虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

◆張 威

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

◆張 威

（福建農(nóng)林大學(xué) 福建 350002）

本文在對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)和實(shí)踐教學(xué)中存在的實(shí)際問題的分析基礎(chǔ)上，介紹了虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)架構(gòu)，以全加器實(shí)驗(yàn)為例，闡述該系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)組成原理課堂教學(xué)中的應(yīng)用，以及虛擬技術(shù)在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

計(jì)算機(jī)組成原理；虛擬實(shí)驗(yàn)室；教學(xué)；實(shí)踐

0 引言

計(jì)算機(jī)組成原理作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門核心硬件課程，是多門專業(yè)課程之間的過渡課程，具有舉足輕重的地位［1］。該課程又以內(nèi)容多、知識(shí)面廣、難度大、更新快等特點(diǎn)難于教學(xué)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)正好能夠幫助學(xué)生理解與掌握抽象理論，因而在整個(gè)課程學(xué)習(xí)中具有重要作用。

計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的分析、應(yīng)用、設(shè)計(jì)和開發(fā)能力［2］，讓學(xué)生能夠系統(tǒng)的理解計(jì)算機(jī)硬件的工作原理，掌握計(jì)算機(jī)硬件組成與設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)等多方面的技能。為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的任務(wù)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境就必不可少，而礙于傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)室的局限性，對(duì)于一個(gè)操作性強(qiáng)、功能完善、仿真度高、交互性強(qiáng)的可視化計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的需求就日趨迫切。

1 計(jì)算機(jī)組成原理傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)

當(dāng)前對(duì)于計(jì)算機(jī)組成原理這門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室主要是采用定制的實(shí)驗(yàn)箱，學(xué)生按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求步驟進(jìn)行操作連線完成實(shí)驗(yàn)。這樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ诫m然具有直觀性、實(shí)踐性、創(chuàng)造性等優(yōu)點(diǎn)，能夠幫助學(xué)生更好理解和掌握抽象理論，但局限性也是顯而易見的，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于其硬件動(dòng)作的不可見性，學(xué)生對(duì)其執(zhí)行流程以及之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)是不清楚的，也不能對(duì)單元的讀寫時(shí)序和選通信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和查看，就易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)透明度不高，成功率低的結(jié)果。

（2）由于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的經(jīng)費(fèi)有限，此類傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)元器件容易損壞以及老化，實(shí)驗(yàn)成本高，無法滿足逐年增多的學(xué)生需求，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)環(huán)境非常缺乏。

（3）學(xué)生只有在設(shè)備完善的實(shí)驗(yàn)室中才能進(jìn)行整個(gè)實(shí)驗(yàn)，課余時(shí)間就難以進(jìn)行。

（4）由于計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)具有一定連貫性，實(shí)驗(yàn)規(guī)模較大用時(shí)較長，實(shí)驗(yàn)對(duì)象需要專人專用，增大實(shí)驗(yàn)室排課困難。

（5）實(shí)驗(yàn)元器件是否出現(xiàn)故障無法用肉眼識(shí)別出來，需要借助測(cè)試器來檢查，從而當(dāng)電路有問題或調(diào)試過程的除錯(cuò)中就很難判斷是組件問題還是接線問題，造成學(xué)生的學(xué)習(xí)障礙。

（6）如果在接電路時(shí)不小心接錯(cuò)電源或者短路而不知，就會(huì)造成元件損壞更甚者爆裂等。

2 計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)踐教學(xué)中存在的實(shí)際問題

2.1實(shí)踐教學(xué)模式單一

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)踐教學(xué)模式多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，圍繞理論教學(xué)內(nèi)容展開，學(xué)生總是跟著教師的指導(dǎo)或按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中所給接線圖進(jìn)行連線、撥動(dòng)開關(guān)、記錄發(fā)光二極管顯示，采用微程序方法設(shè)計(jì)控制器時(shí)只能編寫微程序，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按統(tǒng)一的模式做相同的實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)踐教學(xué)模式下，缺乏培養(yǎng)創(chuàng)新潛能的實(shí)踐平臺(tái)，教學(xué)效果不理想，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)工作原理的理解不透徹、不全面，不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，不利于培養(yǎng)動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，這對(duì)于技術(shù)性、工程性強(qiáng)的計(jì)算機(jī)組成原理課程來說，顯然是很難達(dá)成課程的教標(biāo)。

2.2實(shí)驗(yàn)室條件不足

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要依托昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室的搭建存在初期投入大，建設(shè)周期長，后期實(shí)驗(yàn)元器耗損量大維護(hù)費(fèi)用高等問題。受實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)的限制，實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量不夠，配套元器件缺乏，只能多人一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；相關(guān)測(cè)試儀器設(shè)備的缺乏，使得學(xué)生無法對(duì)有關(guān)信號(hào)和電路狀態(tài)獲得直觀認(rèn)識(shí)；此外，在同一課堂時(shí)間內(nèi)一個(gè)老師也無法同時(shí)指導(dǎo)到所有實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，影響教學(xué)質(zhì)量，無法高效開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更不用說開展設(shè)計(jì)性和探究性的試驗(yàn)了。

2.3實(shí)踐考核標(biāo)準(zhǔn)不合理

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)包含出勤情況、實(shí)驗(yàn)操作以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告。其中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)操作的成績?cè)u(píng)定主要依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確與否作為標(biāo)準(zhǔn)，很難判定其實(shí)際操作過程中的好壞，而大部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是非開放型的，試驗(yàn)結(jié)果都一樣，導(dǎo)致會(huì)有少數(shù)學(xué)生不愿動(dòng)手，實(shí)驗(yàn)時(shí)敷衍了事；當(dāng)對(duì)較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)采取分組考核的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，也很難對(duì)組內(nèi)每個(gè)成員的實(shí)際工作量進(jìn)行準(zhǔn)確界定，往往每組都有個(gè)別“打醬油”成員，若最終給組內(nèi)每個(gè)成員都評(píng)定為一樣的成績也難免有失公允。另外，占據(jù)實(shí)驗(yàn)課程最終成績比重最大的是每次是要課后上交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，由于是在課堂外完成的，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和結(jié)果亦大相徑庭，就會(huì)有部分學(xué)生抱著僥幸的心理，忽視課堂實(shí)驗(yàn)操作，相互抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告，缺乏實(shí)際探索的動(dòng)力，無法在實(shí)驗(yàn)過程中獲益。

3 虛擬技術(shù)在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1構(gòu)建計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)室

所謂的虛擬實(shí)驗(yàn)室，就是將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化、虛擬化，是基于Web、VR技術(shù)構(gòu)建的一種網(wǎng)絡(luò)化、開放式的虛擬實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)。教師和學(xué)生都可以像在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室一樣搭建實(shí)驗(yàn)案例，操作實(shí)驗(yàn)器材。

計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)室是采用Java Applet技術(shù)、B/S結(jié)構(gòu)，構(gòu)建基于Internet的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。服務(wù)器端的實(shí)驗(yàn)組件庫中是存儲(chǔ)以JavaBean組件形式封裝的各實(shí)驗(yàn)所需元器件。客戶端是采用把Java Applet嵌入瀏覽器中的方式提供實(shí)驗(yàn)者操作所需，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作的運(yùn)行并生成結(jié)果。

3.2虛擬實(shí)驗(yàn)室在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

以全加器實(shí)驗(yàn)為例，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）按照?qǐng)D2搭建實(shí)驗(yàn)，從左側(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備列表中添加所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備到實(shí)驗(yàn)流程面板中，并通過工具欄中的連線將相應(yīng)的器件引腳相連；

（2）打開工具欄上的模擬電源開關(guān)，開始實(shí)驗(yàn)；

（3）分別雙擊開關(guān)，改變Ai、Bi和Ci的值，記錄燈泡變化結(jié)果。

圖2 全加器實(shí)驗(yàn)

由圖2的實(shí)驗(yàn)界面可以看到，實(shí)驗(yàn)設(shè)備列表中的所有元器件都可以由學(xué)生自主選擇、自由搭線，既可以按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書來完成實(shí)驗(yàn)，也可以自由搭建實(shí)驗(yàn)并驗(yàn)證自己的想法。在課堂實(shí)踐教學(xué)中，教師在教師機(jī)上可以通過協(xié)作功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作演示及初步講解；在實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生只要單擊提交實(shí)驗(yàn)就可以將完成的實(shí)驗(yàn)提交給老師，而老師就可以直接在教師機(jī)上查看并給與評(píng)分，可以有效避免那些“打醬油”的學(xué)生。此外，學(xué)生還可以把在課堂中來不及完成的實(shí)驗(yàn)布線圖拷貝回宿舍繼續(xù)完成；若實(shí)驗(yàn)遇到困難，也可以通過該系統(tǒng)發(fā)出協(xié)作請(qǐng)求，此時(shí)如果有在使用該系統(tǒng)的教師或同學(xué)接受了請(qǐng)求，就會(huì)收到求助者的布線圖，指導(dǎo)者可以直接在布線圖上修改，所做的修改也會(huì)實(shí)時(shí)同步到求助者系統(tǒng)上。突破了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)踐教學(xué)在時(shí)間空間條件上的局限性，給學(xué)生一個(gè)創(chuàng)新開放的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3.3虛擬技術(shù)在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

由上述實(shí)例可以看出，計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)室較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室而言有其明顯的特征和優(yōu)勢(shì)，能夠幫助解決實(shí)踐教學(xué)中存在的一些實(shí)際問題，概括為以下幾方面。

（1）成本低。計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)由純軟件實(shí)現(xiàn)，使用虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，這樣就不會(huì)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損耗，可以大幅降低設(shè)備購置、管理和維護(hù)經(jīng)費(fèi)。同時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境可以重復(fù)、無損害地加以利用，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用效率，節(jié)約開發(fā)成本，降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、改造、維護(hù)的資金、時(shí)間和空間成本等。

（2）開放性和共享性。基于Internet的計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，以Java語言開發(fā)，因此只需登錄到用戶界面，客戶端與服務(wù)器之間的通信就可以通過Intemet來實(shí)現(xiàn)，這樣的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無疑是不受時(shí)間和空間限制的。打破了傳統(tǒng)課堂實(shí)踐教學(xué)模式的局限，實(shí)現(xiàn)了資源共享。

（3）自主性。計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)可以通過可視化的方法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀能動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)流程的自主定制。這樣不僅能讓學(xué)生有如在真實(shí)環(huán)境中操作的體驗(yàn)，還能讓學(xué)生在完成已有的特定實(shí)驗(yàn)演示的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新性學(xué)習(xí)研究，自主性更強(qiáng)。

（4）交互性和可控性。計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用戶和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間的交互，學(xué)生可以控制虛擬實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備和器材，避免了由于儀器故障或硬件接觸不良等客觀條件導(dǎo)致的對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，從而使得傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)室中難實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目得以進(jìn)行；學(xué)生亦可實(shí)時(shí)改變實(shí)驗(yàn)設(shè)備的狀態(tài)，獲取準(zhǔn)確的結(jié)果，極大程度上提高了實(shí)驗(yàn)的成功率。

[1]葛桂萍，李云，方宇.計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程體系的改革與探索[J].考試周刊，2015.

[2]賈彥竹，石松，包新月等.計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].合肥師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2016.