基于虚拟仿真与混合式教学模式的计算机组成原理实验教学改革

[摘           要]  针对计算机组成原理实验教学存在的一些问题，面向“系统能力”和“解决复杂工程问题能力”培养的需求，提出了利用虚拟仿真实验平台的特性，重构计算机组成原理实验教学体系的方法，提出了线上与线下混合式、理论与实践闭环双反馈的计算机组成原理实验教学模式的架构和实施方案。

[关    键   词]  计算机组成原理;虚拟仿真实验;系统能力培养;混合式实验教学

[中图分类号]  G642                   [文献标志码]  A                   [文章编号]  2096-0603（2022）15-0043-03

一、引言

计算机组成原理是讲述CPU核心技术的运行和设计原理的课程，在计算机知识体系中具有重要地位，是培养方案中承担复杂工程能力培养和系统能力培养的主要课程。课程理论性强，概念抽象，难以理论联系实际，学生学习困难，其课程目标的达成仅靠理论教学无法实现，必须匹配实践教学环节才能更好地实现课程目标[1]。如何通过引入好的教学手段对抽象的知识点进行直观的展示及验证，以提高学生学习的兴趣、激发学生学习的主动性等，是计算机组成原理课程实验教学必须解决的问题[2]。由于各种因素的限制，计算机组成原理实验教学普遍存在如下问题。

（一）硬件实验“五固定”的限制

课程硬件实验存在“五固定”（内容、方案、步骤、时间、空间）的限制。实验内容与器件固定，学生按固定步骤连线/拨动开关即可，无法实现真正的设计实验;只能在固定时间、固定实验室内完成实验，课后难以继续或重复实验。从而导致实验效率低、效果差，无法真正实现设计性实验，无法培养系统能力和解决复杂工程问题的能力。

（二）实验体系不完善，系统性不足

部分本科院校，计算机组成原理实验学时偏少（甚至没有）、实验项目数量少、设计性实验少、整体难度偏低、理论与实验衔接不紧密、实验体系不完善，与金课标准的“两性一度”的要求有较大差距，无法形成对理论教学的强支撑，更无法实现实验与理论教学的融合。同时也无法形成实践教学体系，系统能力培养欠缺。

（三）实验教学手段单一

实验教学手段单一，一般是由教师讲解后学生完成实验，所有实验环节都在实验室进行，有限的时间与空间内，学生实验的完成率低，复杂的设计性实验指导效果有限，实验评价不够科学合理。

为了解决上述问题，可以从几个方面入手：引入虚拟仿真实验替代硬件实验，重构设计性为主的实验教学体系;采用线上线下混合式实验教学模式。

二、引入虚拟仿真实验平台，重构实验教学体系

（一）Logisim虚拟仿真软件

Logisim是一款数字电路设计与仿真的开源软件，可以二次开发，其采用构建原理图的方式实现数字电路设计，设计过程简单直观，调试方便。非常适合计算机组成原理实验教学，在国内外很多著名高校得到广泛使用，美国的加州大学伯克利分校CS61C课程一直采用该平台，国内也有一些大学在使用该平台[3]。

引入Logisim虚拟仿真实验平台，使用虚拟仿真实验替换传统硬件实验箱，可以打破硬件实验箱的局限。教师可以在Logisim平台上开发灵活多变、注重系统能力培养的设计性实验项目，改变原有按固定实验内容，按固定步骤连线/拨动开关的实验方式;学生利用虚拟仿真平台随时随地开展计算机组成原理的硬件实验，可以有效突破传统硬件实验对固定时间、空间的限制。虚拟仿真实验平台的引入与建设解决了硬件实验调试困难、成本高、维护工作量大、难于课下继续或重复进行实验的问题，同时提高实验效果与实验效率。也为构建以设计性实验为主，理论与实践结合紧密，层次递进的计算组成原理虚拟仿真实验体系提供前提条件。

（二）虚拟仿真实验教学体系的构建

利用Logisim平台的优势，设计“点面结合，递进综合”的实验项目[4]，构建适合于普通高校的计算机组成原理虚拟仿真实验体系，构建主要遵循了以下几个原则。

1.增强设计性，注重完整性

Logisim的灵活性、调试的便捷性和结构化的设计方法，为增加实验内容提供了可能。实验项目由较少的设计性实验，如图1所示的2个实验（1验证型，1综合型），调整为4个设计性实验（内含12个小实验）。通过编码与校验设计3个实验项目，熟悉Logisim仿真软件的使用，把曾经枯燥的编码理论通过可视化的实践应用进一步加深理解。后面3个设计性实验全部都是围绕构建单总线CPU设计来进行设置，通过自底向上、模块化设计的方式，从运算器、存储器到CPU，逐次递进最终构建出支持8条MIPS指令，能运行冒泡排序算法程序的单总线CPU。实验设计性更强，实验项目涵盖完整计算机系统的主要部件设计原理，更符合工程教育专业认证要求的复杂工程问题能力培养的要求。

2.理论实践一体化

实验教学项目紧扣理论教学知识点，理论教学主要章节后都紧密衔接设计性实验，层次递进，如图1所示，课堂上讲相应理论的同时就嵌入实验知识和内容的讲解，课后马上学生就可以在自己电脑上无缝进行实验（有线上实验环境的支持），通过实验强化理论知识的理解，理论与实验教学融为一体，紧密联系，互为支撑，实现理论实践一体化。

3.注重系统能力培养

实验设计注重系统分析能力、系统综合能力、系统验证能力三个方面系统能力的培养。设计实验项目时通过给定结构和输入，分析输出方式培养系统分析能力;通过给定输入和输出，要求综合设计完成部件结构培养系统综合能力;通过自动测试错误反馈，调试修改系统设计的方式培养系统验证能力。图1展示的实验体系中每一个实验都至少设计了一种以上的系统能力培养环节。图2所示的32位运算器设计实验即是系统综合能力培养的例子。实验给定了输入输出引脚，以及十七项功能要求，要求学生综合设计完成运算器。实现了实验目标系统化、能力培养系统化。

三、应用混合式教学模式

随着近些年微课、慕课等教学手段和方式的不断完善和发展，突破传统教育和教学模式，混合式教学模式逐渐成为目前教育的主要手段[5]。理论课实施混合式教学模式条件成熟，较为容易实现，但实验教学由于受到教学设施、硬件实验设备、线上开发环境等因素的制约，较难采用线上网络实验。但通过引入Logisim虚拟仿真软件和头歌在线平台可以较好地解决此问题。

（一）混合式教学模式设计

成都信息工程大学计算机组成原理的混合式教学模式设计，根据学生培养目标、课程特点和建设需求，理论与实验教学均采用线上线下混合式教学模式。具体实施方式是“课堂教学+MOOC+SPOC+Educoder在线实验平台+线下实验课”。

完整的混合式实验教学模式如图3所示，理论教学与实验教学采用双MOOC，在中国大学慕课平台上选用华中科技大学的计算机组成原理国家级精品课程，在其下开设同步SPOC课程，同时选用计算机硬件系统设计作为实验匹配的MOOC用于学生预习和复习，支撑课后在线实验。

在在线实践教学平台头歌（educoder.net）上开设计算机组成原理实训课堂，设置实验项目，学生按闯关式由浅入深逐个通关进行实验。实验过程中实现了自动测评实验结果，并通过测评结果的反馈定位设计错误，改进设计直到完成当前实验。

此模式实现了线上与线下、理论与实践闭环双反馈的实践教学模式，实现了线上线下协同化。根据平台导出的学生详细学习报告，分析存在的问题，分别反馈到线上与线下、理论与实践教学环节（形成闭环双反馈）。根据反馈的问题，完善线上理论教学和实践教学资源，改进线下理论课堂教学内容与重点，调整线下实验课的授课方案，从而提升理论与实践教学的效果。

（二）混合式教学内容设计

教学内容设计上的混合包含两个方面：一方面是理论与实践的“混合”，另一方面是线上与线下的“混合”。

如图1所示，在教学内容的设计上，理论与实践紧密“混合”在一起，理论知识紧密结合实验内容，教师在理论课堂上同步布置和讲解实验内容。同时，根据培养目标和教学内容的特点，把教学内容进行线上与线下的混合设计。如实验环境的学习与应用、输入输出接口等部分教学内容安排在线上自主学习，其余部分教学内容主要在线下课堂学习，结合线上自学。

（三）混合式教学的过程管理和成绩测评

教学的过程管理和成绩测评方法，在详细的平台报告基础上，同时采用线下实验室提问等方式进一步核定实验作品成绩，掌握学生真实学习效果。实验成绩由线上作品成绩+现场检查成绩+实验报告综合评定，实验成绩占总成绩的30%，切实保证实验教学效果。

四、结语

本文提出了解决普通高校计算机组成原理实验教学中存在问题的一种解决方案。通过引入Logisim虚拟仿真软件，并应用线上与线下混合式教学模式，可以有效地突破传统硬件实验的限制，构建虚拟仿真实验教学体系，从而进一步实现理论实践一体化、实验目标系统化、线上与线下协同化、成绩测评科学化。

通过三轮的教学实践，教学反馈良好，学生对教改的认可度较高，评教效果好。后续的研究将继续探索计算机组成原理实验教学中其他教学模式和线上与线下混合式教学模式的融合问题，以及如何进一步体现金课标准的“两性一度”等问题。

参考文献：

[1]肖娟，龚德良，王嵩，等.计算机组成原理实验方式改革[J].计算机教育，2012（21）：80-82.

[2]吴荣海.Logisim在“计算机组成原理”教学中的应用实践[J].大理学报，2016（12）：96-99.

[3]胡迪青，王睿，赵洪华，等.面向系统能力培养的计算机组成原理教学改革探索[J].软件导刊，2020（12）：185-187.

[4]张文宇，王睿，赵洪华，等.面向系统能力培养的计算机组成原理教学改革探索[J].软件导刊，2020（12）：185-187.

[5]那俊，徐彬，李丹程.满足不同能力水平学生学习需求的差异化教学设计[J].计算机教育，2020（9）：5-9.

编辑 张 慧