“计算机组成原理”实验课程虚拟仿真教学模式探索

关展鹏

关键词：计算机组成原理；虚拟仿真实验；线上教学

1引言

“计算机组成原理”实验课程是高等院校计算机及相关专业一门重要的专业基础课程，在计算机硬件相关课程体系中起着承上启下的作用[1]；同时，在新工科建设背景下，其也是大数据、人工智能专业的基础课程，属于新工科建设的重中之重[2]。学生系统地了解了计算机各功能部件的逻辑组成与运行机制，形成了计算机整机概念[3]。本课程由理论课和实验课2个环节构成。实验课程从计算机的各个组成部件出发，验证计算机的工作原理，旨在帮助学生理解计算机各功能部件的逻辑组成与运行机制，形成计算机整机概念，提高学生研究复杂工程问题的能力。

在实践“计算机组成原理”实验课程的教学过程中，我们起初采用传统的实验箱（唐都教仪的TD-CMA），遇到了如下挑战。

（1）实验箱功能虽多但硬件结构复杂，每一个实验都需要消耗一定的学时讲解实验箱的原理，对于总共16学时的实验课而言时间紧迫。

（2）在实验箱配套的教程中，大部分实验都是简单验证课堂所讲内容，缺少让学生进一步设计和创作的平台。

（3）从投资回报的角度来看，实验箱已使用超过10年，设备陈旧，存在故障的箱子日渐增多，既影响学生的上课体验，也影响教学效果。同时，学生出于好奇，在实验期间进行一些探索性的尝试，往往可能给设备带来新的故障。

（4）由于实验箱的管理需要，学生的实验操作只能在实验课室进行，课后要再练习或者实践创意几乎不可能。同时，在特殊时段的线上教学期间，师生均无法进入实验室开展实验。

针对问题（1），在备课期间，事前录制实验箱相关的教学视频，供学生提前预习，并熟悉实验箱的构成和实验涉及的操作内容，从而缩短课堂上讲解实验箱原理的时间，留足时间给学生实践。但是，针对问题（2）～（4），只能通过探索新的实验教学模式来解决。从计算机专业学生快速适应软件操作的特点出发，结合本课程的系统设计，本文引入了开源软件DS-VLAB虚拟仿真实验系统。该软件不依赖任何实验箱，学生只要1台计算机就可进行实验。经过一个学期的实践，实现了“计算机组成原理”实验课程教学大纲所涉及的所有实验教学，学生能随日寸随地实践创意，并录制实验操作视频，达到了令人满意的效果。

2DS．VLAB虛拟实验系统简介

DS-VLAB是一款开源的网络虚拟实验软件，采用GPL开源许可协议。该软件既可单机运行，也能以B/S方式运行，以便在课内课外、校内校外进行全时空教学[4]。DS-VLAB自带虚拟的常用数字功能器件（例如，74LS181的4位ALU．74LS274锁存器、RAM6116存储器等），并提供逻辑门电路、基本元件（开关、指示灯等），以及虚拟的时序发生器，可以进行全加器、运算器、存储器、控制器、简单模型机、微程序设计等10个典型实验[5]，还可以根据需要自己设计实验和实验电路。上述便捷功能使得在线上开展实验课程成为可能。如图1所示，在算术逻辑单元的实验中，为学生提供部分完成的实验电路图，由学生自行补充合适的元器件和连接线路，完成实验电路图，并开启虚拟仿真系统，进行ALU各种计算功能的验证。DS-VLAB还支持电路图的导人导出，便于保存工作进度，检查实验结果。

3基于虚拟仿真系统的实验课程开展

借助DS-VLAB虚拟实验系统，围绕“计算机组成原理”实验课程进行了线上版本的重新设计。在原有教学大纲的前提下，为了让学生通过软件逐步了解计算机各个部件的工作原理，对实验内容进行重新安排和优化。具体如表1所列。

4虚拟仿真实验示例

在使用实验箱进行教学的过程中，学生先后了解了基本运算器和静态随机存储器的功能，但是并没有很好地对二者进行协同工作的实验。因此，在参考DS-VLAB作者的“总线与微命令实验”的基础上，设计出运算器与存储器的综合实验（图2），将ALU、存储器通过总线连接在一起，完成数据的输入、存储、读出、运算、保存结果等操作，既让学生加深了对这2个部件协同工作的理解，也使学生提前熟悉了微指令的概念，从而为后续进一步学习控制器功能和设计的相关章节打下良好基础。另外，根据学生学情，有针对性地布置实验视频的作业，让学生一边操作，一边讲解，然后录制屏幕生成交付物。通过对3个班实验视频的观察，学生能正确理解实验原理，准确连线，并且能够自信讲解实验的过程和步骤，收效甚佳。

5结束语

经过一个学期的课程实践可见，在“计算机组成原理”实验课程中引入虚拟仿真实验系统是一个实用性很强的补充教学手段。类似于DS-VLAB的实验软件，其能够提高实验开展的灵活性，改善学生上实验课的体验。由于可以随时随地开展实验，激发了学生的兴趣，让学生能够投入更多的时间和精力去探索与思考，很好地解决了传统实验教学方式存在的问题。