“計算機組成原理”實驗課程虛擬仿真教學模式探索

關展鵬

關鍵詞：計算機組成原理；虛擬仿真實驗；線上教學

1引言

“計算機組成原理”實驗課程是高等院校計算機及相關專業一門重要的專業基礎課程，在計算機硬件相關課程體系中起著承上啟下的作用[1]；同時，在新工科建設背景下，其也是大數據、人工智能專業的基礎課程，屬于新工科建設的重中之重[2]。學生系統地了解了計算機各功能部件的邏輯組成與運行機制，形成了計算機整機概念[3]。本課程由理論課和實驗課2個環節構成。實驗課程從計算機的各個組成部件出發，驗證計算機的工作原理，旨在幫助學生理解計算機各功能部件的邏輯組成與運行機制，形成計算機整機概念，提高學生研究復雜工程問題的能力。

在實踐“計算機組成原理”實驗課程的教學過程中，我們起初采用傳統的實驗箱（唐都教儀的TD-CMA），遇到了如下挑戰。

（1）實驗箱功能雖多但硬件結構復雜，每一個實驗都需要消耗一定的學時講解實驗箱的原理，對于總共16學時的實驗課而言時間緊迫。

（2）在實驗箱配套的教程中，大部分實驗都是簡單驗證課堂所講內容，缺少讓學生進一步設計和創作的平臺。

（3）從投資回報的角度來看，實驗箱已使用超過10年，設備陳舊，存在故障的箱子日漸增多，既影響學生的上課體驗，也影響教學效果。同時，學生出于好奇，在實驗期間進行一些探索性的嘗試，往往可能給設備帶來新的故障。

（4）由于實驗箱的管理需要，學生的實驗操作只能在實驗課室進行，課后要再練習或者實踐創意幾乎不可能。同時，在特殊時段的線上教學期間，師生均無法進入實驗室開展實驗。

針對問題（1），在備課期間，事前錄制實驗箱相關的教學視頻，供學生提前預習，并熟悉實驗箱的構成和實驗涉及的操作內容，從而縮短課堂上講解實驗箱原理的時間，留足時間給學生實踐。但是，針對問題（2）～（4），只能通過探索新的實驗教學模式來解決。從計算機專業學生快速適應軟件操作的特點出發，結合本課程的系統設計，本文引入了開源軟件DS-VLAB虛擬仿真實驗系統。該軟件不依賴任何實驗箱，學生只要1臺計算機就可進行實驗。經過一個學期的實踐，實現了“計算機組成原理”實驗課程教學大綱所涉及的所有實驗教學，學生能隨日寸隨地實踐創意，并錄制實驗操作視頻，達到了令人滿意的效果。

2DS．VLAB虛擬實驗系統簡介

DS-VLAB是一款開源的網絡虛擬實驗軟件，采用GPL開源許可協議。該軟件既可單機運行，也能以B/S方式運行，以便在課內課外、校內校外進行全時空教學[4]。DS-VLAB自帶虛擬的常用數字功能器件（例如，74LS181的4位ALU．74LS274鎖存器、RAM6116存儲器等），并提供邏輯門電路、基本元件（開關、指示燈等），以及虛擬的時序發生器，可以進行全加器、運算器、存儲器、控制器、簡單模型機、微程序設計等10個典型實驗[5]，還可以根據需要自己設計實驗和實驗電路。上述便捷功能使得在線上開展實驗課程成為可能。如圖1所示，在算術邏輯單元的實驗中，為學生提供部分完成的實驗電路圖，由學生自行補充合適的元器件和連接線路，完成實驗電路圖，并開啟虛擬仿真系統，進行ALU各種計算功能的驗證。DS-VLAB還支持電路圖的導人導出，便于保存工作進度，檢查實驗結果。

3基于虛擬仿真系統的實驗課程開展

借助DS-VLAB虛擬實驗系統，圍繞“計算機組成原理”實驗課程進行了線上版本的重新設計。在原有教學大綱的前提下，為了讓學生通過軟件逐步了解計算機各個部件的工作原理，對實驗內容進行重新安排和優化。具體如表1所列。

4虛擬仿真實驗示例

在使用實驗箱進行教學的過程中，學生先后了解了基本運算器和靜態隨機存儲器的功能，但是并沒有很好地對二者進行協同工作的實驗。因此，在參考DS-VLAB作者的“總線與微命令實驗”的基礎上，設計出運算器與存儲器的綜合實驗（圖2），將ALU、存儲器通過總線連接在一起，完成數據的輸入、存儲、讀出、運算、保存結果等操作，既讓學生加深了對這2個部件協同工作的理解，也使學生提前熟悉了微指令的概念，從而為后續進一步學習控制器功能和設計的相關章節打下良好基礎。另外，根據學生學情，有針對性地布置實驗視頻的作業，讓學生一邊操作，一邊講解，然后錄制屏幕生成交付物。通過對3個班實驗視頻的觀察，學生能正確理解實驗原理，準確連線，并且能夠自信講解實驗的過程和步驟，收效甚佳。

5結束語

經過一個學期的課程實踐可見，在“計算機組成原理”實驗課程中引入虛擬仿真實驗系統是一個實用性很強的補充教學手段。類似于DS-VLAB的實驗軟件，其能夠提高實驗開展的靈活性，改善學生上實驗課的體驗。由于可以隨時隨地開展實驗，激發了學生的興趣，讓學生能夠投入更多的時間和精力去探索與思考，很好地解決了傳統實驗教學方式存在的問題。