“计算机设计与实践”实践教学分析

“计算机设计与实践”实践教学分析

摘要：本文首先介绍了国内外大学相关课程的基本情况，然后对比分析了哈工大计算机学院的“计算机设计与实践”课程与国外相关课程的差别与差距。

关键词：实践教学；自主探索；创新能力 1引言

“计算机组成原理”作为哈工大计算机学院重要的专业基础课，实践教学对学生理解计算机组成原理起着至关重要的引导作用。通过10个相关的实验，学生不仅验证了一些计算机组成原理的相关知识，也动手设计完成了一些复杂的实验题目，例如计算机微指令的设计。但是受到学生基础知识和学时的限制，实验难度并不是很大，学生自主设计类题目的数量和难度也不足。“计算机设计与实践”课程作为“计算机组成原理”的后续课程和重要实践环节，扩充了组成原理的实验教学，通过一系列比较复杂的实验题目，既锻炼了学生的创造力，又进一步加深了学生对计算机及其各部件的原理及其相关知识的认识。目前国内外各大学都开设了一些相关的实践课程，通过实践来完善和加深学生对计算机原理的认识，锻炼对软硬件进行开发的能力，从而提高他们的创造力和动手能力，进而提高他们的综合素质[1]。

2国外大学相关课程情况介绍

美国康奈尔大学对大四学生开设了“进阶微处理器设计”课程[2]，通过长达3个月的课堂教学和动手实验，教授学生有关计算机原理和嵌入式SOC开发的相关知识。在实践方面，他们设计了一系列由浅入深、由易到难的实验，使学生通过实验一步步加深对计算机的了解。主要实验包括：设计实现一个视频接口，从而可以通过在面板上的操作，实现在屏幕上画曲线[2]；实现音频接口的驱动，模仿一个球下落时的声音[4]；仿真一个使用DDA数值微分分析法测量电路功能的模拟系统[5]。在指定题目的实验之外，还要求学生自选题目完成一个大作业，通过这些自选题目的选择[6]可以看出，学生通过对相关课外知识的学习和动手实践，已经能够完成一个比较复杂的硬件系统。美国阿拉巴马大学开设了“数字系统设计”这门课[7]，实验方面的主要题目包括：通过命令将指定内存的内容显示到LED上[8]；修改DE2开发环境的指令格式[9]；设计一个既能显示文本又能显示图形的混合模式的视频显示控制器[10]。美国伊利诺伊州立大学香槟分校开设了两门相关的课程。第一门课程是“SOC设计与合成”[11]，实验方面只要求学生在2个月的时间内通过对相关知识的学习，完成一个MP3播放器的设计与实现。第二门课程是“数字系统实验课程”[12]，通过14周的实验要求学生实现一个数字系统。这个系统要能够完成AD转换，实现LCD面板的显示，从键盘可以输入信息，连接游戏杆进行操作，实现扬声器功能以及VGA显示器的显示。麻州大学安默斯特分校开设了实验时间长达3个半月的“计算器结构”课程[13]，主要实验题目有：使用一个连接到开发板上的摄像头，通过开关控制拍照，然后将拍下的图片存储到开发板的内存中[14]；将实验中拍到的图片进行JPEG压缩，

传到PC上看最终显示结果，通过转换不同的JPEG压缩算法，看图象压缩后的差别[15]；通过开发板播放MP3歌曲[16]。全美电机系排名前五名的密西根大学安埃布尔分校为大一学生开设了“信息实验”课程[17]，它将全班学生分为八队，每队在期末专题要利用Altera DE2 FPGA多媒体平台独立制作出一部电子琴。多伦多大学开设了“数字系统”课程[18]，实验方面设计了一个3周的课程设计，让学生自选题目，在DE2平台上设计一个数字系统。滑铁卢大学开设了“计算机实验”课程[19]，主要实验题目包括：设计一个8位的计算器，要求类似于生活中的计算机，只有单一输入[20]；设计一个电子系统，功能类似于电子乒乓游戏[21]。以上的实践课程都采用Altera DE2作为开发环境，如图1所示。

3国内大学相关课程情况介绍

我国的大学也开设了一些类似的课程。复旦大学开设了一门60学时的“计算机组成原理实验课”，主要包含计算机部件实验和CPU设计实验。清华大学“计算机组成原理”课程共安排48学时的实验，每三名同学为一组，合作完成一个硬、软件组成相对完整的全新计算机系统的设计、实现和调试任务。哈工大计算机学院于2005年秋季学期开设了“计算机设计与实践”，该课程以应用实践为视角，进一步提高学生硬件方面的实际动手能力和系统设计能力。主要包括18个学时的课堂教学和60个学时的实践教学，采用南京伟福实业有限公司研制的“COP2000计算机组成原理实验仪”(如图2)，通过FPGA扩展板(如图3)在COP2000实验仪上完成实验。FPGA扩展板由两块FPGA芯片及其外围电路组成，它的核心器件是Xilinx公司的20万门XCV200的FPGA芯片。它的实验题目以CPU设计为中心，主要包括：寄存器设计、元件例化、实验仪基本部件测试、给定指令系统的处理器设计、处理器功能测试、处理器外设接口设计、处理器与外设接口功能测试等。通过我们设计的实验题目，学生对CPU的原理和结构有了深刻的体会，通过实验大大增强了学生的设计开发能力。

4对比与分析

首先在教学目标方面，我院的教学目的是“使学生初步了解计算机部件和微处理器的设计方法，做到理论和实践的真正结合，掌握有关硬件设计工具的功能和用法，有效地锻炼动手能力和设计能力”，这个教学目标已经和国内外一流大学相关课程的教学目标相同。我院的这门课实验学时达60学时，属于非常多的实验时间，而且我们在这60学时内安排了7个实验，相比其他学校的最多5个实验，学生得到了更多的锻炼机会。在教学队伍方面，由于这门课的指导量很大，所以每个班级在实验时都有一个专门的老师和TA，相比国外整个一门课只有2～3名教师的情况，我们大大增加了指导老师的数量，可以及时有效地解决学生的问题。在教学方法方面，我们在上课时主要采用个人与分组相结合的方式，前几个简单的实验以个人为单位完成，后面较难的实验以小组为单位，每个小组3～4人，以团队的方式来完成一个大的课题，目前国外大学也基本采用这种工作方式。采用这种教学方法，既锻炼了学生的个人动手能力，也锻炼了学生的合作能力。在硬件平台方面，由于国外采用的Altera DE2平台的性能较好，因此可对CPU之外的音视频模块、存储模块等进行二次开发，目前我们采用的COP2000实验仪由于硬件限制还无法完成相关类似题目的实验。

经过以上的分析可以看出我们的课程与国外一流大学相比，在实验目标方面已经与国外一流大学接轨，在学时数、配置实验教师数量上我们所提供的条件已经超过了国外一流大学，但目前由于受到硬件开发平台的限制，我们实验题目还有待改进。在今后的实践教学中，我们可以选择增加一些类似于“开发MP3播放器”之类的让学生比较容易感兴趣和效果更直观的实验，通过这些实验来激发学生学习硬件知识、软硬件开发的兴趣，锻炼他们的动手能力和创造力，提高我院学生的综合素质。

参考文献

[1] 向琳,左德承,罗丹彦,张展,唐朔飞.“计算机设计与实践”课程创新性实践教学探索[J].计算机教育, 2007,(3).