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计算机组成原理实践教学的设计与探研
摘要：计算机组成原理课程是计算机专业的非常重要的专业基础课，而它的实践教学环节在整个课程的学习中占有重要的地位。本文主要介绍了对于该课程的实践教学进行科学的设计与研究的各个方面，包括实践内容的设计、教学方法的改进以及考核体系的完善等方面。通过一系列的设计和研究在实际的教学过程中取得了良好的效果，较好地提高了学生的实践动手能力和创遣性。
关键词：计算机组成原理;实践教学;教学方法;实践项目;设计
计算机组成原理课程是计算机专业的非常重要的专业基础课，也是为数不多地偏重于硬件的一门课程。它介绍了计算机硬件系统中各大部件的组成结构、工作原理、设计方法以及如何互连构成整机的相关技术，是计算机专业核心的课程之一，也是后续的体系结构、操作系统等课程的重要基础。因此该课程学习的好坏将直接影响学生专业水平的高低。然而该课程内容相对枯燥，如果纯粹靠理论课的讲解，而缺乏感性的认识，很难将这门课程学得很透彻。但是尽管该课程也有配套的实验教学内容，但实际情况下绝大部分学生很难将理论知识和实验有机地结合起来，这显然没有达到实验本身应该起到的作用。因此有必要通过对该课程实践教学环节进行合理的设计和研究，使学生对计算机各部件之间的联系、控制信号的作用有着深刻的理解，建立起整机的概念，培养学生分析问题和解决问题的能力。
1、设计科学合理的实践项目
根据大纲的要求，本课程的实践教学环节分为两部分，即实验课环节和课程设计环节。其中实验课为12学时，课程设计时间为一周。根据实际情况，实验课主要做4个实验，包括运算器数据通路(4学时)、存储器应用(4学时)、总线传输(2学时)、微程序控制器(2学时)，而课程设计则主要完成模型整机的设计任务，这是一个综合性设计性的实验项目。这些实验项目随课程进度安排在不同阶段进行，这样可使学生对计算机的五大部件都有直观的认识和深刻的理解，从而促进对课程讲授的理论知识的理解。
实验一是运算器数据通路实验，该实验的目的主要是使学生了解运算器的组成、掌握运算器的各种算术逻辑运算功能的具体实现。运算器采用的是 74LS181芯片，其他辅助芯片还有74LS 24 4、74LS273、74LS373等。由于学生对所用芯片和操作步骤不是很熟悉， 因此对该实验采用了验证性为主的教学方案，给出较详细的实验方案和实验步骤，包括具体的接线方法，做实验之前老师进行半小时左右的讲解，使学生利用逻辑电路搭试板搭建围绕运算器的数据通路，然后对运算器进行各种算术逻辑运算操作。
实验二是存储器应用实验，该实验的目的主要是实验目的是使学生了解存储器的组成、掌握字扩展和位扩展的电路组装方法和存储器的读写方法， 存储器采用的是6116SRAM芯片。由于已经有了前一次实验的经验， 对所用的实验设备和相关芯片基本熟悉，因此对该实验采用了设计应用型实验为主的教学方案，给定实验要求、方案，实验电路框图，实验的具体接线方法及实验步骤由学生自行设计，在完成接线图及实验步骤的设计之后，在逻辑电路搭试板上利用相关芯片和导线构建存储器的数据通路，调试后进行存储器的读写测试， 完成实验任务。
实验三是总线传输实验，该实验的目的是使学生了解总线传输基本概念，掌握数据在存储器和运算器这两个模块之间的传递方法和过程。该实验同样给出要求、方案和实验电路框图，具体接线图和实验步骤由学生自行设计，最后在逻辑电路搭试板搭建相应实验电路，完成数据在存储器和运算器之间的传输。
实验四是微程序控制器实验。该实验目的是使学生理解微程序控制器的概念，并掌握机器指令和微指令的输入方法，通过对示例程序进行调试运行理解微程序控制器的工作原理，为后面的课程设计打下一定的基础。
课程设计是一个整机实验，也是本课程实践教学环节中最重要的部分，设计目的是培养学生的综合设计能力和实际动手能力，属于综合性设计性实验。要求根据给定的整机框图，自行设计、调试出包括立即寻址、直接寻址、间接寻址等寻址方式的采用微程序控制方式实现的10余条机器指令，然后采用这10几条机器指令编制一个具有具体功能的小程序，并调试运行，观察运行过程和结果。设计完成后根据要求撰写课程设计报告，要求对设计过程进行阐述并进行总结。
2、改进教学方法，调动学生的积极性
设计好合理的实践项目后，还需要进一步改进实践教学方法，以充分调动学生做实验的积极性，变被动为主动。在做第一个实验时，采用老师讲授为主的教学方法。首先要把电路原理框图讲清楚，让学生弄明白本次实验究竟要做什么东西，达到什么样的要求。在讲授中， 着重介绍电路的设计思路， 并对实验中用到的相关芯片的功能和引脚作一定介绍，为接线打下基础，然后让同学们自己按照实验连线图完成数据通路的搭建，并按照实验步骤进行操作，完成实验内容。实验过程中尽量引导学生深入理解各控制信号对于芯片工作所起的作用，地址信号和数据信号是如何进行传输的，为什么要按照书上的实验步骤去操作，如果步骤之间顺序进行调整会出现什么情况，还能不能得到正确结果， 原因是什么等等。通过这种教学方式，使学生对于组成原理的实验不再感到害怕和无从下手，对实验的原理和操作都有着感性的认识，从而对接下来的实验充满兴趣。
从第二个实验开始，学生基本上了解了数据通路、控制信号等等基本概念，对常用芯片的功能也比较清楚，因此可以重点让学生自行设计电路了。此时主要采用讲授和启发式相结合的教学方法。在实验课上，老师可以先简要介绍实验的目的、要达到的实验效果，然后让学生自己根据电路原理图设计连线方法和操作步骤， 自己动手接线和操作，进而完成实验内容。实验过程中，指导老师可以留意一些特别突出的学生，进行“个性化” 培养，鼓励他们参加学校组织的各类电子竞赛，申报学校的大学生创新基金项目，让他们的才能得到充分的发挥和展示。
经过这样的实验环节之后，可以充分培养学生的综合设计能力和动手能力， 使学生从被动接受知识转变为主动获取知识，极大地调动了学生学习的积极性。同时加深了学生对于核心知识点的认识与理解，反过来对于课堂教学效果的提高也有较大的帮助。
3、完善实践环节考核体系
要提高实践教学的效果，考核体系也必须配套跟上。首先是对实验结果的验收，指导老师对每组的实验结果进行检查和验收，并做好记录。同时在做实验的过程当中，老师也应注意和学生多交流，尽量跟踪了解每个学生的实验情况，这也是实验考核的重要参考依据。其次是实验成绩的评定方法。根据实际情况将实验成绩分为4个档次：优、良、中、差，主要根据学生的现场表现和实验报告综合评定。
其中现场表现占60%，具体考查学生对实验原理的掌握，设计和接线能力、创新能力以及操作的熟练程度等方面;实验报告占40%，具体考察报告的组织结构、文字表达、实验过程的描述分析、图表的规范性以及个人总结等方面。
4、结束语
实践教学环节是大学教育中不可缺少重要组成部分，是培养大学生专业素质的重要环节和有效途径。因此对实践教学环节进行精心设计和研究，努力提高实践教学环节的教学效果，是非常必需的。通过上述对于计算机组成原理课程实践教学的设计，在实际的教学过程中取得了良好的效果，学生的实践动手能力和创造性都得到了较大的提高，这对他们今后走向工作岗位也是非常有帮助的。
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