计算机组成原理实验混合式教学探索

冯永政 郑坤

摘要：该文通过分析以往计算机组成原理用实验箱开展实验存在的不足，结合新冠疫情期间需要“隔离”教学的特殊要求，换用一款开源虚拟仿真平台进行实验课教学，辅助腾讯会议进行在线指导和答疑，线上和线下可灵活选择安排，解决了对传统实验箱的物理依赖和实验效果不如意的情况，有助于学生硬件设计思维能力的培养，实现硬件课程实验虚拟方式完成的混合式教学改革。

关键词： 组成原理实验; 设计能力培养; 仿真平台; 虚拟实验; 混合式教学

中图分类号：G642.0        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）30-0125-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

计算机科学与技术专业教指委提出，计算机本科专业应培养学生四种能力：计算机系统能力、计算思维能力、程序设计与实现能力、算法分析与设计能力，其中计算机系统能力占比四分之三，可见其重要性。计算机系统能力培养要求学生建立计算机整体系统的理念，引导学生在硬件和软件之间的抽象和协同设计思维，具备一定复杂程度的计算机系统设计能力。整体系统理念的培养就要夯实计算机组成原理、系统结构、操作系统、编译原理等这些主干课程的基础，这些课程之间既分散着计算机系统的众多知识概念，也有硬件和软件之间的内在联系，可以经历由点到面再到整体的逻辑思维完整的过程。在这些主干基础课程中，计算机组成原理起到承上启下的桥梁作用。计算机组成原理是接力数字逻辑课程，其后是系统结构、操作系统、编译原理等后续课程，是计算机科学与技术本科专业的核心主干基础课程[1-2，8]。

计算机组成原理以冯·诺依曼结构为主线，讲授计算机基本硬件部件的组成构造及其工作原理，学习和理解计算机运行“存储程序”的机理，培养学生硬件和软件整体系统的思维方式和研析方法。理論教学完成计算机硬件系统认知能力的培养，分别讲授运算器、存储器、控制器、指令系统、总线等各部分的原理及组成，实践教学让学生从计算机最底层建立整机概念和系统观，培养计算机系统设计能力[1，9]。陕西理工大学计算机本科专业的计算机组成原理实验14个课时，以往都是用江苏启东计算机总厂有限公司的DICE-CP226型计算机组成原理实验箱开展实验教学。根据实验箱的特点，一般安排5个2课时的验证性实验和1个4课时的综合性实验。从实验教学效果看，比较一般，反映出来的普遍现象是学生做实验的主要工作就是实验箱的接线，得到实验结果现象后就忙着写实验报告，而不是花更多时间从结果现象反思其背后的硬件组成和工作时序原理，学生更多地把实验箱看待成“黑匣子”，接线、拨动设置开关就是在“输入”工作，实验结果现象就是得到的“输出”成果，对“黑匣子”内部不求甚解，大部分精力只是关注“输入”和“输出”，而忽视了“黑匣子”的内部组成结构和运行机理，这才是计算机组成原理课程关注的内容反而被“冷落”了，捡了芝麻丢了西瓜。

计算机组成原理课程偏重硬件的特点明显，从计算机最底层认知硬件系统，那么计算机组成原理实验课作为理论联系实际的切入口显得尤为重要，可是计算机专业的学生普遍存在“吃软怕硬”现象[4]，对待硬件兴趣不高，这也是前面说学生主动回避实验箱“黑匣子”内部硬件结构的背后原因，遇到硬件即想躲避，如何把学生的兴趣和自信拉回来是亟待解决的问题。近两年突如其来的新冠病毒疫情持续不断在全球蔓延，学校根据疫情变化和防范要求把线下课程改为线上进行，这种师生隔离和实验箱设备隔离的情况给计算机组成原理实验课提出了新要求、新方式。困则思变，我们需要探索一种线上加线下混合式教学模式来满足和适应计算机组成原理实验课程的教学。

2 传统实验平台设备分析

目前大部分高校计算机组成原理实验多采用固定传统实验箱，陕西理工大学亦是如此，以往一直用江苏启东的DICE-CP226型计算机组成原理实验箱开展实验教学，实验通过插拔方式连接导线、拨动开关进行相应设置，涉及控制器的实验项目需要编写微程序等操作来完成。

通过总结历年的实验课情况，本文分析用固定式实验箱开展计算机组成原理，存在以下不足[4-5，7]：

（1）固定式实验箱开展实验教学，学生更多地把实验箱看成“黑匣子”，由于不直观所以不容易引起学生兴趣和探究内部硬件电路和部件之间的结构，更不能深入地址信号、控制信号、数据信号的产生和流动，不能达到培养学生在硬件和软件之间的抽象和协同设计思维的目标。

（2）固定式实验箱的CPU结构大多数是固定的，各功能部件多数固化或功能限制，不能灵活变更指令格式、寻址方式等功能，无法灵活训练和培养计算机系统设计的综合能力。

（3）实验箱实验项目存在局限性，导致无法延伸扩展到数字电路、微机原理接口技术，操作系统等上下级课程的融合衔接无助于课程群知识的贯通。

（4）在实验箱操作过程中也反映出查错纠错难的问题，一根错误的接线往往会无法获得正确的实验结果，实验箱各插孔的频繁插拔，开关触头、插孔接触不良时有发生，导致“软故障”隐埋，面对乱如麻的接线去查错学生往往失去耐心，进而得不到正确的实验结果，挫败感进一步拉低了兴趣和自信。实验箱某个实验项目繁杂接线示例，如图1所示。

3 虚拟仿真实验平台的运用

2019年，我们参加了华中科技大学计算机学院开办的计算机组成原理实验导教班的培训，学习基于JAVA的Logisim虚拟仿真软件开展组成原理课程实验，这种实验方式克服了对传统计算机硬件实验平台和实验箱的场地器材方面的依赖和约束，也避免了传统实验器材开展实验教学存在的缺点，为计算机组成原理实验课新开辟了一种授课模式。

基于Java开发的Logisim虚拟仿真软件是针对小型CPU系统设计的应用程序，可支持Win、Linux、Mac系统平台，是一款免费开源软件，基本是零实验成本；Logisim采用图形化界面，易学易用，易于调试，一般花一小时左右的时间学习使用该软件即可上手实验，采用最直观的分离数字电路模块构建原理图的方式，设计和仿真方便高效，完全可以脱离硬件仿真环境运行；延续了数字逻辑课程中数字电路设计方法，让学生从数字门电路开始逐步设计时序逻辑、组合逻辑、存储系统、控制器和运算器、流水控制逻辑直至完整的MIPS指令的CPU来深入理解计算机硬件系统；Logisim虚拟仿真软件运行配置硬件要求不高，目前一般的个人电脑都可以运行，学生可以在自己电脑上安装和使用，灵活机动地开展实验，不受时间空间和场地人员的限制，极大地拓展延长了课外实验时间[1-3]，如果采用课内课外相结合的方式，特别适合线上加线下混合式教学模式的开展。

使用Logisim虚拟仿真软件还可以完成查错提示和结果评分，也给学生独立完成实验创造了条件，通过一系列的规范化工作来完成，包括规范输入输出接口、标准化测试用例，数据量化各个性能指标，最终实现实验结果自动评分，大大提升实验结果的即时性，学生通过及时反馈可自行检查排除错误、自动评分可提升学生的获得体验和自信心，学生反映有同打游戏通关之后的兴奋感，能激发学生硬件课程实验的兴趣[3]。

Logisim基本操作界面如图2所示。

以多个D触发器构成寄存器为例，看如何用分离数字电路模块构建和封装一个功能部件，如图3所示。

再以构建一个16位CPU为例完成一个较为复杂的仿真实验，如图4所示。

2020年春季学期开始，陕西理工大学根据疫情防控的要求调整线下课程改为线上进行，摆在面前的计算机组成原理实验课如何线上进行？这个问题迫使我们思考，显然，如果继续依靠传统固定式实验箱这种方式，既不物理可行也顾虑以上分析总结的在实验教学上的不足之处，需要另走一条新路，由此我们想到换用Logisim虚拟仿真软件开展组成原理课程实验是可行的线上方式，具体实施过程如下：

（1）首先安排2课时讲授如何安装和操作使用Logisim虚拟仿真软件，如果是疫情防控隔离期间，就用腾讯会议召集学生在线学习训练，尤其对首次接触该仿真软件的学生，一定要教会他们熟悉使用，腾讯会议里可以提前准备录播的操作使用软件的视频和PPT，先是讲实验需经常用到的功能菜单和功能键，再举例用分离数字电路模块构建和封装一个简单功能部件的过程，由基本到简单再到复杂，一步一步辅導学生熟悉该仿真软件，在线实时答疑。如果不在疫情隔离期间可以改为实验室机房面授，线上或线下方式根据实际情况灵活选择。

（2）还有12个实验课时分别安排4个仿真实验，汉字编码转换实验、运算器实验、存储器实验和CPU设计实验，前面3个实验都是2 课时，CPU设计实验较为综合给予6个课时完成。以运算器实验为例，要求学生完成一个16位快速加法器，同时要产生各种标志位符号：溢出、进位、符号位、零位。实验指导给出设计思路引导：先设计1位全加器，用两个与门和一个或门，两个异或门电路完成构建1位全加器，并封装成一个器件供后面使用，用1位全加器构建4位串行进位加法器，进一步搭建超前进位的4位快速加法器，有了4位快速加法器就方便最终构建16位快速加法器，整个实验要求和过程遵循从简单到复杂的梯度安排。

（3）上述12个实验课时的4个仿真实验，如果不在疫情隔离期间就采取分小组在实验室机房做实验，小组内再协商分工，团队协作对于学生有代入感，可能起初由不自觉状态逐渐带入自觉自愿状态，一步一步获得一个一个结果和方法，更加自我认同更加激发兴趣，无论实验项目的完成率和实验结果优良率都比以往实验箱上做实验有明显提高。如果遇到疫情防控隔离期间也可以安排线上进行，线上主要通过腾讯会议教师逐一对学生检查和监督进度和答疑，学生线上简述实验过程，主要的操作过程和结果现象用录屏提交教师，需要一提的是，线上做这4个实验需要学生额外提前实验预习和准备，对比线下分小组做，线上由学生单独做就需要花费更多的时间，何况线上有限的课时分散到每个学生而言，教师的指导答疑和督查过程结果会时间紧张。如果我们要将14个实验课时进行线上加线下的混合式教学模式，可以将讲授如何安装和操作使用Logisim虚拟仿真软件的2课时安排线上进行，其余的12个实验课时的4个仿真实验安排线下实验室机房进行，这样安排是考虑讲授效率和实验效果两个方面较为合理的方式组合。

4 结语

通过这几年计算机组成原理实验教学新方式的尝试，无论从实验效果还是培养学生的计算机系统观念和硬件设计能力这些方面都得到了提升，另外学生对硬件逐步产生兴趣，有助于改变偏软件冷硬件的“吃软怕硬”现象。

对于计算机组成原理实验教学的摸索，今后可能尝试更新更好的方式，有时候好方法要有适时的启发，我们也是从华中科技大学计算机学院学习之后结合疫情特殊时期想到采取线上线下灵活选择开展实验教学，回顾来看，许多方面受益不少，后期还有许多工作要完善提高。

参考文献：

[1] 谭志虎，胡迪青，秦磊华.“计算机组成原理”课程设计的改革[J].电气电子教学学报，2016，38（6）：110-112，134.

[2] 邵雄凯，杨习伟.基于Logisim平台的《计算机组成原理》实验教学探究[J].软件导刊，2019，18（12）：208-210，214.

[3] 刘彩虹，林强，满正行，等.基于慕课的计算机组成原理实验教学改革探索[J].产业与科技论坛，2021，20（12）：133-134.

[4] 刘二林，王玉锋.基于HCDIOR计算机组成原理实验教学改革探索[J].电脑知识与技术，2019，15（26）：144-146.

[5] 向丽萍，李晓艳，徐建.计算机组成原理实验教学改革探索[J].电子世界，2016（10）：40.

[6] 谢鹏寿，冯涛，杜谨泽，等.计算机组成原理混合式教学改革[J].计算机教育，2019（12）：157-161.

[7] 曹旨昊，刘三荣，张强，等.面向工程教育专业认证的《计算机组成原理》实验教学改革探

[8] 柳星，袁景凌，饶文碧，等.计算机组成原理实验改革方法探讨[J].计算机教育，2018（5）：5-9.

[9] 杨欣宇，李诚，宋广军，等.计算机组成原理实验教学改革探索[J].计算机教育，2013（18）：45-47，51.

【通联编辑：代影】