计算机组织与结构课程群开放式实验建设探讨

迟宗正， 侯 刚， 赖晓晨， 任志磊， 惠 煌， 李大奎

(大连理工大学 软件学院 实验教学中心， 辽宁 大连 116621)



计算机组织与结构课程群开放式实验建设探讨

迟宗正， 侯 刚， 赖晓晨， 任志磊， 惠 煌， 李大奎

(大连理工大学 软件学院 实验教学中心， 辽宁 大连 116621)

通过总结我院2011年以来开放式实验建设内容，提出了合理安排课堂实验教学和开放实验教学两种模式并驾齐驱，既能照顾基础一般学生的大众化教育，又兼顾拔高型创新人才的培养；研究了如何将基础实验和拔高型实验互相推进，互相补充，形成良性循环；建立了以微信和微信公众平台为基础的实时联络机制；形成了基于复杂网络理论以学生自由组合为主，教师微调为辅的学生分组策略，学生联系更加紧密，教学效果更加明显；提出了基于软件工程的层次化任务驱动式实验环节安排更能够激发学生兴趣，发挥其主观创新能动性。从各个环节切实践行了因材施教和“卓越创新人才”培养计划。

开放实验教学； 微信； 复杂网络； 软件工程

0 引 言

计算机组织与结构相关课程包括计算机组成原理、体系结构以及系统设计等课程，是计算机相关专业的核心课程，在整个硬件课程体系中，上承数字电路与模拟电路、单片机、电子技术综合课程，下接嵌入式系统结构、嵌入式操作系统、FPGA等课程，地位重要，意义非凡。而且课程具有抽象性强难以理解，学习难度大不易掌握等特点，因而配套相关实验以帮助学生充分理解和掌握[1-3]。由此可见，为助学生打下坚实基础，课程配套实验实践环节非常重要，不容忽视[4-6]。

随着建设创新型国家战略的提出，教育部对研究型大学的人才培养定位提出了更高的要求，如何搭建培养高素质创新人才和卓越人才的平台，成为新时代各大高校教育工作者必须认真研究和探索的问题[7-9]。

大连理工大学软件学院实验教学中心自2011年以来，建设计算机组织与结构课程群开放式实验，将开放式实验与传统课堂实验教学两种模式有机结合，针对不同实验内容合理安排实验形式。将微信等新科技手段，层次化递进式任务驱动教学形式等应用到实际教学中，并研究更加有效的学生分组策略，基础实验内容与开放实验内容关系，开放形式和实验考核方式等内容。在整个教学探索过程中积累了一定的经验，实施过程中取得了较好的效果。

1 合理安排实验形式

1.1 传统观念中实验形式

在传统观念中，实验教学的主体是以教师为中心开展的课堂实验教学，这种教学模式突出了教师的“教”和引导作用，在整个过程中，教师占主导地位，不利于学生的个性发挥和创新能力培养[9-12]。而开放实验教学则是由教师或学生提出实验目标，学生经自主性学习研究、自行设计实验方案并独立完成实验的一种教学方式，此种教学模式以学生为主体，强调学生“自主性学习”和“个性化学习”等创新能力培养[13-14]。

1.2 我院实验形式现状

然而这并非意味着要完全取缔传统的实验模式。对于我院这样学生众多，存在大规模授课的高校，实施全开放式实验势必存在一些问题。我院每届学生将近800人，学生水平有高有低，参差不齐，兴趣与主观能动性也不尽相同，完全以开放式实验教学形式进行会导致部分基础较差，能力一般的学生打起退堂鼓，如此反而效果一般。而且基础实验一般都分成多次进行，如果完全开放，学生可能每次实验课预约的时间段不尽相同，负责的任课教师更是无法固定，学生的课堂表现分数和当堂成绩，以及学生的总成绩汇总都会有诸多不便。最重要的由于无法固定负责教师，学生的成绩一旦出问题，牵扯面较广，且责任很难落实到人。

1.3 最终实践的实验形式及成效

鉴于以上原因，我们针对现状，提出把基础实验教学与开放实验教学有机融合，对计算机组成原理实验和计算机体系结构实验两门基础实验中的熟悉实验设备环节等不需给定成绩的实验内容和拔高型计算机系统设计实验采取预约式开放形式；而前两门基础实验中的需要评定当堂实验操作成绩的实验内容依然采取大规模传统课堂实验教学形式。学生可以根据自己的兴趣和时间进行开放式实验，在开放实验中实现学生的个性化培养；在传统课堂实验教学中实现普适教育。如此两种教学形式有机结合，既照顾了基础一般学生的大众化教育，又兼顾了拔高型创新人才的培养。我院自2011年以来一直采用预约开放式及传统课堂实验教学形式相结合进行实验教学，在实践的过程中，学生能够更加合理安排自己的时间，有的学生也可以将周六、周日整块时间投入到实验中，创新设计产出大大高于传统实验形式。

2 依托新科技，建立新式联络机制

2.1 传统联络机制

传统的教师与学生的联络机制，教师将自己的讲课课件、授课视频、实验效果演示视频、参考资料的等上传至FTP供学生下载观摩学习，学生必须借助电脑才能完成下载和学习。教师与学生的联系方式也由最初的电话升级到QQ、QQ群，联系方式的多样化拉近了教师和学生之间的距离，大大提高了教学效果。

2.2 伴随新技术的新式联络机制

然而伴随着科技的进步，智能手机等移动设备的普及，且大学生作为一个年轻群体，注重时尚、先进的高科技产品，几乎每个大学生都拥有一部或多部智能移动终端。近年来伴随微信、微信公众平台等工具的出现，传统的教学模式、联络方式已经无法引起当代大学生的兴趣。

因此，我们提出针对基础实验课程，建立“理工软院之计算机组成原理实验”微信公众平台，将其余课程的学生采用同一个平台下的分组管理，如图1所示。通过平台向选择对应课程的学生下发实验讲课视频、PPT、每次实验操作针对性的注意事项，并通过平台与学生进行互动答疑，移动智能端设备界面如图2所示。针对小规模拔高型计算机系统设计实验建立(自2011年来，学生人数分别在27,19,14,14名不等，人数少，需要更加灵活管理)微信群。微信群较QQ群的好处是，微信能够在手机后台自启动，因此学生能够实时收到所发内容，而QQ群只有登录QQ客户端才能收到消息，比较而言，微信群更加灵活，时效性更强。

2.3 新式机制的成效

(1)学生通过关注计算机组成原理微信公众平台，获取每堂实验课要点、难点内容，课上进入状态快，少走弯路，能够快速理解和完成实验内容。另外，根据学生实验报告册最后实验心得体会以及课下向学生调查统计，95%以上的同学为借助计算机组成原理微信公众平台推送预习要点信息这种新教学方式点赞，其中真正能够实时查看、学习推送内容并从中获益的有70%以上。

(2)学生借助微信公众平台和仿真系统提前预习演练，能够更加快速准确的完成基础实验内容，并留有足够精力探索研究扩展提高实验内容。数据统计，2013～2014年度计算机组织与结构实验共13个班，作者承担8个班，目前关注人数目前为385人。作者所承担班级每次课基本都有40%～60%的同学有时间和精力去尝试选做内容，而未关注平台和使用仿真系统的班级，上课进入状态慢，基本只有5%～15%的同学去尝试选做内容。

图1 微信公众平台管理界面

图2 智能移动端界面

3 基于复杂网络的分组策略

3.1 分组机制现状

对于拔高型计算机系统设计开放实验，多以设计性、综合性和创新性实验为内容，且以学生未经过统一学习的VHDL作为开发语言，伴以软件工程模式要求进行设计和实现，工作量大，任务繁杂。因此为保证学生的完成度和完成质量，保持学生完成设计的积极性，课程多以分组的形式进行。

自2011年以来，我们对学生的分组进行了多种形式的尝试，最终确定以复杂网络理论为基础的分组策略。2011年，因为是第1年开展开放实验教学，为保持学生的积极性和任务的完成度，我们安排学生以5或6人为一组，经过1年下来，通过平时的课上观察、提问以及最终的答辩考核，发现5或6人一组，项目组成员太多，实际发挥作用的大多是2或3人，其余人员发挥作用甚微，参与度不高，工作量不够，造成组内其他成员心里不平衡，不利于发挥学生的主观创新能动性。因此后续我们基本采用2或3人一组，充分激发组内所有成员的主观能动性，提高实验任务参与度。

3.2 复杂网络理论

在20世纪50年代末，数学家提出了随机网络。在随后40多年的时间里，随机网络一直被认为是描述真实系统最适宜的网络。直到最近几年，科学家们才发现真实世界的网络模型既不是规则网络，也不是随机网络，而是具有统计特征的网络，科学家们称其为复杂网络(complex networks)。自然界中存在的大量复杂系统都可以通过形形色色的网络加以描述。如社会关系网、电力网络、Internet、交通网等等。1967年美国社会心理学家Milgram通过“小世界效应”，提出了“六度分离推断”，即地球上任意两个人之间的平均距离为6，也就是说只要中间经过5个人，就能够跟地球上任何人联系上[15]。这一理论被一些数学家进行了严格的证明。

3.3 基于复杂网络理论的分组机制实践

基于复杂网络理论，对参与拔高型计算机系统设计开放实验学生进行分组，2或3人一组，以学生自由组合为主，辅以教师根据学生的能力、号召力和沟通能力加以微调。通过此分组方法，学生的每个组内都有业务水平高、带头作用显著、沟通能力强的成员。如此执行，不至于有的组因为基础都一般而完成不了实验任务，也不至于闭门造车，与其他组无任何交流。通过后续几年的实践，该开放课程的每组成员都能按照教师的引导，自行确定题目和设计，最终通过编程实现，目前已将多组成员完成内容申请计算机软件著作权，分组机制完成的“基于TEC-XP实验箱的多级CPU系统”软件著作权已经申请成功，证书还没有到手。

4 基础实验教学与拔高开放教学的良性循环

在我院，计算机组成原理实验和计算机体系结构实验为基础实验，计算机系统设计开放式实验为此两门课程后续的拔高型实验。前两门实验每届选课人数在800人左右，而计算机系统设计开放实验隶属创新个性化培养课程，选课原则上是由基础实验课内完成较好的学生参与，每届选课人数在20人左右。

我院基础实验内容设置包括4次验证性实验、1次演示性实验和4次设计性实验，其中设计性实验内容层层递进，由简到难，且通过实验，学生了解了简单的VHDL语言，这为学生参与后续计算机系统设计开放实验打下坚实基础；而且在开放实验中不断成熟的设计性内容，又可以“反哺”到基础实验教学中，提升基础实验教学档次，基础实验教学内容等级提升，又会提高开放式实验入门台阶，如此形成良性循环，提高教学内容的水平和质量。

另外开放实验学生在完成自己设计的过程中发现现行实验设备的不足，通过研究原设备扩展接口，通过自行设计、画图、制板完成实验仪器扩展模块，进而应用到基础实验教学中，大大提高了基础实验教学的效果，学生通过提高型计算机系统开放设计性实验内容，指出现用TEC-XP实验箱存在的不足，设计和制作配套扩展实验板升级改造实验箱以满足实验需求，制作的扩展板如图3所示。

图3 六十进制计数扩展板

5 递进式任务驱动开放实验教学

在2011年开放式实验初建立时，实验指导过程分离：由理论课教师指导阐述理论内容，FPGA教师指导VHDL语言内容，实验教师指导实验环节，且采用整体项目驱动式教学。

软件学院最理想的教学模式是将软件工程思想融入到教学的各个环节，提前培养学生的软件工程意识，让他们明白软件工程并不只是简单的编写代码。为响应我院“软件卓越工程师”培养计划，我们在计算机系统设计开放实验中要求学生以软件工程的思想，完成实验任务需求分析、可行性分析、概要设计、详细设计以及编码实现，并针对各个环节编写相关文档。

教师从中以分层次递进式任务驱动的方式，由简到难、层层递进的引导学生完成实验任务。培养学生模块化设计，模块化调试。由最初的存储器设计、ALU设计逐渐添加其他总线模块、堆栈模块、指令流水功能，进而实现带指令流水的计算机整机系统。分层次递进式任务驱动之计算机系统系统开放设计实验能够循序渐进的引导选课学生设计出模型机，相比较而言，基于软件工程的层次化任务驱动式实验环节安排更能够激发学生的兴趣，发挥其主观创新能动性。

6 开放形式和考核安排

计算机组成原理实验和计算机体系结构实验中的基础实验教学环节，采取基础课堂教学模式，由教务统一安排学生上课时间。学生成绩的统计内容包括：实验预习、课堂实验操作、课堂纪律表现，课后测验以及实验报告等多方面综合评定。

而拔高型计算机系统设计开放式实验教学环节，采取开放式实验教学模式，由任课教师与学生进行预约式上课，学生通过完成预习，考核合格后方可进行实验时间和实验设备预约。学生成绩统计内容包括：课前预习、课堂纪律表现、实验效果演示、实验文档与最终答辩等多方面综合评定。总之，针对不同实验内容和学生采取不同授课和考核方式，能够提高教学效果，切实践行因材施教和“卓越创新人才”培养计划。

我院于2012年开始实行新的考核形式，通过增加课前预习考核评价学生实验资格、课堂检查评定学生实验操作情况以及课后期末考核最终评价学生的总体掌握情况，提高了学生预习的积极性，能够督促学生保质保量的完成实验内容，掌握实验步骤与目的。

7 结 语

通过总结大连理工大学软件学院2011年以来开放式实验建设内容，探讨了如何合理安排课堂实验教学模式和开放实验教学模式并驾齐驱，两种模式并存，既照顾了基础一般学生的大众化教育，又兼顾了拔高型创新人才的培养，而且基础实验和拔高型实验能够互相推进，互相补充，形成良性循环；充分发挥了科技进步带来的移动设备普及现状，建立以微信和微信公众平台为基础的实时联络机制，联系更加灵活，实时性更强；基于复杂网络理论，建设形成了以学生自由组合为主，教师微调为辅的学生分组策略，学生联系更加紧密，教学效果更加明显；基于软件工程的层次化任务驱动式实验环节安排更能够激发学生的兴趣，发挥其主观创新能动性；有针对性的开放和考核形式安排能够更加准确地对学生能力进行评定，也切实践行因材施教和“卓越创新人才”培养计划。

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Research of Opening Experimental Construction for Course Group of Computer Organization and Architecture

CHIZong-zheng,HOUGang,LAIXiao-chen,RENZhi-lei,HUIHuang,LIDa-kui

(School of Software, Dalian University of Technology, Dalian 116621, China)

By summing up the opening experimental construction content since 2011 of our school, the coexistence of traditional experiment teaching in class and opening experimental teaching are proposed, which both take care of popular education and the innovative talents cultivation. A study is made on how to balance the basic and comprehensive experiment and make them promote each other. New communication method via Wechat and Wechat platform is established. It makes the students and teachers closer. The hierarchical and task-driven experiments arouse the students’ interest. From all aspects, the opening experiment brings the outstanding innovative talents cultivation into practice.

opening experimental teaching; WeChat; complex network; software engineer

2015-02-27

国家自然科学青年基金(61403057);中央高校基本科研业务费专项资金资助(DUT15QY53)；辽宁省教改项目(UPRP20140893,UPRP20140851);大连理工大学教改基金(ZX201521，MS201558)

迟宗正(1984-)，男，山东青岛人，博士在读，工程师，主要从事计算机组成原理实验、嵌入式综合实验以及数字与模拟电路实验的教学及实验平台管理工作。

Tel.:13591169937;E-mail：czz.dut@163.com

任志磊(1984-)，男，河北石家庄人，博士，讲师，研究方向为：软件工程、启发式算法。

Tel.:13610863182;E-mail：ren@mail.dlut.edu.cn

G 642.0；G 642.4

A

1006-7167(2016)01-0150-05