计算机组成原理实验教学的探讨

摘要：从计算机组成原理实验教学的课程目标、实验项目分级、实验教学内容、实验考核办法、实验教学方法等方面对实验教学进行探讨，提出了以学生为主体，发挥学生的自主能动性，培养学生实践能力为目标的改革思路，提高实验教学水平和效果。

关键字：课程目标；自主能动性；实践能力

中图分类号: TP32 文献标志码: A

高等学校具有人才培养、科学研究、社会服务三大职能[1]。作为地方性院校，我系计算机科学与技术专业以培养服务一线的应用型人才为目标，因此，学生的实践能力培养尤为重要。计算机组成原理是计算机专业的核心基础课，要求学生掌握CPU的硬件原理与结构，通过实验为学生理解和分析硬件系统起到很好的铺垫作用，在整个课程体系中占有重要的地位。但是该课程具有涉及面广、抽象性强和学习难度大的特点[2]，往往理论课教学显得枯燥乏味，学生理解原理也显得吃力。实验教学有助于化抽象为具体，通过实际的时序电路、寄存器、运算器、存储器、控制器等单元的展示，提高学生们的学习兴趣，同时培养学生的实践能力。

1 计算机组成原理实验课程改革，以培养学生设计能力为课程目标

(1)在掌握实验原理的基础上，以培养学生CPU设计能力为实验目标。

目前实验室开设8个实验项目，其中包含自行开发项目2项，综合性实验项目1项。实验室开设的实验包括累加器实验、寄存器组实验、运算器实验、程序计数器实验、存储器实验、微程序控制器实验。计算机组成原理实验是学生实践能力培养过程中的重要环节，其主要任务就是要求学生掌握CPU的硬件结构与原理，培养学生的CPU设计能力，同时在设计电路的过程中为学生后续学习嵌入式技术打下基础。在实验课程讲授过程中，重点讲解实验原理和电路的设计原理，结合学生之前的硬件基础给学生把电路分析透彻。针对寄存器组实验、运算器实验、存储器实验，在做完实验后，可以把学生分组，进行电路图的设计、电路板的焊接制作、调试完成，并组织学生对作品进行讨论总结，从而提高学生的实践能力。

(2)充分利用学生课余时间，进行CPU设计实践能力培养

学生的大学生活含有大量的课余时间，大部分的同学特别是低年级的同学往往在课余时间不知道该学什么，没有一个学习的目标，长期以往往往会荒废学业。在实验课堂教学学生掌握了计算机主要组成部件工作原理、基本分析与设计方法，因此，充分的利用学生的课余时间指导学生进行CPU制作，从时序电路的产生、寄存器组、运算器、存储器、PC计数器的制作，使学生对典型计算机系统的分析、设计、开发与使用能力得到训练与提高。在课堂上完成电路图的绘制，在课余时间，学生们完成电路的制作与调试，并把逐步的从数字电路的设计扩展到了基于FPGA的设计，从8位CPU的设计扩展到16位CPU的设计，把实践教学延伸到课外，很好的弥补了课堂上实践教学学时的限制，也丰富了学生的科技活动。此外，设计的作品可以反馈到实验课堂上，作为实验系统的有益补充，同时还能为新生认识实习、电子实训等实践环节使用。

课外实践活动项目表如表1所示：

表1 课外实践活动项目表

项目名称所需器件时序控制电路74HC00、74HC08、74HC20、

74HC04、74HC74、74HC175寄存器74HC574、74HC32、74HC139移位器74HC08、74HC245程序计数器74HC161、74HC245、74HC151运算器74HC273、74HC181、74HC374存储器74HC32、6116、74HC245EPLD实验PLCC44FPGA实验XC3S500E(3)积极开展开放性实验、学科竞赛，不断提高CPU设计的深度

实验室开放[3]是在计划实验课时之外的课余时间内，同学们可以通过预约方式进入实验室进行选修实验，或者进行一些个人兴趣实验和创新实验。学科竞赛是培养大学生综合素质和创新精神的有效手段和重要载体，对于营造创新教育的良好氛围，培养学生的创新精神、协作精神和实践能力，激发学生兴趣和潜能具有重要作用。通过开展开放性实验和学科竞赛，不断的挖掘学生们的创新意识，提高CPU设计的深度，从而提高学生们科技活动的技术含量。例如运算器、存储器的设计可以从数字电路设计到CPLD设计，再到FPGA设计，不断提高学生们科技活动的广度和深度。

2 构建分级的计算机组成原理实验项目体系和学生实践能力培养体系

在计算机组成原理实验中，不同实验模块对培养学生能力具有不同特点。为了加强学生能力培养的层次，实验室把所有实验项目按照能力培养层次进行分类，形成三级实验教学体系，即基本模块实验、综合性实验、设计性实验，对学生能力进行分级培训，逐步提高。

基本模块实验以验证型实验实验为主，包括寄存器实验、运算器实验、存储器实验等，主要是让学生学习CPU基本单元模块