基于計算機系統結構實驗課程的仿真教學研究

胡振穩

摘 要：為了提高計算機系統結構實驗課程的教學質量，結合多年的教學經驗，采用了計算機系統實驗課程的模擬器，本文首先分析了為什么要采用虛擬仿真來完成實驗教學，然后結合具體的實驗項目設置，有力闡述了怎樣在實驗課程中用虛擬仿真模擬器來進行教學的開展，最后分析了基于仿真教學的優勢，為不斷提高學生的動手能力和老師的教學水平起到了良好的促進作用。

關鍵詞：實驗教學 虛擬仿真 系統結構

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（c）-0221-03

Abstract： In order to improve the teaching quality of experimental course of computer architecture， combined withyears of teaching experience， using a computer system experiment simulator， this paper analyzes why to finish the experiment teaching using virtual simulation， and then expounds how to carry out a powerful set of teaching in the course of the experiment with virtual simulator with specific experimental projects finally， analyzes the advantages of simulation teaching based on the ability to continuously improve the teaching level of teachers andstudents played a good role in promoting.

Key Words： Experiment teaching； Virtual simulation； System structure

2012年3月13日，教育部印發了《教育信息化十年發展規劃（2011-2020）》，提出要利用先進網絡和信息技術，整合資源，構建先進、高效、實用的高等教育信息基礎設施，開發整合各類優質教育教學資源，推動信息技術與高等教育深度融合，創新人才培養模式。可見提升教育的信息化水平已是本科教學改革的趨勢和方向，虛擬仿真技術的教學應用是高等教育信息化建設的重要舉措，如何將其深度融合進本科教學體系，重新構建更利于教師教、學生學的新型的、基于教育信息化的本科教學課程就是高校教育教學研究的重要課題。

本課程是我們計算機學院軟件工程專業一門重要的專業方向課，通過本課程的學習，使學生了解和掌握計算機系統結構基本原理和方法，掌握計算機系統的基本設計思路，能夠讓學生比較全面地掌握計算機系統結構的基本概念、基本原理、基本結構和基本分析設計方法，建立起計算機系統的完整概念。與C語言、編譯原理、數據結構等先修課程的內容相呼應，加深理解，提升層次，進一步形成軟件工程專業知識架構。

本課程的教學目標是掌握計算機系統結構的基本概念，掌握定量分析的基本方法；理解指令結構的分類及指令結構設計中應考慮的各種因素；掌握流水線的基本概念、分類以及性能分析，理解MIPS流水線；掌握流水線中的各種沖突以及解決方法；理解向量處理機及其性能評價；理解多級存儲層次，掌握Cache的基組成及工作原理，掌握改進Cache性能的方法；掌握輸入與輸出系統的基本概念以及廉價磁盤冗余陣列RAID；掌握多處理機系統的兩種存儲結構模型、互連網絡知識；掌握有關機群系統的基本概念、機群的基本結構以及機群的特點和分類。

當然，這門課程的教和學的過程中都存在不少困難，很多理論原理用傳統的教學法難以讓學生有效地理解，怎樣將體系結構課程中那些抽象難懂的主題以生動清晰的方式展現在學生面前，讓學生可以與這些主題中的流程動態交互的方式來學習，是這門課程教學中的一個挑戰。虛擬仿真器（即模擬器）就成為解決這一挑戰的有力工具。

1 虛擬仿真實驗項目的設置

在國外著名大學的教學中都借助了這樣的手段，誕生了許多這樣的模擬器工具，在國內設計的模擬器中，有目共睹的是同濟大學的張晨曦教授開發的一套體系結構模擬器算是國內同類模擬器中的佼佼者。在我們的教學使用中也發現它簡單易用，原理展示清晰，基本能滿足我們的教學需求。通過實驗項目的訓練，如表1所示，深刻加深學生對計算機系統結構的基本概念、基本原理、基本結構的理解，掌握計算機系統性能評價的各種方法和實現流水線結構的基本實現技術。

2 虛擬仿真實驗的優勢分析

本課程實驗教材為2015年清華大學出版社出版的張晨曦教授主編的《計算機系統結構實踐教程》的第二版，經過一學期的學習與訓練，清晰認識到了引入虛擬仿真技術，對提升教學效果具有非常重要的作用。

（1）促進理論課程教學方式的轉變，不再是老師一味的講述，而是變成了師生共同發現問題，解決問題這樣一種討論式的學習模式，有效降低理論課程的教學難點，極大了提高了學習效率與教學質量。

（2）促進實驗課程結構的改善，不但可以讓學生課前模擬實驗操作，初步找準實驗教學的難點，有力增加課堂真實實驗的成功概率，還可以把多個驗證性實驗課時進行整合，為提高型、綜合性實驗提供完整的實施路徑，為擴展性實驗提供良好平臺。

（3）促進多學科的理論知識的整合，不斷完善學生的知識結構，并能在仿真平臺上構建不同參數，實施不同模擬方案，反復操作感悟，加深理解，達到課程資源的建設的更加完善，增強實踐類、綜合類課程的作用，為精品課堂、翻轉課堂、慕課建設等教學改革發展提供推動力。

綜上所述，不難看出虛擬仿真技術在計算機系統結構實驗課中的積極作用，不僅能使理論與實踐課程相結合，提高課堂教學效果，而且能夯實整個計算機專業知識體系結構，進一步提高學生的解決問題能力和知識創新能力，也能促進本科教學質量的穩步提高。

3 結語

計算機體系結構是計算機本科專業中一門承上啟下的重要的專業課，能夠把計算機組成原理、操作系統、編譯原理、匯編語言等課程中所學的軟硬件知識有機地結合起來，有利于建立起計算機系統的完整概念。結合近些年的教學實踐經驗，深入探討了虛擬仿真技術在本課程實驗教學中的應用方法，虛擬仿真技術能極其顯著地提高教學的效果，給師生帶來輕松簡便的學習感受，當然實踐中還需進一步加強虛擬仿真技術與教學的深度融合，改進不足之處。

（致謝：本文得到了黃岡師范學院省級實驗教學示范中心教學研究項目的大力支持，項目名稱：計算機系統結構實驗的虛擬仿真技術研究。）

參考文獻

[1] 國家中長期教育改革和發展規劃綱要工作小組辦公室，國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）[Z].2010.

[2] 張晨曦，李江峰，劉依，等.計算機系統結構實踐教程[M].2版.北京：清華大學出版社，2014.

[3] 祖強，魏永軍.國家級虛擬仿真實驗教學中心建設現狀探析[J].實驗技術與管理，2015，32（11）：156-158.

[4] 杜振軍，桑國明.基于Web的虛擬仿真器在《計算機體系結構》本科教學中的應用[J].教育教學論壇，2016（42）：179-181.

[5] 劉為滸，郝佩佩，黃驥.虛擬仿真技術在本科教學中的應用研究[J].中國農業教育，2016（3）：91-96.endprint