陳海波 王占全 梁道雷

摘 要：翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，又稱為自主實(shí)驗(yàn)，是指在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中有意缺失部分實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)素材，要求學(xué)生自己設(shè)計(jì)、補(bǔ)全實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，并開發(fā)、收集相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)素材，最終相互交付完成實(shí)驗(yàn)操作。在《計(jì)算機(jī)組成》實(shí)驗(yàn)課程中，作者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以MIPS指令為核心的自主仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，基于該系統(tǒng)，進(jìn)行了《計(jì)算機(jī)組成》翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐探索活動(dòng)；在活動(dòng)過(guò)程中，為了檢驗(yàn)和完善這種新型實(shí)驗(yàn)方法的成效，分別在三個(gè)不同的專業(yè)開展了不同的對(duì)比性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。三年來(lái)的翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐過(guò)程表明，通過(guò)合理的自主仿真素材設(shè)計(jì)和教學(xué)引導(dǎo)教案設(shè)計(jì)，能夠有效提升學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，在加深學(xué)生知識(shí)掌握程度的同時(shí)，也提升了軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，實(shí)驗(yàn)效果既優(yōu)于以往的硬件實(shí)驗(yàn)，也優(yōu)于（非自主）軟件仿真實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：MIPS；計(jì)算機(jī)組成；翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2018）24-0022-05

一、引言

《計(jì)算機(jī)組成》課程是我國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、自動(dòng)化專業(yè)等的基礎(chǔ)必修課程之一。該課程以《數(shù)字電路》《匯編語(yǔ)言》為先修課程，主要圍繞計(jì)算機(jī)硬件的內(nèi)部構(gòu)造和工作機(jī)制開展教學(xué)，旨在讓學(xué)生掌握現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的內(nèi)部工作原理，為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐打下基礎(chǔ)，同時(shí)加深學(xué)生對(duì)軟件運(yùn)行原理的理解，提高學(xué)生的軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試能力?！队?jì)算機(jī)組成》課程注重實(shí)踐，理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的比重一般為2∶1到4∶1之間，有些學(xué)校還有配套的課程設(shè)計(jì)，可見課程對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力要求是比較高的。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)按照目標(biāo)和方式不同可以分為以下幾類：①部件驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在專用實(shí)驗(yàn)儀器上以操縱開關(guān)的方式模擬特定部件的狀態(tài)變化，達(dá)到加深理論知識(shí)學(xué)習(xí)的目的。實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單易于開展，也是國(guó)內(nèi)《計(jì)算機(jī)組成》課程實(shí)驗(yàn)開展最普遍的形式。②綜合性設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。采用VHDL等硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言自行設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)部件、指令系統(tǒng)，并基于FPGA開發(fā)板完成硬件的開發(fā)。這類實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生具備一定的自學(xué)能力和知識(shí)綜合運(yùn)用能力，難度較大，一般分多個(gè)階段實(shí)驗(yàn)完成。③軟件仿真實(shí)驗(yàn)[2]。使用軟件替代傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)箱儀器，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作是在可視化軟件上完成的。如基于Multisim仿真軟件開展的計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)[3]。由于實(shí)驗(yàn)箱儀器維護(hù)和更新繁瑣，且隨著越來(lái)越多的非計(jì)算機(jī)專業(yè)也開設(shè)《計(jì)算機(jī)組成》課程（如軟件工程、信息與計(jì)算科學(xué)等專業(yè)），軟件仿真實(shí)驗(yàn)也越來(lái)越普遍。

在教學(xué)實(shí)踐中，三種實(shí)驗(yàn)方式都存在一定的不足，部件驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)過(guò)程容易流于形式，學(xué)生自主性不強(qiáng)，只有少數(shù)學(xué)生能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)操作與前面的理論知識(shí)關(guān)聯(lián)起來(lái)；綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)只能在課時(shí)充裕的情況下開設(shè)，且需要學(xué)生對(duì)先修課程掌握較好；軟件仿真實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)不具備硬件實(shí)驗(yàn)條件或者軟件專業(yè)的學(xué)生開設(shè)，具有節(jié)約教學(xué)成本的作用，但是會(huì)弱化學(xué)生硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)能力。

筆者近十年來(lái)分別為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)、應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)本科生開設(shè)《計(jì)算機(jī)組成》課程，以上三類實(shí)驗(yàn)課程在不同的教學(xué)環(huán)節(jié)都有所嘗試。其中信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)、應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)本身側(cè)重軟件、算法和架構(gòu)，實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)基本以軟件仿真實(shí)驗(yàn)為主。因此，針對(duì)不同專業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了不同實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，包括部件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、軟件仿真實(shí)驗(yàn)[4][6]等環(huán)節(jié)，通過(guò)調(diào)查、成績(jī)對(duì)比等手段，發(fā)現(xiàn)這些教學(xué)方式的實(shí)際成效基本相當(dāng)，不存在顯著差異。

自2015年開始，進(jìn)一步針對(duì)軟件仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深化教學(xué)改革，針對(duì)信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)和數(shù)學(xué)專業(yè)學(xué)生開發(fā)了基于MIPS指令的自主仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并由原來(lái)的仿真實(shí)驗(yàn)改成了翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)[1][5]，即以現(xiàn)有仿真系統(tǒng)和硬件器材為原型參照，要求學(xué)生自己補(bǔ)全缺失的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和仿真模塊，然后相互交付給同學(xué)完成實(shí)驗(yàn)操作。近三年的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程表明，通過(guò)自主實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的合理設(shè)計(jì)，自主仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴沟脤W(xué)生在知識(shí)理解、參與度、綜合運(yùn)用能力等方面都有所提升，教學(xué)質(zhì)量有所提升。2017年開始將自主仿真實(shí)驗(yàn)拓展到其他學(xué)校和其他專業(yè)，也取得了較好的效果。

二、基于MIPS指令的自主仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)構(gòu)成

基于MIPS指令的自主仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，如圖1所示。

其中MIPS指令硬件仿真模型由總線、控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器等硬件的軟件仿真模塊，以及二進(jìn)制運(yùn)算等基本模塊構(gòu)成，是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心模塊，這些模塊可以構(gòu)成一個(gè)完成的虛擬機(jī)運(yùn)行子系統(tǒng)。

為了能夠進(jìn)一步配合翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的開展，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了MIPS指令程序的運(yùn)行子系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)開展的難度情況，提供編譯子系統(tǒng)和解釋子系統(tǒng)兩個(gè)不同的子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)可以拆解為若干個(gè)子模塊。

可視化控制子系統(tǒng)提供基于網(wǎng)絡(luò)通信的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制界面環(huán)節(jié)，允許實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)執(zhí)行，操作過(guò)程可以控制MIPS指令的單步執(zhí)行和順序執(zhí)行方式，可以直接查看到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中各個(gè)仿真部件的內(nèi)部狀態(tài)。

為了滿足翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)實(shí)施的需要，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為組件化，是可拆解的，具體實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中會(huì)讓其中某些軟件模塊缺失，學(xué)生自己根據(jù)翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)和開發(fā)相應(yīng)模塊單元，這就要求整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)滿足統(tǒng)一的可插拔標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)規(guī)則，因此系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)基于抽象工廠和建造者模式構(gòu)建，圖2給出了軟件模塊的抽象構(gòu)成，具體實(shí)現(xiàn)則可以由學(xué)生自行替換。

這些抽象構(gòu)成包括構(gòu)建者模塊（Builder）、抽象芯片模塊（Chip和IChip芯片）、抽象硬件模塊（IHardware）、器件模塊（IParts）。具體實(shí)現(xiàn)的主要難點(diǎn)和核心是MIPS指令執(zhí)行CPU的設(shè)計(jì)。CPU執(zhí)行指令時(shí)通過(guò)程序計(jì)數(shù)器來(lái)控制，約定控制器的狀態(tài)有空閑狀態(tài)、取指令狀態(tài)、指令執(zhí)行狀態(tài)。如果狀態(tài)為取指令狀態(tài)，那么在節(jié)拍器上升時(shí)去執(zhí)行取指令操作；如果狀態(tài)為執(zhí)行狀態(tài)，那么在節(jié)拍器下降時(shí)去執(zhí)行指令。其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)

翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程與實(shí)際指令分解執(zhí)行的過(guò)程基本相當(dāng)，被分解為四個(gè)步驟完成，包括：①內(nèi)存模塊初始化。內(nèi)存模塊通過(guò)總線掛載到CPU上，根據(jù)內(nèi)存的工作原理，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存尋址、內(nèi)存?zhèn)鬏?。?nèi)存的引腳對(duì)應(yīng)著節(jié)拍信號(hào)，CPU向內(nèi)存寫入地址時(shí)，此時(shí)引腳對(duì)應(yīng)的節(jié)拍信號(hào)是寫信號(hào)。②總線模塊實(shí)現(xiàn)寫入程序地址和數(shù)據(jù)，讀取線路上的數(shù)據(jù)，告知其他連接在總線上的器件，并且可加載其他功能器件等。③CPU模塊主要通過(guò)總線加載運(yùn)算器、控制器、內(nèi)存、緩存及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)，其運(yùn)作過(guò)程分別為Fetch（提?。ecode（解碼）、Execute（執(zhí)行）、Writeback（寫回）。④零部件模塊（ALU等）完成算術(shù)邏輯運(yùn)算如加減乘除、與或非異或等一系列運(yùn)算功能，高速緩沖存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)暫存功能，通用存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，程序計(jì)數(shù)器計(jì)算并指向下一條指令地址，譯碼器根據(jù)得到的數(shù)據(jù)譯碼，緩存暫存CPU運(yùn)算數(shù)據(jù)。

以上實(shí)驗(yàn)過(guò)程可通過(guò)可視化界面來(lái)導(dǎo)入程序和數(shù)據(jù)，運(yùn)行或者控制仿真系統(tǒng)執(zhí)行過(guò)程，如圖4所示。

三、基于MIPS指令仿真系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐探索

1.實(shí)施前的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

2007-2014年之間的《計(jì)算機(jī)組成》教學(xué)中，針對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息與計(jì)算科學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)三個(gè)不同的專業(yè)采用了不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和形式，其中計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)每學(xué)年約40-60人，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)包括運(yùn)算器部件實(shí)驗(yàn)、存儲(chǔ)器部件實(shí)驗(yàn)、微程序控制器部件實(shí)驗(yàn)、多級(jí)嵌套的中斷實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)器材采用多種型號(hào)的實(shí)驗(yàn)箱。信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)和應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)每學(xué)年約70-90人，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)包括74LS181運(yùn)算和邏輯實(shí)驗(yàn)、單片機(jī)仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、單片機(jī)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在Multisim仿真軟件系統(tǒng)上完成，不需要硬件器材。

對(duì)這兩種不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式進(jìn)行比較，比較的主要依據(jù)是2012-2014年三年間學(xué)生期末考試成績(jī)，用于了解學(xué)生知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，后者用于了解教學(xué)過(guò)程質(zhì)量水平。圖5為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的知識(shí)點(diǎn)考核錯(cuò)誤率，圖6為信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)和應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)知識(shí)點(diǎn)考核錯(cuò)誤率，筆者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理，可以看出，信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)學(xué)生的知識(shí)掌握程度要稍微弱于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生，但總體水平差異不大。

2.翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

2015年開始對(duì)信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)、應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)的《計(jì)算機(jī)組成》課程進(jìn)行了試驗(yàn)性改革，改革的主要形式是實(shí)踐課程的翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)[6][8]。開始僅要求學(xué)生自主仿真總線系統(tǒng)，逐步擴(kuò)展到CPU、內(nèi)存和指令系統(tǒng)多個(gè)環(huán)節(jié)，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)的MIPS指令仿真硬件系統(tǒng)由學(xué)生自主設(shè)計(jì)完成。為了配合進(jìn)一步的翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在理論教學(xué)方面也進(jìn)行了課時(shí)和內(nèi)容的調(diào)整。

（1）理論教學(xué)的調(diào)整

①培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)認(rèn)知水平[7][9]：在學(xué)期開始就向?qū)W生強(qiáng)化自主仿真教學(xué)的實(shí)用意義和最終能取得的成就；在每一章授課開始時(shí)先演示已有仿真系統(tǒng)的操作，并布置需要完成的仿真設(shè)計(jì)和開發(fā)任務(wù)。整個(gè)理論知識(shí)教授過(guò)程中都帶有明顯的目的性，讓學(xué)生認(rèn)為理論知識(shí)是基礎(chǔ)，重點(diǎn)是如何運(yùn)用理論知識(shí)完成仿真任務(wù)。在教學(xué)過(guò)程中，每周會(huì)抽出15分鐘時(shí)間對(duì)仿真任務(wù)的難點(diǎn)進(jìn)行講解和討論。從實(shí)際教學(xué)情況看，這些教學(xué)方式調(diào)整是十分必要的。

②調(diào)整理論和自主學(xué)習(xí)課時(shí)比例：《計(jì)算機(jī)組成》課程的知識(shí)體系是按照計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)由一般到復(fù)雜的順序組織的，分為基礎(chǔ)知識(shí)、系統(tǒng)總線、存儲(chǔ)器、輸入輸出系統(tǒng)、運(yùn)算方法、指令系統(tǒng)。每部分知識(shí)點(diǎn)都設(shè)置一部分自主學(xué)習(xí)的課時(shí)比例，要求通過(guò)自主學(xué)習(xí)完成自主仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。

（2）翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

自主仿真實(shí)驗(yàn)分為若干個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，基本上平均地分配在各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)中，如表1所示。

按照由易到難的原則，共有6個(gè)自主仿真實(shí)驗(yàn)，第一學(xué)期只用了其中的3個(gè)，逐步擴(kuò)展到其中5個(gè)，基本涵蓋了計(jì)算機(jī)組成原理的主要內(nèi)容。6個(gè)自主仿真實(shí)驗(yàn)被分成3組，要求學(xué)生按照組來(lái)遞交實(shí)驗(yàn)成果，成果包括自主開發(fā)的仿真程序和實(shí)驗(yàn)實(shí)施報(bào)告。

①BIT和Binary運(yùn)算實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是采用面向?qū)ο筌浖_發(fā)的方法實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制位和二進(jìn)制數(shù)的基本運(yùn)算，實(shí)驗(yàn)實(shí)施目標(biāo)為學(xué)生開始具備熟悉面向?qū)ο蠓庋b的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，以及必要的二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算知識(shí)。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)組成的知識(shí)點(diǎn)關(guān)系并不密切，主要面向信息與計(jì)算科學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)兩個(gè)專業(yè)學(xué)生開設(shè)。

②MIPS指令系統(tǒng)解釋器試驗(yàn)分為兩步，首先要求學(xué)生根據(jù)MIPS指令集（可以修改和簡(jiǎn)化）編寫斐波那契數(shù)列實(shí)現(xiàn)程序，進(jìn)一步要求學(xué)生自主開發(fā)解釋器系統(tǒng)執(zhí)行程序，其中涉及到CPU寄存器和內(nèi)存存儲(chǔ)，都只是要求簡(jiǎn)單地采用數(shù)組代替，因此該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是熟悉MIPS指令系統(tǒng)，具備初步的指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。

③系統(tǒng)總線與時(shí)鐘信號(hào)控制實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生用軟件仿真實(shí)現(xiàn)板集總線的信號(hào)（同步）傳輸過(guò)程，能夠顯示出系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)和掛接的芯片名稱。該實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是使得學(xué)生理解系統(tǒng)總線傳輸過(guò)程時(shí)鐘同步信號(hào)的作用，以及系統(tǒng)總線的基本分類。

④內(nèi)存工作仿真是自主仿真實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生用軟件實(shí)現(xiàn)內(nèi)存存儲(chǔ)芯片的引腳封裝，結(jié)合已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)總線，通過(guò)MAR和MDR寄存器仿真數(shù)據(jù)的存取操作，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)內(nèi)存組相聯(lián)cache的仿真功能。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是形成對(duì)存儲(chǔ)器工作原理的感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)cache工作細(xì)節(jié)的理解。

⑤中斷控制器實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生自主仿真實(shí)現(xiàn)單片Intel8259中斷控制器，能夠仿真中斷向量的形成過(guò)程。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是掌握中斷控制器和CPU之間的工作過(guò)程。由于受到課時(shí)限制，該部分實(shí)驗(yàn)實(shí)際沒有開展。

⑥CPU和控制器運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)，是所有自主仿真實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求完成寄存器、ALU、組合邏輯控制器的軟件仿真，并能夠讓MIPS指令系統(tǒng)解釋器實(shí)驗(yàn)中的斐波那契數(shù)列程序正常運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是促成學(xué)生理解CPU是如何執(zhí)行各類指令的運(yùn)行原理。

所有翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)連接成整體實(shí)際上構(gòu)成一個(gè)完整計(jì)算機(jī)，涵蓋的知識(shí)點(diǎn)比較齊全。內(nèi)容設(shè)計(jì)目標(biāo)還考慮提升學(xué)生軟件開發(fā)的能力和經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)目標(biāo)主要是針對(duì)信息與計(jì)算科學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)兩個(gè)專業(yè)的。此外自主仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是否合理還有一個(gè)關(guān)鍵性因素——仿真硬件的粒度，最理想是能夠仿真到門電路級(jí)別，限于課時(shí)、講師和學(xué)生能力，目前無(wú)法達(dá)到，因此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)只要學(xué)生將芯片內(nèi)部看成無(wú)結(jié)構(gòu)的黑箱，只要實(shí)現(xiàn)芯片的輸入輸出就可以。對(duì)于翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中“缺失”的部分，選擇了其中相對(duì)獨(dú)立、與理論教學(xué)知識(shí)點(diǎn)比較密切的幾個(gè)方面，如圖7所示。

其中虛線框部分為需要進(jìn)行“翻轉(zhuǎn)”的實(shí)驗(yàn)部分，整個(gè)實(shí)驗(yàn)要求圍繞“斐波那契數(shù)列數(shù)據(jù)前n位值”程序的設(shè)計(jì)、開發(fā)、運(yùn)行為主線，要求完成算法編程、指令驗(yàn)證、虛擬計(jì)算系統(tǒng)執(zhí)行過(guò)程，而對(duì)于虛擬計(jì)算系統(tǒng)中缺失的部分，則需要由各實(shí)驗(yàn)組自主完成。

3.翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)成效

對(duì)于翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)實(shí)施成效，主要從對(duì)知識(shí)點(diǎn)考核成績(jī)方面進(jìn)行分析?？己税ɡ碚摽己撕蛯?shí)驗(yàn)考核兩個(gè)部分。由于翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力有較高的要求，在實(shí)驗(yàn)考核部分也設(shè)計(jì)了一種基本難度等級(jí)的靈活性實(shí)驗(yàn)組合選擇，如表2所示（部分）。

對(duì)2015-2017年實(shí)施自主仿真實(shí)踐教學(xué)改革以來(lái)學(xué)生知識(shí)點(diǎn)掌握情況進(jìn)行了分析，分析的主要依據(jù)是三年來(lái)期末考試成績(jī)的知識(shí)點(diǎn)得分率（知識(shí)點(diǎn)平均得分/知識(shí)點(diǎn)總分值）。數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理，如圖8所示，可以看出，采用自主仿真軟件實(shí)驗(yàn)后，指令系統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)得到了明顯提高，總線和內(nèi)存知識(shí)點(diǎn)的掌握也有了一定程度的提高，CPU控制器部分則無(wú)明顯變化。

對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式進(jìn)行比較，比較的主要依據(jù)是2012-2014年三年間學(xué)生期末考試成績(jī)，用于了解學(xué)生知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，后者用于了解教學(xué)過(guò)程質(zhì)量水平。圖5為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的知識(shí)點(diǎn)考核錯(cuò)誤率，圖6為信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)和應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)知識(shí)點(diǎn)考核錯(cuò)誤率，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理，可以看出，信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)學(xué)生的知識(shí)掌握程度要稍微弱于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生，但總體水平差異不大。

翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)施都是《計(jì)算機(jī)組成》課程改革的一步創(chuàng)新，是近幾年來(lái)數(shù)位教師花費(fèi)了很多心思并付出努力得到的一些成果。下一步應(yīng)在鞏固這個(gè)教學(xué)成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)的效率和考核標(biāo)準(zhǔn)。此外，自主型實(shí)驗(yàn)是否可以在其他課程上采用，以形成一種教學(xué)的創(chuàng)新模式，是今后需要研究和嘗試的重要方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]Strayer J F.How learning in an inverted classroom influences cooperation，innovation and task orientation[J].Learning Environments Research，2012，15（2）：171-193.

[2]王超.基于仿真實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)組成原理考核方式改革研究[J].計(jì)算機(jī)教育，2016（3）：146-148.

[3]陸明洲，何菊.基于Multisim的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)仿真[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007（12）：94-98.

[4]周克峰，楊軍，孫靜，謝戈.計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的仿真技術(shù)研究[J].云南民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004（3）：236-240.

[5]李娟，梁英杰，郭暉.以自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)為目標(biāo)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育[J].計(jì)算機(jī)教育，2016（2）：79-81+89.

[6]葉愛敏，王佑鎂.嵌入微課程的翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式構(gòu)建與應(yīng)用——基于《現(xiàn)代教育技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐探索[J].中國(guó)教育信息化，2016（4）：28-31.

[7]馬秀麟，趙國(guó)慶，鄔彤.翻轉(zhuǎn)課堂促進(jìn)大學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力發(fā)展的實(shí)證研究——基于大學(xué)計(jì)算機(jī)公共課的實(shí)踐[J].中國(guó)電化教育，2016（7）：99-106+136.

[8]范士杰，王振杰，彭秀英.基于自主學(xué)習(xí)理念的GPS課程實(shí)踐教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（1）：146-149+201.

[9]張俐，張霞，靳燦燦等.大學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)模式研究[J].中國(guó)高等醫(yī)學(xué)教育，2016（2）：36-37.

（編輯：魯利瑞）