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在计算机组成原理课程中培养学生动手实践能力

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摘要：计算机组成原理课程在计算机体系结构课程群中起着承上启下的作用。文章提出将专业特点、课程重点、实践教学环节联系起来，适当调整现有教学内容及方法。通过实施发现，这种调整对促进学生进一步理解课程内容，加强动手实践能力的培养，提高计算机专业学生硬件设计能力大有裨益。

关键词：计算机组成原理；实践教学；动手实践能力

在我国当前高校教育中常出现这样一种情况：经过四年的学习，很多学生只是掌握了一些书本上理论性的知识，缺乏实际工作的知识和操作技能，动手实践能力很低，综合素质不高，很难满足用人单位的要求。特别是近些年来一些高校在师资条件不具备的情况下，扩招速度较快，致使办学经费缺乏[1]，对于实践教学环节有所削弱，这就不可避免地导致学生理论与实践存在一定程度的脱节。因此无论从大学本身的教育功能还是从时代发展对人才素质的要求来看，加强对大学生动手实践能力的培养都有着极其重要的意义。

对于实践性较强的计算机专业课程而言，在教学过程中更不能只重视理论基础，忽视动手实践能力的培养，因此需要对现有教学模式进一步优化，提倡精讲多练，更全面地发挥学生的学习自主性。计算机组成原理课程是计算机科学与技术专业的主干必修课，是计算机体系结构课程群的核心课程，在整个课程体系中起着承上启下的作用。这门课程的先修课有数字逻辑、汇编语言程序设计，后续课程有计算机系统结构、微机接口技术、嵌入式系统等。课程中涉及的知识面较广，加上有些理论较抽象，学生在学习时普遍觉得内容不好理解，导致学完本课程后，基础知识掌握不扎实，学习后续课程时会产生“恐惧”心理，从而影响很多课程的学习，最后变成“谈硬件色变”。对于从事计算机组成原理课程教学的教师来说，如何引导学生学习好这门课程显得尤为必要。

1课程教学现状

目前国内高校计算机组成原理课程教学上理论性内容过多且陈旧，这里面存在一定的客观原因，如计算机硬件发展太快，新知识包含许多较复杂的技术，熟悉该技术并掌握技术中的理论知识需要花费一定的时间和精力，对于学生而言较难学习和理解，因此组织和实施教学的难度较大，许多教师就偏向于讲述旧的知识，这对于了解现代计算机系统的发展已显不足。

对于计算机组成原理课程而言，由于更多涉及计算机内部的构造、工作原理和应用，很多知识只有通过实践操作和验证才能真正理解和掌握，要想真正理解相关知识光有课堂教学还远远不够，需要配有一定实践教学手段。目前很多高校的计算机组成原理课程都设有实践教学课程，普遍采用下面几种模式。

第一种模式是在做计算机的部件级设计实验以及计算机主机系统设计实验时，采用特定硬件实验台进行实验[2]。这种模式的优点是较为直观，学生能够感觉到是在做硬件实验。但计算机主机的总体结构往往已经固定，学生很难重新进行计算机结构的设计，创造力不能得到很好地发挥。由于局限于该平台所提供的功能，实验时往往参照实验手册完成，整个过程验证性成分较多，而且在实验中存在着插线虚接、器件损坏以及实验结果不能长久保存等问题。

第二种模式采用EDA虚拟平台来实现[3]。这种方式可以很好地进行计算机硬件系统的逻辑功能设计，而且可以提高系统设计的水平及效率。学生按照自己设计出的逻辑电路在EDA平台提供的元器件之间进行连线，线路一旦连接好，不必再担心连线折断、导线虚接等问题，对于未做完的实验还可以随时保存，而且可以针对设计出的部件以及计算机主机系统进行模拟仿真，以验证逻辑设计的正确性。不足之处是实验在虚拟环境下进行，所有仿真是建立在器件物理模型上的，测试时仅靠观测仿真波形来确定功能实现与否。虽然在设计计算机结构时不受限于特定实验环境，但由于在整个实践环节没有接触具体元器件，学生感觉不到是在做硬件实验，同时又缺乏真正的硬件调试过程，在锻炼动手实践能力上打了一定的折扣。

这两种模式对于现阶段培养学生动手实践能力已显不足，为了适应新时代对大学生的要求，需要更新现有的实践教学手段。当前很多高校已经引入FPGA实验平台，由于FPGA芯片具有静态可重复编程和动态系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。用户可以通过原理图输入法或硬件描述语言，完成从简单的74系列等各种数字电路到高性能CPU的设计。使用FPGA还可以大大缩短设计时间，当电路有少量改动时，FPGA的优势更加突出。因此采用FPGA芯片进行计算机组成原理课程设计优势较为明显，目前已有一些高校采用FPGA平台进行课程设计[4]，这可看作第三种模式。它兼有前面两种模式的优点，可以让学生感觉到在做硬件实验，而且只要设计的门电路规模在允许范围内，想象力可以得到充分的发挥。基于FPGA的这些优点，我