计算机组成原理课程实验教学探讨与实践

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摘要：针对计算机组成原理课程理论性强，抽象，学习难度大等问题，阐述对该课程实验教学环节的教学设计以及实践措施，探讨使课程教学的理论和实践紧密结合的具体实现方式。从实验课程的理论教学内容的设置、实验教学内容的设置，实验教学过程的设计以及实验教学方法等方面，对实验课程的内容和教学方式进行介绍，并结合实验教学的效果进行了归纳总结，以期为计算机组成原理实验的教学提供指导。

关键词：计算机组成原理；实验教学；教学内容；教学过程；教学实践

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）09-0160-02

Discussion and Practice on the Experiment Teaching of the Course of Principle of Computer Organization

LI Ling-hua

（College of Computer Science and Engineering， Dalian Nationalities University， Dalian 116600， China）

Abstract： There are some problems in the teaching of the course of principle of computer organization， such as the strong theorization， the abstractness and the great difficulty to learn. To solve those problems， the teaching design and practice measures in the experiment teaching of the course are stated， and the implementation to closely combine the theory and the practice of the course teaching is explored. The contents and teaching methods of the experiment course are introduced from the aspect of the setting of the theoretical teaching content， the setting of the experimental teaching content， the design of the experiment teaching process， and the method of the experiment teaching. And it is summarized combined with the effect of experiment teaching in order to provide guidance for the experiment teaching of the course of principle of computer organization.

Key words： principle of computer organization； experimental teaching； teaching content； teaching process； teaching practice

1 问题的提出

《计算机组成原理》课程是高校计算机相关专业本科生必修的一门核心专业基础课程，在整个专业课程中具有重要的地位。进行年来，计算机技术无论在软件还是在硬件方面都得到了飞速的发展，计算机系统在人们生产、生活的各个领域都得到了越来越多的应用。《计算机组成原理》课程为这些应用提供了必不可少的基础理论。然而，我们不得不面对这样一个实际情况，那就是《计算机组成原理》课程偏向于计算机硬件，其理论性强，抽象，学习难度大。而我校的教学定位于培养应用型人才，因此，计算机相关专业的学生普遍存在着重视软件相关知识的学习，而轻视硬件相关知识的学习的心理及现状。如何通过课程实验教学的合理组织与安排，达到提高学生学习的主动性，培养学生学习的兴趣，提高课程教学的效果的目的，是一个需要迫切解决的问题。本文结合课程理论教学的实践，从实验课程的理论教学内容的设置、实验教学内容的设置，实验教学过程的设计以及实验教学方法等方面，对实验课程的内容和教学方式进行介绍，并结合实验教学的效果进行了归纳总结，以期为《计算机组成原理》课程实验教学提供思路和借鉴。

2 课程理论教学内容的设置

《计算机组成原理》课程的教育目标定位于使学生掌握单CPU计算机的组成原理与内部运行机制，包括计算机系统的基本组成与结构，计算机硬件的功能部件的组成及工作原理，为学习理解高级语言编写的程序如何被执行的过程和原理提供理论基础。具体教学要求如下：

1）理解各大部件互连构成整机系统的技术以及计算机系统的概念性结构和功能特性。

2）理解单CPU计算机的完整硬件组成、基本运行原理、内部运行机制。

3）能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析，并能对一些基本部件进行简单设计。

4）在知识、能力两方面都得到提高。

课程理论课的教学内容按照冯・诺依曼结构划分，包括：

1）计算机中的数据表示和运算方法，包括：定点数的表示和运算、浮点数的表示和运算；

2）计算机中的运算器部件，包括：算术逻辑单元、定点运算器结构、浮点运算器结构；

3）存储系统，包括：存储系统的层次结构、主存储器、高速缓冲存储器、其他形式的高速存储器、虚拟存储器系统、辅助存储器；

4）总线，包括：总线信息传输、总线的工作方式、总线仲裁、总线标准；

5）指令系统，包括：指令格式、寻址方式、指令类型；

6）控制器，包括：控制器的功能和基本结构、指令的执行过程、微程序控制器、硬布线控制器；

7）输入/输出系统，包括：设备、输入/输出接口、输入/输出信息传送控制方式。

3 课程实验教学内容的设置

实验教学内容按照理论教学进程安排，以单元实验为主，每一章节的理论教学内容都对应安排相应的实验教学内容，并再最后安排一次贯穿课程全部内容的综合性实验内容。理论课教学内容与实验项目对应关系如表1所示。

如表1所示，《计算机组成原理》课程的实验由三大类构成，即验证性实验、设计性实验和综合性实验。验证性实验、设计性实验和综合性实验的构成比例为4：3：1。实验内容与理论教学内容紧密结合，目的是加深学生对理论知识的理解。同时，通过合理地安排实验教学过程，培养学生的基本设计能力和实践能力。通过合理的设计教学内容和形式，既帮助学生对计算机硬件系统的各组成部分的结构原理和工作过程有了充分的理解，又提高了学生的学习兴趣，取得了良好的教学效果。

4 实验教学过程的设计与实验教学方法

不同实验性质的实验内容采用不同的教学过程的设计和教学方法。

1）验证性实验的教学过程和教学方法

验证性实验的教学过程包括：学生课前预习，实验课前检查实验内容及要求的讲解实验原理的讲解及实验芯片的介绍操作步骤讲解及示范学生动手实验，教师个别辅导答疑实验验收，评定验收成绩。

2）设计性实验的教学过程和教学方法

设计性实验的教学过程包括：学生课前预习，实验课前检查实验内容及要求的讲解课程理论教学相关原理的回顾实验方法的讲解学生进行实验过程的设计学生设计成果检查学生动手实验教师实验总结实验验收，评定验收成绩。

3）综合性实验的教学过程和教学方法

综合性实验是将前面几个实验中的单元电路组合在一起，构成一台简单的模型计算机。使用的单元电路主要包括运算器、存储器，以及微程序控制器。实验模型机是用微程序控制器实现数据通路的控制，通过执行由机器指令组成的简单程序体现模型机的功能。其教学过程包括：学生课前预习，实验课前检查实验内容及要求的讲解课程理论教学相关原理的回顾模型机工作原理以及操作步骤的讲解操作示范学生动手实验，教师个别辅导答疑实验验收，评定验收成绩。

最后，通过验收成绩和实验报告成绩，综合给出课程实验成绩。

5 结束语

近五年的教学实践表明，《计算机组成原理》实验教学调动了学生做实验的积极性，使学生在实验过程中能主动上手，将抽象的理论知识进行了具体又直观的展示，使理论教学内容得到了形象化和具体化，有利于理论内容的消化理解，有效地提高了学生分析问题、解决问题以及动手实践的能力。

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