文獻：

1.唐朔飛.計算機組成原理[M].高等教育出版社.2008

2.劉建英，徐愛萍. 計算機組成原理實驗課教改方案的設計[J]. 實驗室研究與探索.2005[24]：2

3.鄧麗，鄧先瑞.計算機組成原理實驗課程教學研究與實踐探討[J].煤炭技術. 2010[29]：3

4.戚梅，東野長磊.構建計算機硬件實驗教學體系[J].實驗室研究與探索. 2009 [28]：9

5.王誠，宋佳興.教學計算機系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與應用. 2005.12

6.周曉聰.衣楊.賴劍煌.計算機科學與技術專業(yè)綜合實踐課程教學模式探索[J].計算機教育. 2014.1

作者簡介：蘇英（1980- ），女，講師，碩士，研究方向：計算機應用技術endprint