計算機組成原理實(shí)踐教學(xué)的設計與探研
摘要：計算機組成原理課程是計算機專(zhuān)業(yè)的非常重要的專(zhuān)業(yè)基礎課，而它的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節在整個(gè)課程的學(xué)習中占有重要的地位。本文主要介紹了對于該課程的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行科學(xué)的設計與研究的各個(gè)方面，包括實(shí)踐內容的設計、教學(xué)方法的改進(jìn)以及考核體系的完善等方面。通過(guò)一系列的設計和研究在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中取得了良好的效果，較好地提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng )遣性。
關(guān)鍵詞：計算機組成原理;實(shí)踐教學(xué);教學(xué)方法;實(shí)踐項目;設計
計算機組成原理課程是計算機專(zhuān)業(yè)的非常重要的專(zhuān)業(yè)基礎課，也是為數不多地偏重于硬件的一門(mén)課程。它介紹了計算機硬件系統中各大部件的組成結構、工作原理、設計方法以及如何互連構成整機的相關(guān)技術(shù)，是計算機專(zhuān)業(yè)核心的課程之一，也是后續的體系結構、操作系統等課程的重要基礎。因此該課程學(xué)習的好壞將直接影響學(xué)生專(zhuān)業(yè)水平的高低。然而該課程內容相對枯燥，如果純粹靠理論課的講解，而缺乏感性的認識，很難將這門(mén)課程學(xué)得很透徹。但是盡管該課程也有配套的實(shí)驗教學(xué)內容，但實(shí)際情況下絕大部分學(xué)生很難將理論知識和實(shí)驗有機地結合起來(lái)，這顯然沒(méi)有達到實(shí)驗本身應該起到的作用。因此有必要通過(guò)對該課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節進(jìn)行合理的設計和研究，使學(xué)生對計算機各部件之間的聯(lián)系、控制信號的作用有著(zhù)深刻的理解，建立起整機的概念，培養學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。
1、設計科學(xué)合理的實(shí)踐項目
根據大綱的要求，本課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節分為兩部分，即實(shí)驗課環(huán)節和課程設計環(huán)節。其中實(shí)驗課為12學(xué)時(shí)，課程設計時(shí)間為一周。根據實(shí)際情況，實(shí)驗課主要做4個(gè)實(shí)驗，包括運算器數據通路(4學(xué)時(shí))、存儲器應用(4學(xué)時(shí))、總線(xiàn)傳輸(2學(xué)時(shí))、微程序控制器(2學(xué)時(shí))，而課程設計則主要完成模型整機的設計任務(wù)，這是一個(gè)綜合性設計性的實(shí)驗項目。這些實(shí)驗項目隨課程進(jìn)度安排在不同階段進(jìn)行，這樣可使學(xué)生對計算機的五大部件都有直觀(guān)的認識和深刻的理解，從而促進(jìn)對課程講授的理論知識的理解。
實(shí)驗一是運算器數據通路實(shí)驗，該實(shí)驗的目的主要是使學(xué)生了解運算器的組成、掌握運算器的各種算術(shù)邏輯運算功能的具體實(shí)現。運算器采用的是 74LS181芯片，其他輔助芯片還有74LS 24 4、74LS273、74LS373等。由于學(xué)生對所用芯片和操作步驟不是很熟悉， 因此對該實(shí)驗采用了驗證性為主的教學(xué)方案，給出較詳細的實(shí)驗方案和實(shí)驗步驟，包括具體的接線(xiàn)方法，做實(shí)驗之前老師進(jìn)行半小時(shí)左右的講解，使學(xué)生利用邏輯電路搭試板搭建圍繞運算器的數據通路，然后對運算器進(jìn)行各種算術(shù)邏輯運算操作。
實(shí)驗二是存儲器應用實(shí)驗，該實(shí)驗的目的主要是實(shí)驗目的是使學(xué)生了解存儲器的組成、掌握字擴展和位擴展的電路組裝方法和存儲器的讀寫(xiě)方法， 存儲器采用的是6116SRAM芯片。由于已經(jīng)有了前一次實(shí)驗的經(jīng)驗， 對所用的實(shí)驗設備和相關(guān)芯片基本熟悉，因此對該實(shí)驗采用了設計應用型實(shí)驗為主的教學(xué)方案，給定實(shí)驗要求、方案，實(shí)驗電路框圖，實(shí)驗的具體接線(xiàn)方法及實(shí)驗步驟由學(xué)生自行設計，在完成接線(xiàn)圖及實(shí)驗步驟的設計之后，在邏輯電路搭試板上利用相關(guān)芯片和導線(xiàn)構建存儲器的數據通路，調試后進(jìn)行存儲器的讀寫(xiě)測試， 完成實(shí)驗任務(wù)。
實(shí)驗三是總線(xiàn)傳輸實(shí)驗，該實(shí)驗的目的是使學(xué)生了解總線(xiàn)傳輸基本概念，掌握數據在存儲器和運算器這兩個(gè)模塊之間的傳遞方法和過(guò)程。該實(shí)驗同樣給出要求、方案和實(shí)驗電路框圖，具體接線(xiàn)圖和實(shí)驗步驟由學(xué)生自行設計，最后在邏輯電路搭試板搭建相應實(shí)驗電路，完成數據在存儲器和運算器之間的傳輸。
實(shí)驗四是微程序控制器實(shí)驗。該實(shí)驗目的是使學(xué)生理解微程序控制器的概念，并掌握機器指令和微指令的輸入方法，通過(guò)對示例程序進(jìn)行調試運行理解微程序控制器的工作原理，為后面的課程設計打下一定的基礎。
課程設計是一個(gè)整機實(shí)驗，也是本課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節中最重要的部分，設計目的是培養學(xué)生的綜合設計能力和實(shí)際動(dòng)手能力，屬于綜合性設計性實(shí)驗。要求根據給定的整機框圖，自行設計、調試出包括立即尋址、直接尋址、間接尋址等尋址方式的采用微程序控制方式實(shí)現的10余條機器指令，然后采用這10幾條機器指令編制一個(gè)具有具體功能的小程序，并調試運行，觀(guān)察運行過(guò)程和結果。設計完成后根據要求撰寫(xiě)課程設計報告，要求對設計過(guò)程進(jìn)行闡述并進(jìn)行總結。
2、改進(jìn)教學(xué)方法，調動(dòng)學(xué)生的積極性
設計好合理的實(shí)踐項目后，還需要進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)方法，以充分調動(dòng)學(xué)生做實(shí)驗的積極性，變被動(dòng)為主動(dòng)。在做第一個(gè)實(shí)驗時(shí)，采用老師講授為主的教學(xué)方法。首先要把電路原理框圖講清楚，讓學(xué)生弄明白本次實(shí)驗究竟要做什么東西，達到什么樣的要求。在講授中， 著(zhù)重介紹電路的設計思路， 并對實(shí)驗中用到的相關(guān)芯片的功能和引腳作一定介紹，為接線(xiàn)打下基礎，然后讓同學(xué)們自己按照實(shí)驗連線(xiàn)圖完成數據通路的搭建，并按照實(shí)驗步驟進(jìn)行操作，完成實(shí)驗內容。實(shí)驗過(guò)程中盡量引導學(xué)生深入理解各控制信號對于芯片工作所起的作用，地址信號和數據信號是如何進(jìn)行傳輸的，為什么要按照書(shū)上的實(shí)驗步驟去操作，如果步驟之間順序進(jìn)行調整會(huì )出現什么情況，還能不能得到正確結果， 原因是什么等等。通過(guò)這種教學(xué)方式，使學(xué)生對于組成原理的實(shí)驗不再感到害怕和無(wú)從下手，對實(shí)驗的原理和操作都有著(zhù)感性的認識，從而對接下來(lái)的實(shí)驗充滿(mǎn)興趣。
從第二個(gè)實(shí)驗開(kāi)始，學(xué)生基本上了解了數據通路、控制信號等等基本概念，對常用芯片的功能也比較清楚，因此可以重點(diǎn)讓學(xué)生自行設計電路了。此時(shí)主要采用講授和啟發(fā)式相結合的教學(xué)方法。在實(shí)驗課上，老師可以先簡(jiǎn)要介紹實(shí)驗的目的、要達到的實(shí)驗效果，然后讓學(xué)生自己根據電路原理圖設計連線(xiàn)方法和操作步驟， 自己動(dòng)手接線(xiàn)和操作，進(jìn)而完成實(shí)驗內容。實(shí)驗過(guò)程中，指導老師可以留意一些特別突出的學(xué)生，進(jìn)行“個(gè)性化” 培養，鼓勵他們參加學(xué)校組織的各類(lèi)電子競賽，申報學(xué)校的大學(xué)生創(chuàng )新基金項目，讓他們的才能得到充分的發(fā)揮和展示。
經(jīng)過(guò)這樣的實(shí)驗環(huán)節之后，可以充分培養學(xué)生的綜合設計能力和動(dòng)手能力， 使學(xué)生從被動(dòng)接受知識轉變?yōu)橹鲃?dòng)獲取知識，極大地調動(dòng)了學(xué)生學(xué)習的積極性。同時(shí)加深了學(xué)生對于核心知識點(diǎn)的認識與理解，反過(guò)來(lái)對于課堂教學(xué)效果的提高也有較大的幫助。
3、完善實(shí)踐環(huán)節考核體系
要提高實(shí)踐教學(xué)的效果，考核體系也必須配套跟上。首先是對實(shí)驗結果的驗收，指導老師對每組的實(shí)驗結果進(jìn)行檢查和驗收，并做好記錄。同時(shí)在做實(shí)驗的過(guò)程當中，老師也應注意和學(xué)生多交流，盡量跟蹤了解每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗情況，這也是實(shí)驗考核的重要參考依據。其次是實(shí)驗成績(jì)的評定方法。根據實(shí)際情況將實(shí)驗成績(jì)分為4個(gè)檔次：優(yōu)、良、中、差，主要根據學(xué)生的現場(chǎng)表現和實(shí)驗報告綜合評定。
其中現場(chǎng)表現占60%，具體考查學(xué)生對實(shí)驗原理的掌握，設計和接線(xiàn)能力、創(chuàng )新能力以及操作的熟練程度等方面;實(shí)驗報告占40%，具體考察報告的組織結構、文字表達、實(shí)驗過(guò)程的描述分析、圖表的規范性以及個(gè)人總結等方面。
4、結束語(yǔ)
實(shí)踐教學(xué)環(huán)節是大學(xué)教育中不可缺少重要組成部分，是培養大學(xué)生專(zhuān)業(yè)素質(zhì)的重要環(huán)節和有效途徑。因此對實(shí)踐教學(xué)環(huán)節進(jìn)行精心設計和研究，努力提高實(shí)踐教學(xué)環(huán)節的教學(xué)效果，是非常必需的。通過(guò)上述對于計算機組成原理課程實(shí)踐教學(xué)的設計，在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中取得了良好的效果，學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng )造性都得到了較大的提高，這對他們今后走向工作崗位也是非常有幫助的。
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