混合式虚拟仿真实验教学的改革与探索 ——基于EduCoder+Logisim的《计算机组成原理实验》实验教学改革

2021-04-30 09:37 364 山科新闻网

2020年,一场突如其来的新冠肺炎疫情打乱了正常教学秩序,在学校不返校的情况下,实践课程如何做到“停课不停教、停课不停学”成为摆在每位老师面前的问题。

作为一门计算机类专业核心骨干课程,《计算机组成原理》知识点多且抽象难懂,如果配套的实验课程无法顺利开展,那么学生将不能深入理解计算机组成及其工作原理,实际动手能力不能得到提高,教学效果将大打折扣。

针对此问题,韩进教授带领“计算机组成原理”课程团队本着重实践、重创新的理念,以培养学生创新能力为引导,对《计算机组成原理实验》课程进行了大刀阔斧的改革。经过广泛调研,课程团队决定由原来以验证性实验为主的、基于实验箱的实验模式,改革为以设计性、创新性综合实验为主的在线虚拟仿真实验教学,并借助EduCoder和Logisim予以实施。2021年,根据上一年积累的经验和学生实际情况,团队采用了“线上与线下混合、真实与虚拟并行”的混合式虚拟仿真实验,并在全院各班级相关课程中全面铺开。

新的教学模式建设了线上线下两个实验平台,实现了线上发布实验、线下搭建电路、线上测试、线上评分、线上提交报告、线上反馈互动等功能。

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                                    线上、线下混合式《计算机组成原理实验》框架


利用EduCoder平台,方便地实现了学生签到、实验内容及要求直播、实验发布、模块电路提交和测试、教师测评、成绩统计分析等功能。学生利用LogSim平台搭建电路。根据我校课程教学要求和实验平台情况,设计了9个实验项目,分别是Logisim+Educoder平台使用演示讲解、八位可控加减法器设计、原码一位乘法器设计、MIPS运算器设计、汉字字库存储芯片扩展、MIPS寄存器组设计、MIPS RAM设计、四路组相联cache、单周期MIPS CPU(8条指令)设计。

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经过实践,使用EduCoder+Logisim的混合式虚拟仿真实验教学有如下特色。

一是实验灵活、稳定。传统计算机组成原理实验需要借助实验箱完成,当有硬件故障、实验器材或者试验场地不能满足学生人数要求时,实验无法充分开展。借助混合式虚拟仿真实验,学生可以在本地利用线下工具Logsim完成电路搭建,而后在线上Eduucoder平台提交作品并进行测试,既不受诸如实验箱、试验场地等硬性条件的限制,又可在自己搭建的电路存在故障时及时排错,大大增强了实验的灵活性和稳定性。

二是实验可扩展性强。传统的计算机组成实验大部分借助实验箱对已有计算机组成部件进行验证,难以开展新的实验。借助混合式虚拟仿真实验教学平台,每次实验搭建的基本模块都可以扩展,实验之间具有接续性,最后一个实验能够将之前实验设计的各个基本模块组成完整的MIPS CPU系统并完成系统仿真,大大提高了学生对课程知识的综合运用能力。课下时间,学生还可对课上完成的基本模块进行优化设计,更可以利用实验中的模块设计思路在诸如FPGA开发板等场景下进行类似的设计与仿真。

三是提高了学生对计算机系统的深层次理解。传统的计算机组成原理实验大多以验证性实验为主,学生侧重于对计算机各组成部分的功能理解,对计算机组成深层次理解不足。借助混合式虚拟仿真实验,可以开展更多的设计性、创新性、综合性实验,学生可自己动手从零开始搭建一个MIPS CPU系统,在很大程度上提升了学生对计算机系统底层组成及工作原理的理解,从而逐步训练学生解决复杂工程问题的能力。

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四是实现了对学生的形成性评价。传统的实验教学模式,由于指导教师时间有限而学生数量众多,多数情况下只能通过学生提交的实验报告来评价实验效果,不能准确评价学生能力。借助混合式虚拟仿真实验教学,学生在线下搭建的电路提交到线上平台上进行自动测试,实验的每个环节平台都有数据统计,实验的考核测评有了量化指标,实现了实验效果的全过程形成性评价。

五是平台闯关模式极大激发了学生的学习兴趣。传统的实验只需要对实验箱给出的接口进行连线、验证,实验过程比较枯燥,学生容易产生厌烦情绪。借助混合式虚拟仿真实验,将传统的实验课堂模式转化为自己动手“打怪升级”的闯关模式,由浅入深,从最简单的8位加法器,到最终的MIPS CPU系统,关卡之间互相连贯,趣味性强,加深了学生对课程极强的严谨性与逻辑性的理解。同时,学生可以通过排行榜实时查看自己的排名,更好地激发了学生的学习兴趣。

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《计算机组成原理实验》混合式虚拟仿真实验教学改革,成功激发了老师们实验教学改革的信心和动力,激发了学生的学习兴趣,提高了实验教学效果,得到了学生的广泛好评。然而,实验课程教学改革是新的课题、新的挑战,也是值得不断研究和探索的课题,实验教学改革一直在路上!

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                                                    (供稿 计算机科学与工程学院 韩进)


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