开放融合式实验教学方法初探

汪红　刘科　唐菀

摘  要：针对计算机硬件类课程研究内容抽象、前后课程衔接紧密、实验平台构建困难的特点，教学团队根据课程之间的关联性，针对学生理解能力存在差异的现状，将开放实验模式和多方式融合的思路引入课程实验教学环节，通过建立起多门课程知识点之间的相互联系，全方位提升学生对抽象理论知识的理解能力和实践能力。在将该开放融合方式应用于课程教学实践中之后，带来了授课对象的学习积极性及学习效果的显著提升，取得了预期的效果。

关键词：计算机硬件;关联性;开放实验;多方式融合

中图分类号：G642         文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）01-0119-03

Abstract： Owing to the characteristics of computer hardware courses with the abstract content， the tight connection among the courses and the hardship of experimental platform construction， andthe relevance among the courses and the diversity of students' comprehension， the opening experiment model and multi-mode integration are introduced into the experimental teaching. Furthermore， the relationships among the knowledge points of relative courses are established to comprehensively promote the comprehension and practical ability of students. After applying the opening and integrated model into practice， the students' learning initiative and learning effect have been improved obviously and the anticipate teaching effect has been achieved.

Keywords： computer hardware; relevance; opening experiment; multi-mode integration

在教育部新时代高等学校本科教育工作会议精神指导下，各高校围绕“新工科”建设开展了更加深入的教学改革探索，尤其在“融合创新”的工程教育新模式方面进行了不断地尝试。随着顺应“新工科”建设的教学改革的逐渐深入，以及社会对创新型人才的需求，实践环节在高校教学改革中的地位与作用越来越重要，它成为培养学生自主学习能力、实践能力和创新能力的有效手段。计算机学科具有很强的工程性和实践性，同时也具有很宽的延展性，非常适合开展新工科建设的实践。

目前国内外很多高校在计算机学科相关课程的理论及实践教学改革方面进行了广泛深入的研究，积累了丰富的经验。例如MIT等国外高校早在多年前就已经开始要求低年级本科生利用HDL（硬件描述语言）设计与非门、触发器等基础部件，并在数字逻辑和计算机组成原理等课程中加以应用，这种教学方法使学生在计算机系统设计能力方面得到很大程度的提升;国内的清华大学、浙江大学等高校也将贯通式课程理念应用于理论和实践教学环节中，构建一体化的实验教学平台替换传统的分离式实验平台，这些高校在理论及实践教学中所作出的努力，使得学生对计算机学科的相关课程有了更加全面、系统的认识。

借鉴国内外高校的成功经验，针对民族高校应用型专业课程学时较少、生源差异较大等实际情况，在计算机硬件相关课程方面进行融合式实验方法的研究和探索，通过统一实验平台及实验环境使学生掌握课程之间的关联，并在此基础上提升学生对课程的学习兴趣，从而增强对计算机的体系化认识，助力计算机类其他课程的学习，最终使得学生能利用所学知识构建起自己的计算机系统。

一、实验教学改革思路

（一）实践教学现状

计算机学科的核心课程之间具有紧密的联系[5]，但是传统教学过程中通常将课程细化，教师们在授课过程中并不太关注课程间的关联，而只是孤立地讲授自己的课程内容。此外，在传统的计算机专业课程实验教学体系中，课程实验通常采用独立的实验平台，不同课程实验平台间往往不具备兼容性。这种体系使得学生每学习一门新课都要同步熟悉一个全新的平台以及实验工具，不仅增加了学生负担，也造成了实验资源的浪费，而教学效果却不尽人意。

另外，随着新技术的不断涌现，在很多高校的培养方案中增加了大量新课程，相对而言，必然会减少或者合并一些传统课程，因此压缩各类课程尤其是计算机硬件相关课程计划学时的情况非常普遍。由于实验学时的缩减，教学计划内的实验采用传统的实验方式已经难以按时完成，因此迫切需要合适的实验手段和实验环境来满足新的要求。

（二）教学改革思路

以计算机学科基础课程中的数字电子技术和计算机组成原理作为融合式实验教学方法研究的实验课程，以计算机组成原理中的“数据通路设计”为目标开展融合式实验教学实践探索。

数字电子技术和计算机组成原理这两门课程的工程性、技术性和实践性都很强，涉及的内容较多、难度也较大。数字电子技术在研究逻辑代数（布尔代数）理论的基础上，深入讨论数字系统逻辑设计的原理和方法。计算机组成原理以单机系统为讨论对象，脱离具体机型，紧跟计算机技术发展的潮流，以计算机组成结构为中心阐述各大功能部件的基本概念、构成原理以及工作机理。可见，数字电子技术是计算机组成原理的基础，在培養方案中通常将前者设置为后者的前导课程。因此只有当学生较全面地掌握了数字逻辑电路分析与设计的基本理论和方法，建立较为全面、系统的数字系统设计知识体系，同时，掌握了各种常用的不同规模逻辑器件的基本原理及应用特点之后，才能理解计算机各功能部件的原理，从而进一步实现整体模型机的设计。

建立了课程之间的联系之后，在实验手段和内容上进行融合，自顶向下地构建实验项目，在相关课程环节完成所需内容。根据冯诺依曼体系结构的核心思想，针对运算器、存储器、控制器等部件的工作原理，构造各部件的基本结构，并在数字电子技术课程中进行逻辑电路的具体实现。通过从整体功能部件结构到元器件逻辑设计的自顶向下（如图1所示）的设计项目设置和训练，将计算机组成原理和数字电子技术两门课程的内容进行融合，使学生明确学习目标、激发学习的主动性和积极性、提高动手能力。

二、开放融合式实验方案

（一）早期融合式平台

在培养方案中，绝大部分课程的实验是理论教学的辅助环节，计算机硬件类课程教学的常见做法通常是一门课程配置一套独立的实验平台（比如试验箱）。为了探索融合式实验方式，同时打破时间和空间的限制，2012年团队自主研发了实用新型专利产品“便携式双平台实验装置”。该装置将硬连线和EDA两种设计手段相结合，可以根据学生的不同程度和能力设置不同的实验方案。

该实验装置可以实现数字电子技术和计算机组成原理两门课程实验平台的统一，但是无论是硬连线方式，还是EDA方式进行电路或者功能模块的设计都需要投入大量时间，而且电路不具备复用性，尤其是出错的时候，学生用于排错的时间和精力会非常多，因此并不能达到激发学生学习积极性的目的。

（二）现行融合式实验方案

针对早期融合式实验方案存在的不足，借鉴其他高校的经验，考虑时间和空间因素，团队进行了新的尝试，目前的实验方案选择软件平台实施，经过近两年的对比研究，采用Logisim软件实施融合式课程实验取得了较好效果。

三、课程实施案例

根据课程内容之间的关联性，通过自顶向下模式设置实验项目，采用Logisim软件开展理论和实验教学，在计算机组成原理和数字电子技术两门课程的实践环节进行实验，取得了良好效果，下面分别针对两门课程的实施案例进行阐述。

（一）计算机组成原理实验案例

根据培养方案和课程教学大纲，计算机组成原理的实验内容主要包括运算器、存储器、数据通路以及控制器等几个部分的设计和功能验证，计划12学时，通常安排4个实验项目，包括定点运算器的设计与实现、存储器扩展及读写实验、数据通路设计与实现、微程序控制器实验等。

以数据通路的设计实验为例，该环节对学生的基本要求是：1.自主设计一个由运算器和存储器构成的简单数据通路（参考电路如图2所示），学生可以在此基础上根据自己的能力进行扩展（比如扩展为8位、16位，甚至是32位的数据通路）;2. 电路设计完成之后，能够利用该电路实现存储器写操作、读操作以及运算器的基本算术和逻辑运算，比如实现“x+y-z”的操作并将流程记录下来。

由图2可见，数据通路采用单总线结构，电路中包含了运算器部件和存储器部件。其中运算器通常由多功能算术逻辑运算单元（ALU）、寄存器组、三态门、多路选择器等部分构成;存储器部件通常包含存储体（实验中采用SRAM）、地址寄存器（可以采用计数器）以及数据寄存器等构成。这些基本器件的设计则在数字电子技术课程实验中完成。

（二）数字电子技术实验案例

数字电子技术的实验同样设置4个项目（计划12学时），包括基本逻辑门以及触发器的功能验证、组合逻辑电路设计及应用、同步时序逻辑电路设计及应用、典型中规模时序逻辑器件的应用等。鉴于数字电子技术课程与计算机组成原理课程之间的相关性，根据大纲要求，在数字电子技术的实验中需要完成各类底层电路的设计和验证，因此将加法器、减法器、多路选择器、译码器等组合逻辑电路的设计，以及寄存器、计数器等常用时序电路的设计等作为主要实验项目。以加减法器为例，利用同样的实验平台进行设计和验证。

加减法器采用一位全加器（fulladd，如图3所示）通过串行进位链级联而成，以一位全加器为单元电路，生成模块之后进行复用，从而通过“搭积木”的方式生成整体加减法电路，如图4所示。这样的实验方式让学生由简到繁完成电路设计，更加容易看到结果，让学生产生成就感，效果明显。

（三）方案实施及效果

除了计划中的实验项目以外，团队通过开放式和可扩展性的实验模式全方位检验学生的动手能力和创新能力，同时在实施过程中考虑到学生的接受能力，采用了小范围试点的循序渐进的模式稳步推进。每个学期从各个班级的同学中选择部分整体功能电路的设计和验证能力较强的学生参与到融合式的实验环节中来，该环节根据课程目标，采用自顶向下的方式设置拓展内容，其中计算机组成原理的拓展以“基于微程序控制的模型机”为题，学生自由组合完成可行性论证，并提交设计方案，最后进行设计并提交设计及验证结果;数字电子技术的拓展内容则根据计算机组成原理设计的模型机的需要进行设置，比如设计寄存器组、ALU或者时序发生器等，同样经过可行性论证、提交设计方案、设计并验证的过程，以此验证学生学习效果。

很显然，这种实验模式采用“搭积木”的方法构造电路，让知识不再抽象，而是变得生动、有趣，学生由被动学习变为主动思考，对于课程理论知识的理解具有积极的影响。部分同学在完成实验内容之后表示，这种融合式的课程实验方式帮助他们建立起了前后课程之间的联系，使得前面课程所学知识可以作为模块供后续课程使用，也坚定了他们构建自己的计算机软硬件系统的信心。此外，通过开放灵活的实验方式，学生们不仅进行了工程化开发流程的训练，而且加深了对课程知识的理解和掌握，提升了动手能力。

四、结束语

针对民族高校生源特征，以及课程计划学时数较少的特点，通过在计算机硬件课程实践教学改革方面进行长期探索，摸索出一些已见成效的实践模式，将课程实验平台融合统一，结合多种实验手段，实行开放融合式实验教学，较好地实现了理论与实践的无缝衔接，并且突破了时间和空间的限制，极大地弥补了计划学时少以及依赖固定实验装置的缺陷。该方法在2016级和2017级智能科学与技术专业学生中进行试点，分别在数字电子技术和计算机组成原理期末考试中取得卷面及格率70%和75%的历史最好成绩，取得了较好效果。

参考文献：

[1]张立立，杨文谷，等.基于开放实验培养学生创新思维模式的探索[J].实验技术与管理，2016，33（7）：29-32.

[2]熊立，吴婷婷，凌玉婷.基于实践能力培养的创新创业课程案例教学设计研究[J].教育教学论坛，2019（4）：149-150.

[3]肖堃，邢建川.计算机专业硬件实验体系与综合实验平台[J].实验科學与技术，2012（6）：227-229.

[4]白中英.数字逻辑、计算机组成原理两门课的衔接性[J].计算机教育，2011（19）：36.

[5]刘向举.关于提高计算机专业核心专业课程教学效果的探讨——以计算机组成原理课程为例[J].计算机教育，2019（01）：5-8.