“计算机组成原理实验”研究性教学的探讨

文章编号：1672-5913(2008)20-0100-04

摘 要：本文介绍了笔者自己在“计算机组成原理实验”研究性教学实施过程中的体会，同时总结经验，改进不足，以便逐步完善和推广研究性实验教学。

关键词：计算机组成原理；研究性教学；创新人才

中图分类号：G642 文献标识码：B

研究性教学是教师以课程内容和学生的实际知识架构为基础，以转变学生的学习方式为目的，使其由要我学，变为我要学，从而引导学生自主地发现问题、研究问题和解决问题。在此过程中使其积累知识并强调一种主动探索和创新实践的精神，着眼于传授给学生终身受用的学习能力。但是，开展研究型教学受办学条件、生源质量、师资水平、考核改革、院校政策、教师待遇等诸多条件的影响，不同院校、院系、专业、课程、年级的差异往往较大。因此，如何从学生实际出发，以学生为本，依据课程特点开展研究性教学，提高教学质量，让每个学生都有所收获，是我们高校教师值得探索的问题。

本期学校首次举行了研究性教学比赛，比赛程序是首先参赛教师上报教学实施方案；方案通过后经学校督导团教师现场听课4次；学生填写调查表；召开学生座谈会听取学生的反馈意见；召开教师座谈会，参赛教师进行汇报总结；最后，督导团教师汇总经综合评定给出结果。笔者是全校22名参赛教师中唯一上实验课的，经过一个学期的努力，所上的“计算机组成原理实验”课获得了督导团和学生的好评，排名第一。下面笔者从6个方面谈谈自己的体会，借此机会与教师们共同探讨研究性教学的实施；同时总结经验，逐步完善和推广研究性教学，让更多的学生受益。

1 “计算机组成原理实验”研究性教学的实施体会

(1) 课前准备充足，制定详尽的教学方案

研究性教学的重要特征是改变学习方法，使学生由被动学变为主动学。它更多注重的是教学的组织。因此教师在开课之前必须做好充分准备，考虑教学的各个环节，制定详尽的教学组织方案。

计算机组成原理是一门专业基础课，在计算机整个课程体系中起着举足轻重的作用。具有知识面广、内容多、抽象、枯燥、难理解等特点，而我们开设的计算机组成原理实验课就是针对这些来帮助学生解决问题的。我们要达到的教学目标是通过本期实验使学生掌握以下技能：理解CPU的组成及各组成部分的工作原理，牢固建立整机概念；CPU的设计调试方法；EDA工具软件的使用；软件仿真的技能；文档资料的总结及论文的写作技能。

依据教学目标，开课前我们制定了详尽的教学方案并建立了相应文档资料库，内容包括：教学大纲、课程运行图、实验项目一览表、课表、实验组织管理办法、考核方式、各模块的讲稿(部分含FLASH演示案例、PPT等)、实验中学生遇到的问题(暂时空，每次实验时及时记录并整理)、每次实验总结(暂时空，每个实验完后及时总结)、测试安排、学生反馈意见调查表(全部实验完后学生填写，从中听取学生意见，以便下次改进)、教学总结(课程完后及时总结)。有句话说得好：“不打无准备的仗。”只有准备充分了，我们才有可能上好一门课，特别是实验课。

(2) 改变传统实验方法，自主研发实验设备，开发实验项目，自编教材

实验方法的研究是研究性教学的一个重要部分，实验教师应在实验教学过程中不断探索，要及时把最新技术传授给学生。先进的实验方法能吸引学生，使学生紧跟时代步伐，掌握最新知识。在计算机组成原理实验教学中，传统的方法是利用已经全部做好的CPU各个组成部件的计算机模型实验系统来实验的。学生只需按要求连线，拨动开关就能完成实验。这种实验方法使得很多学生对实验过程不求甚解，只求结果，缺乏对实验的主动思考的能力，这样做实验无法达到我们的预期教学目标。

随着EDA技术的发展，传统实验方法必须改进。是否可以通过数字电路实验、计算机组成原理实验等基础硬件实验让学生掌握最新的技术呢？基于以上考虑，我们研制并动手制作了DDA-I型实验箱，并开发了相关实验项目，编写并出版了教材。自己研制的实验箱是依据课程实验的要求而设计的，简单明了，只需花几分钟的时间就能让学生掌握它的使用方法，实验的开设具有自己的特色，能吸引学生，设备维护也简单方便，总体来说能达到我们的教学目标。

(3) 实验内容安排及对学生的要求体现层次性，给通才定规则，给天才留空间

研究性教学应强调对于不同层次的学生提出不同的要求，也就是说给通才定规则，给天才留空间。在教学过程中，我们会在第一次的课堂上把实验课的相关事宜(内容、组织方法、要求、考核等)告之学生。对于教学内容要求学生分为三个层次掌握：一般基本要求，较高要求，以及更高要求。其中基本要求是让学生掌握一个简单的模型机的工作原理及设计；较高要求是实现教材中给定的模型机，并在此基础上有所改进(如增加指令等)；更高要求是用多种方法实现并改进模型机的功能。我们会鼓励学生提前完成基本内容并依据自己能力实现较高要求或更高要求，并对于这些同学有相应鼓励机制(免测试、最后实验成绩加分、推荐参加SIT、竞赛等)，以此带动全班同学对该门实验课程学习的气氛。这样的安排，能让各层次的学生依据各自的兴趣与能力完成实验，让每个学生都有成就感，树立学生的信心，激发他们的学习兴趣。

(4) 改变教学观念，坚持“以教师为主导，学生为主体”的原则

研究性教学强调学生在掌握基本知识的同时，要挖掘其研究与创新的潜力。教师作为引导者应尊重学生，精心发现学生的潜在能力。要做到这一点，教师要充分了解每个班的每位学生。可以通过多接触、多谈心、多融洽的方式了解学生的兴趣，学习习惯，接受能力，理解水平，个别差异，弄清每个班的整体差异和特点，然后才能“以学论教”和“因材施教”。例如针对不同层次的班有不同的教学方法，对不同学生准备不同问题等。这样才能让学生对你有信任感，并让学生从思想上认识到努力学习的重要性，从而引导他们立足于为自身的发展而学，使其从要我学，变为我要学。

本期上了3个班的课，学生层次有很大差别。其中一个班是成教生。成教生普遍基础较差，学习态度也不是很认真。对待这样的学生一定要有耐心，适当把要求降低。特别是第一次的实验不能太难，在教师的指导下大多数同学应能做出来，并让做出来的学生充当小老师去指导其他学生。这样，对前者是鼓励而对后者来说也不会有畏惧感。完成实验后教师要及时表扬学生，让每位同学都有成就感，认为自己还行，不是太差，这样他们就会对以后的实验产生兴趣，以便我们能顺利指导他们完成以后的实验，达到教学目的。另外2个班是计算机通信专业的本科生，而通1班(19名同学选修此课)学习积极性高，每次实验总有6、7位同学能提前验收。对这些学生，我们在课堂上及时表扬，并要求他们最后的模型机实验中机器指令集要改，而且要用不同的方法实现。及时的表扬以及对他们提出的更高要求更加激励了他们的学习兴趣，课余时间经常见他们泡在实验室，有时忘记了吃饭。在他们的带动下，全班同学你追我赶，学习气氛相当浓厚。最后实验中班上大多数同学达到较高要求，全班三分之一的同学用两种或两种以上的方法实现了CPU。这次教学给我感触很深，学生的潜力是相当大的，看我们教师怎样去挖掘，用心去教总会让你很感动。

总之，教学中坚持以“教师为主导，学生为主体”的原则，通过研究性教学，提高学生独立获取知识的能力，为以后的学习和发展奠定基础。在此过程中，作为教师应鼓励学生通过不断体味、不断探索，从而获取新知识，培养科学研究的精神。

(5) 教学过程的摸索，推行开放与半开放相结合的教学模式

开展研究性教学的目的就是要提高教学质量，让更多的学生收获更多。如何达到目标这需要每位教师在自己的教学中主动摸索，积累经验，找出最有效、最适用的方法。依据“计算机组成原理实验”课程的教学目的以及该课程的特点我们采用了半开放的实验教学模式：课堂上教师只是启发性的讲解组成CPU的各模快的工作原理，其余部分全部由学生独立完成，实验过程中要求他们把自己实验过程中遇到的问题以及对这些问题的思考、解决方法及时记录在实验日志中，培养学生自主的发现问题、独立思考、独立研究的习惯。学生每人一组独立实验并根据自己的实际能力除在规定的上课时间内完成必做的14个实验项目外，还有9个实验项目可供选做，完成选做项目者可适当加分。实验室全天开放，学生除上课时间外可自由来实验室做实验。任课教师除上课时间外，每周还安排了多次答疑时间。

实验中的模块我们只给出框图，其具体内容要求自己用电路图或VHDL硬件描述语言完成。另外，学生也可以完全抛开所给的框图全部重新设计。在编译调试过程中遇到困难尽量由学生根据所学理论知识自己解决，并记录在实验日志中，让教师充分了解每位学生的实验情况。在每个模块部分我们还安排了障碍让学生修改，提高他们的实验兴趣。实验内容的安排遵循验证与设计相结合、注重基础、突出应用的原则。实验严格遵循课前预习、课堂训练、课后准备、实验调试(实验日志记录)、验收、测试的实验环节。做到课上课下相结合，切实培养学生的实践能力。

在教学实际操作过程中，学生实验技能和动手能力的差异较大，我们的宗旨是让所有同学通过实验课程的学习，各自的实践与动手能力都有所提高。不能只注重对好学生的培养，还应注重学习接受能力差一点的学生，半开放式的实验教学模式能顾及到各个层面的学生。课堂上我们针对多数同学讲解基本知识要点，要求多数学生完成指定任务。接受能力差一点的学生可在课余时间内来实验室，老师会耐心给予个别辅导，使他们能够完成实验任务，这样也会有成就感，树立自信心。对于优秀学生，课余时间也可以来实验室，教师会给他们提供一个最大限度的能力发挥空间，对学生提出更高的设计要求，并在考核中给予适当加分以资鼓励，增进实验兴趣。

(6) 依据教学目的，制定多元化的考核方式

考核是检查和评价教学质量的重要手段，采取何种考核方式是研究性教学的一个重要组成部分。相对理论教学，实验课的评价有其特殊性。对实验成绩的考核，单纯的操作考试与单纯的笔试(口试)都有其片面性。前者尽管能直接检测学生的实际操作能力，但毕竟考试时只能涉及到一个实验内容，考核评分很难把握，主观因素不可避免；后者考试内容虽然广泛，但有可能导致学生死记硬背实验原理及相关内容，达不到实验目的。因此，为了对教学质量和学生成绩有一个真实的评价，我们要因课制宜，依据不同实验课程的特点以及我们的教学目的制定多元化的综合考核方式。

“计算机组成原理实验”的成绩评定贯穿于课程开始直至课程结束全过程，每个环节我们都有跟踪记录。考核成绩由每个实验项目的课堂训练(电路的软件设计及仿真)、硬件调试、实验文档(预习报告、实验日志、实验报告)、平时开放时间的实验情况和两次测试等部分组成。具体如下：

① 实验总成绩(100%)=平时成绩1{实践操作总成绩(综合考查课堂训练+实验操作验收，含验收时的答辩)40%}+平时成绩2{预习报告总成绩10%+实验日志及实验报告总成绩30%}+测试成绩(20%)

其中实践操作总成绩、预习报告总成绩、实验日志及报告总成绩(下全简写为总成绩)计算公式如下：

总成绩= 第I次实验成绩=

说明：

：占实验总成绩的比。即“实验验收操作总成绩”为40%；“预习报告总成绩”为10%；“实验日志总成绩”为30%。

：第I次实验比重(百分比)。即：

：第I次实验成绩(百分制)。ABCD等级制需要折算成百分制。

实验考核表格中的项目设置：

课堂训练、实验验收：等级法表示，例：A等=0.9, B等=0.8，C等=0.7, D等=0.6。

预习报告、实验日志及实验报告、测试成绩：百分制。

每次实验完，我们及时将跟踪记录的各项成绩登陆到下表，图1为一个实验项目的实验成绩，各模块实验以及测试结束后得出学生最终成绩，图2为最后的总成绩：

图1

图2

② 文档资料的总结以及论文写作能力的培养是我们的教学目的之一。引导学生重视写好报告，训练学生掌握论文、研究报告和写作要求，使得总结材料具有条理性和科学逻辑性。为了达到目标，我们提高了实验文档资料整理在考核中所占比例，由原来的30%提升为40%，并采用任务驱动式教学，培养学生分析问题、解决问题的能力。具体措施是“预习―日志―报告”三环相接。

实验预习是实验顺利完成的前提条件，我们要求学生的预习工作包括实验原理部分的叙述，要求用自己的语言简要说明原理知识的关键点，学生必须多花时间认真思考，才能对书本上的知识点进行加工处理，写出简明扼要的原理说明。

实验日志是我们实行的新举措。记实验日志能很好地反映实验的全过程，对学生顺利完成设计任务起了很大的作用，对提高分析和解决问题的能力也很有帮助。在调试中，不断地回头动手找原因并把这一过程记录下来，不仅培养了同学的耐心和相互之间的沟通能力，也培养了他们严谨、细致、坚持不懈的科学态度和良好的科研习惯。我们要求学生按时间顺序主要记录：实验进行中(包括课上与课后)发现的问题、遇到的问题、解决方法(必做)；回答实验教材中以及教师课堂上提出的思考题(必做)；学生由实验中的某部分引申开去，结合背景知识提出的一些看法(选做，老师视情况给予加分)；最后是实验感受和体会(必做)。实验日志是实验成功的咽喉，它将贯穿于整个实验阶段，体现学生实际实验的情况，是学生独立实验的一项重要证明。我们要求学生认真对待，并给出手写稿。这样，一方面，学生课内课外动手做实验，就会主动去发现问题，主动去解决问题，并经过思考，及时记录下来，有利于实验特别是大型设计的顺利完成。这一举措吸引了学生主动走入实验室，并带动了同学之间相互讨论问题的浓厚的学习气氛。另一方面，也让教师更多地了解每位同学的真实的实验情况，给出更加真实的考核成绩。

③ 实验测试的安排是为了督促并让全体同学都能掌握基本知识点与基本技能。其中一次测试安排在综合性实验项目微程序控制器中，要求学生写出实验中每条微指令的代码，因为代码如何形成是本次也是整个CPU实验的关键。第二次实验测试是一个综合性的测试，安排在最后的模型机实验中，具体要求如下：对每位同学给出不同的题目，学生必须依据所给题目稍稍修改电路、编写测试程序、最后下载到实验箱调试出正确的结果，演示并附加说明讲解给教师听。这种方式的测试大大减少了学生之间抄袭实验的恶习。其中对于每位同学所给的不同题目是题库自动生成的，而题库的设计者则是上届实验做得好的并推荐进行SIT计划的同学。本期实验测试正式启用，效果良好，减轻了教师出题的负担，提高了效率。

④ 对于能提前完成规定实验项目或能完成较高要求、更高要求实验内容，以及有一定创新思想的学生，给予适当加分或免实验测试等鼓励措施，并以实验综合成绩作为课程学成绩。

由于“计算机组成原理实验”的实验项目环环相扣，外加严格的实验考核，引起学生对实验的重视，前面没做好会影响到后面的实验效果。多元化的考核方式使得学生的学习由被动变主动，同时学生的实践能力得到良好的培训和锻炼，综合素质和创新精神也有很大提高。

2 总结与改进

课程结束后，我们分发了问卷调查表，书面征求学生们的建议和想法。学生普遍认为这门实验课的内容安排由浅入深、系统性较强、各模块环环相扣，使得初学者能够

一步一步在清晰的思路下完成，同时又能吸引他们继续深入，最终完成CPU的设计与实现。当他们看到每一步指令的执行结果在数码管上显示出来时，那种喜悦的心情无法用言语表达。有位学生在他的实验报告中写过这样的体会：计算机组成原理实验是我进大学后做过的“最痛苦”、“最耗时”、“最快乐”、“最难忘”的实验。实验中我们采用的“预习―日志―报告”三环相接的方法以及手写日志、报告及实验测试方法便于让学生对实验理解得更加透彻，很大程度上减少了实验抄袭现象，实验室的开放又极大地方便了同学细心钻研实验内容。很多学生反映这门课的实验方法锻炼了独立思考的能力，使他们能够自主地查找资料进行实验，特别是教师先让他们尝试如何设计实验，最后才为他们讲解。这种实验的方法是值得肯定的，大学正是要培养这种自主学习、独立思考的能力。

通过问卷调查，我们也发现了不足之处，下面对此进行总结，希望以后的教学中能有所改进。

① 排课时间安排不合理：本期由于计算机通信专业实验课程较多，实验课因为是三节连上，部分班级只能安排在早上7：30-9：40，导致迟到现象常有发生；而排在中午的课12：50-15：10，学生和教师的精神都不是很好，特别是夏天；

② 有部分学生反映写报告花的时间太多；这个问题我们考虑过，鉴于计算机组成原理实验实际上是完成一个大型的CPU设计实验，它的系统性、连贯性较强，因此决定下期实验报告要求学生子模块报告可简化，即省略目的、实验器材等，原理部分用语言简单总结即可，步骤可浓缩在波形仿真说明中。最后的模型机调试实验再要求学生写份完整的报告。实验日志部分不能缺少，这样可以适当减轻学生负担。

③ 由于学院改革，部分理论课程的相关课程实验安排在实验室上，占用了较多实验室资源，使得开放的时间相对少了些。针对这个问题，实验室正在开发预约系统，希望系统运行时能有效利用实验室资源。

④ 近期实验室又研制了DDA-III型实验箱，准备新安装QUARTUS软件。下期计算机组成原理实验课准备让部分学生用新软件和新实验箱完成实验，让他们掌握更多的知识。

3 结束语

研究性教学的开展促使教师主动去探索并关注教学的各个环节，更重要的是改变了传统的教学理念。实践教育的一个非常重要的特征是学生积极主动地学习，教师传授给学生的是方法，是终身受用的学习能力。我们还将继续对计算机组成原理实验的研究性教学以及它的“软件、硬件”进行进一步探索，和广大的教师、学生一起共同探讨，完善和推广研究性教学，提高教学质量，让学生收获更多。

参考文献

[1] 方恺晴．关于提升“计算机组成原理实验”课程教学质量的探讨[J]．实验室研究与探索，2008，(3):97-100.

[2] 田虹．本科研究性学习能力的培养[J]．吉林省教育学院学报，2006，(3).

“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”