計算機(jī)組成原理實(shí)踐教學(xué)的設(shè)計與探研

　　摘要：計算機(jī)組成原理課程是計算機(jī)專業(yè)的非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，而它的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)在整個課程的學(xué)習(xí)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(shè)計與研究的各個方面，包括實(shí)踐內(nèi)容的設(shè)計、教學(xué)方法的改進(jìn)以及考核體系的完善等方面。通過一系列的設(shè)計和研究在實(shí)際的教學(xué)過程中取得了良好的效果，較好地提高了學(xué)生的實(shí)踐動手能力和創(chuàng)遣性。

　　關(guān)鍵詞：計算機(jī)組成原理;實(shí)踐教學(xué);教學(xué)方法;實(shí)踐項(xiàng)目;設(shè)計

　　計算機(jī)組成原理課程是計算機(jī)專業(yè)的非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是為數(shù)不多地偏重于硬件的一門課程。它介紹了計算機(jī)硬件系統(tǒng)中各大部件的組成結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計方法以及如何互連構(gòu)成整機(jī)的相關(guān)技術(shù)，是計算機(jī)專業(yè)核心的課程之一，也是后續(xù)的體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等課程的重要基礎(chǔ)。因此該課程學(xué)習(xí)的好壞將直接影響學(xué)生專業(yè)水平的高低。然而該課程內(nèi)容相對枯燥，如果純粹靠理論課的講解，而缺乏感性的認(rèn)識，很難將這門課程學(xué)得很透徹。但是盡管該課程也有配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)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(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來，這顯然沒有達(dá)到實(shí)驗(yàn)本身應(yīng)該起到的作用。因此有必要通過對該課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行合理的設(shè)計和研究，使學(xué)生對計算機(jī)各部件之間的聯(lián)系、控制信號的作用有著深刻的理解，建立起整機(jī)的概念，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

　　1、設(shè)計科學(xué)合理的實(shí)踐項(xiàng)目

　　根據(jù)大綱的要求，本課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)分為兩部分，即實(shí)驗(yàn)課環(huán)節(jié)和課程設(shè)計環(huán)節(jié)。其中實(shí)驗(yàn)課為12學(xué)時，課程設(shè)計時間為一周。根據(jù)實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)課主要做4個實(shí)驗(yàn)，包括運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路(4學(xué)時)、存儲器應(yīng)用(4學(xué)時)、總線傳輸(2學(xué)時)、微程序控制器(2學(xué)時)，而課程設(shè)計則主要完成模型整機(jī)的設(shè)計任務(wù)，這是一個綜合性設(shè)計性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(jī)的五大部件都有直觀的認(rèn)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(yàn)一是運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的目的主要是使學(xué)生了解運(yùn)算器的組成、掌握運(yùn)算器的各種算術(shù)邏輯運(yùn)算功能的具體實(shí)現(xiàn)。運(yùn)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(yàn)采用了驗(yàn)證性為主的教學(xué)方案，給出較詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)步驟，包括具體的接線方法，做實(shí)驗(yàn)之前老師進(jìn)行半小時左右的講解，使學(xué)生利用邏輯電路搭試板搭建圍繞運(yùn)算器的數(shù)據(jù)通路，然后對運(yùn)算器進(jìn)行各種算術(shù)邏輯運(yùn)算操作。

　　實(shí)驗(yàn)二是存儲器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的目的主要是實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘箤W(xué)生了解存儲器的組成、掌握字?jǐn)U展和位擴(kuò)展的電路組裝方法和存儲器的讀寫方法， 存儲器采用的是6116SRAM芯片。由于已經(jīng)有了前一次實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)， 對所用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和相關(guān)芯片基本熟悉，因此對該實(shí)驗(yàn)采用了設(shè)計應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)方案，給定實(shí)驗(yàn)要求、方案，實(shí)驗(yàn)電路框圖，實(shí)驗(yàn)的具體接線方法及實(shí)驗(yàn)步驟由學(xué)生自行設(shè)計，在完成接線圖及實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計之后，在邏輯電路搭試板上利用相關(guān)芯片和導(dǎo)線構(gòu)建存儲器的數(shù)據(jù)通路，調(diào)試后進(jìn)行存儲器的讀寫測試， 完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

　　實(shí)驗(yàn)三是總線傳輸實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的目的是使學(xué)生了解總線傳輸基本概念，掌握數(shù)據(jù)在存儲器和運(yùn)算器這兩個模塊之間的傳遞方法和過程。該實(shí)驗(yàn)同樣給出要求、方案和實(shí)驗(yàn)電路框圖，具體接線圖和實(shí)驗(yàn)步驟由學(xué)生自行設(shè)計，最后在邏輯電路搭試板搭建相應(yīng)實(shí)驗(yàn)電路，完成數(shù)據(jù)在存儲器和運(yùn)算器之間的傳輸。

　　實(shí)驗(yàn)四是微程序控制器實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘箤W(xué)生理解微程序控制器的概念，并掌握機(jī)器指令和微指令的輸入方法，通過對示例程序進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行理解微程序控制器的工作原理，為后面的課程設(shè)計打下一定的基礎(chǔ)。

　　課程設(shè)計是一個整機(jī)實(shí)驗(yàn)，也是本課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中最重要的部分，設(shè)計目的是培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力和實(shí)際動手能力，屬于綜合性設(shè)計性實(shí)驗(yàn)。要求根據(jù)給定的整機(jī)框圖，自行設(shè)計、調(diào)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(xiàn)的10余條機(jī)器指令，然后采用這10幾條機(jī)器指令編制一個具有具體功能的小程序，并調(diào)試運(yùn)行，觀察運(yùn)行過程和結(jié)果。設(shè)計完成后根據(jù)要求撰寫課程設(shè)計報告，要求對設(shè)計過程進(jìn)行闡述并進(jìn)行總結(jié)。

　　2、改進(jìn)教學(xué)方法，調(diào)動學(xué)生的積極性

　　設(shè)計好合理的實(shí)踐項(xiàng)目后，還需要進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)方法，以充分調(diào)動學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性，變被動為主動。在做第一個實(shí)驗(yàn)時，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(yàn)究竟要做什么東西，達(dá)到什么樣的要求。在講授中， 著重介紹電路的設(shè)計思路， 并對實(shí)驗(yàn)中用到的相關(guān)芯片的功能和引腳作一定介紹，為接線打下基礎(chǔ)，然后讓同學(xué)們自己按照實(shí)驗(yàn)連線圖完成數(shù)據(jù)通路的搭建，并按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)過程中盡量引導(dǎo)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(shù)據(jù)信號是如何進(jìn)行傳輸?shù)�，為什么要按照書上的�?shí)驗(yàn)步驟去操作，如果步驟之間順序進(jìn)行調(diào)整會出現(xiàn)什么情況，還能不能得到正確結(jié)果， 原因是什么等等。通過這種教學(xué)方式，使學(xué)生對于組成原理的實(shí)驗(yàn)不再感到害怕和無從下手，對實(shí)驗(yàn)的原理和操作都有著感性的認(rèn)識，從而對接下來的實(shí)驗(yàn)充滿興趣。

　　從第二個實(shí)驗(yàn)開始，學(xué)生基本上了解了數(shù)據(jù)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(shè)計電路了。此時主要采用講授和啟發(fā)式相結(jié)合的教學(xué)方法。在實(shí)驗(yàn)課上，老師可以先簡要介紹實(shí)驗(yàn)的目的、要達(dá)到的實(shí)驗(yàn)效果，然后讓學(xué)生自己根據(jù)電路原理圖設(shè)計連線方法和操作步驟， 自己動手接線和操作，進(jìn)而完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)過程中，指導(dǎo)老師可以留意一些特別突出的學(xué)生，進(jìn)行“個性化” 培養(yǎng)，鼓勵他們參加學(xué)校組織的各類電子競賽，申報學(xué)校的大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目，讓他們的才能得到充分的發(fā)揮和展示。

　　經(jīng)過這樣的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)之后，可以充分培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力和動手能力， 使學(xué)生從被動接受知識轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃荧@取知識，極大地調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。同時加深了學(xué)生對于核心知識點(diǎn)的認(rèn)識與理解，反過來對于課堂教學(xué)效果的提高也有較大的幫助。

　　3、完善實(shí)踐環(huán)節(jié)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(yàn)結(jié)果的驗(yàn)收，指導(dǎo)老師對每組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢查和驗(yàn)收，并做好記錄。同時在做實(shí)驗(yàn)的過程當(dāng)中，老師也應(yīng)注意和學(xué)生多交流，盡量跟蹤了解每個學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，這也是實(shí)驗(yàn)考核的重要參考依據(jù)。其次是實(shí)驗(yàn)成績的評定方法。根據(jù)實(shí)際情況將實(shí)驗(yàn)成績分為4個檔次：優(yōu)、良、中、差，主要根據(jù)學(xué)生的現(xiàn)場表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報告綜合評定。

　　其中現(xiàn)場表現(xiàn)占60%，具體考查學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的掌握，設(shè)計和接線能力、創(chuàng)新能力以及操作的熟練程度等方面;實(shí)驗(yàn)報告占40%，具體考察報告的組織結(jié)構(gòu)、文字表達(dá)、實(shí)驗(yàn)過程的描述分析、圖表的規(guī)范性以及個人總結(jié)等方面。

　　4、結(jié)束語

　　實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是大學(xué)教育中不可缺少重要組成部分，是培養(yǎng)大學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)和有效途徑。因此對實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行精心設(shè)計和研究，努力提高實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)效果，是非常必需的。通過上述對于計算機(jī)組成原理課程實(shí)踐教學(xué)的設(shè)計，在實(shí)際的教學(xué)過程中取得了良好的效果，學(xué)生的實(shí)踐動手能力和創(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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