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摘 要：为了提高计算机系统结构实验课程的教学质量，结合多年的教学经验，采用了计算机系统实验课程的模拟器，本文首先分析了为什么要采用虚拟仿真来完成实验教学，然后结合具体的实验项目设置，有力阐述了怎样在实验课程中用虚拟仿真模拟器来进行教学的开展，最后分析了基于仿真教学的优势，为不断提高学生的动手能力和老师的教学水平起到了良好的促进作用。
关键词：实验教学 虚拟仿真 系统结构
中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（c）-0221-03
Abstract： In order to improve the teaching quality of experimental course of computer architecture， combined withyears of teaching experience， using a computer system experiment simulator， this paper analyzes why to finish the experiment teaching using virtual simulation， and then expounds how to carry out a powerful set of teaching in the course of the experiment with virtual simulator with specific experimental projects finally， analyzes the advantages of simulation teaching based on the ability to continuously improve the teaching level of teachers andstudents played a good role in promoting.
Key Words： Experiment teaching； Virtual simulation； System structure
2012年3月13日，教育部印发了《教育信息化十年发展规划（2011-2020）》，提出要利用先进网络和信息技术，整合资源，构建先进、高效、实用的高等教育信息基础设施，开发整合各类优质教育教学资源，推动信息技术与高等教育深度融合，创新人才培养模式。可见提升教育的信息化水平已是本科教学改革的趋势和方向，虚拟仿真技术的教学应用是高等教育信息化建设的重要举措，如何将其深度融合进本科教学体系，重新构建更利于教师教、学生学的新型的、基于教育信息化的本科教学课程就是高校教育教学研究的重要课题。
本课程是我们计算机学院软件工程专业一门重要的专业方向课，通过本课程的学习，使学生了解和掌握计算机系統结构基本原理和方法，掌握计算机系统的基本设计思路，能够让学生比较全面地掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析设计方法，建立起计算机系统的完整概念。与C语言、编译原理、数据结构等先修课程的内容相呼应，加深理解，提升层次，进一步形成软件工程专业知识架构。
本课程的教学目标是掌握计算机系统结构的基本概念，掌握定量分析的基本方法；理解指令结构的分类及指令结构设计中应考虑的各种因素；掌握流水线的基本概念、分类以及性能分析，理解MIPS流水线；掌握流水线中的各种冲突以及解决方法；理解向量处理机及其性能评价；理解多级存储层次，掌握Cache的基组成及工作原理，掌握改进Cache性能的方法；掌握输入与输出系统的基本概念以及廉价磁盘冗余阵列RAID；掌握多处理机系统的两种存储结构模型、互连网络知识；掌握有关机群系统的基本概念、机群的基本结构以及机群的特点和分类。
当然，这门课程的教和学的过程中都存在不少困难，很多理论原理用传统的教学法难以让学生有效地理解，怎样将体系结构课程中那些抽象难懂的主题以生动清晰的方式展现在学生面前，让学生可以与这些主题中的流程动态交互的方式来学习，是这门课程教学中的一个挑战。虚拟仿真器（即模拟器）就成为解决这一挑战的有力工具。
1 虚拟仿真实验项目的设置
在国外著名大学的教学中都借助了这样的手段，诞生了许多这样的模拟器工具，在国内设计的模拟器中，有目共睹的是同济大学的张晨曦教授开发的一套体系结构模拟器算是国内同类模拟器中的佼佼者。在我们的教学使用中也发现它简单易用，原理展示清晰，基本能满足我们的教学需求。通过实验项目的训练，如表1所示，深刻加深学生对计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构的理解，掌握计算机系统性能评价的各种方法和实现流水线结构的基本实现技术。
2 虚拟仿真实验的优势分析
本课程实验教材为2015年清华大学出版社出版的张晨曦教授主编的《计算机系统结构实践教程》的第二版，经过一学期的学习与训练，清晰认识到了引入虚拟仿真技术，对提升教学效果具有非常重要的作用。
（1）促进理论课程教学方式的转变，不再是老师一味的讲述，而是变成了师生共同发现问题，解决问题这样一种讨论式的学习模式，有效降低理论课程的教学难点，极大了提高了学习效率与教学质量。
（2）促进实验课程结构的改善，不但可以让学生课前模拟实验操作，初步找准实验教学的难点，有力增加课堂真实实验的成功概率，还可以把多个验证性实验课时进行整合，为提高型、综合性实验提供完整的实施路径，为扩展性实验提供良好平台。
（3）促进多学科的理论知识的整合，不断完善学生的知识结构，并能在仿真平台上构建不同参数，实施不同模拟方案，反复操作感悟，加深理解，达到课程资源的建设的更加完善，增强实践类、综合类课程的作用，为精品课堂、翻转课堂、慕课建设等教学改革发展提供推动力。
综上所述，不难看出虚拟仿真技术在计算机系统结构实验课中的积极作用，不仅能使理论与实践课程相结合，提高课堂教学效果，而且能夯实整个计算机专业知识体系结构，进一步提高学生的解决问题能力和知识创新能力，也能促进本科教学质量的稳步提高。
3 结语
计算机体系结构是计算机本科专业中一门承上启下的重要的专业课，能够把计算机组成原理、操作系统、编译原理、汇编语言等课程中所学的软硬件知识有机地结合起来，有利于建立起计算机系统的完整概念。结合近些年的教学实践经验，深入探讨了虚拟仿真技术在本课程实验教学中的应用方法，虚拟仿真技术能极其显著地提高教学的效果，给师生带来轻松简便的学习感受，当然实践中还需进一步加强虚拟仿真技术与教学的深度融合，改进不足之处。
（致谢：本文得到了黄冈师范学院省级实验教学示范中心教学研究项目的大力支持，项目名称：计算机系统结构实验的虚拟仿真技术研究。）
参考文献
[1] 国家中长期教育改革和发展规划纲要工作小组办公室，国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）[Z].2010.
[2] 张晨曦，李江峰，刘依，等.计算机系统结构实践教程[M].2版.北京：清华大学出版社，2014.
[3] 祖强，魏永军.国家级虚拟仿真实验教学中心建设现状探析[J].实验技术与管理，2015，32（11）：156-158.
[4] 杜振军，桑国明.基于Web的虚拟仿真器在《计算机体系结构》本科教学中的应用[J].教育教学论坛，2016（42）：179-181.
[5] 刘为浒，郝佩佩，黄骥.虚拟仿真技术在本科教学中的应用研究[J].中国农业教育，2016（3）：91-96.
关键词：实验教学 虚拟仿真 系统结构
中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（c）-0221-03
Abstract： In order to improve the teaching quality of experimental course of computer architecture， combined withyears of teaching experience， using a computer system experiment simulator， this paper analyzes why to finish the experiment teaching using virtual simulation， and then expounds how to carry out a powerful set of teaching in the course of the experiment with virtual simulator with specific experimental projects finally， analyzes the advantages of simulation teaching based on the ability to continuously improve the teaching level of teachers andstudents played a good role in promoting.
Key Words： Experiment teaching； Virtual simulation； System structure
2012年3月13日，教育部印发了《教育信息化十年发展规划（2011-2020）》，提出要利用先进网络和信息技术，整合资源，构建先进、高效、实用的高等教育信息基础设施，开发整合各类优质教育教学资源，推动信息技术与高等教育深度融合，创新人才培养模式。可见提升教育的信息化水平已是本科教学改革的趋势和方向，虚拟仿真技术的教学应用是高等教育信息化建设的重要举措，如何将其深度融合进本科教学体系，重新构建更利于教师教、学生学的新型的、基于教育信息化的本科教学课程就是高校教育教学研究的重要课题。
本课程是我们计算机学院软件工程专业一门重要的专业方向课，通过本课程的学习，使学生了解和掌握计算机系統结构基本原理和方法，掌握计算机系统的基本设计思路，能够让学生比较全面地掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析设计方法，建立起计算机系统的完整概念。与C语言、编译原理、数据结构等先修课程的内容相呼应，加深理解，提升层次，进一步形成软件工程专业知识架构。
本课程的教学目标是掌握计算机系统结构的基本概念，掌握定量分析的基本方法；理解指令结构的分类及指令结构设计中应考虑的各种因素；掌握流水线的基本概念、分类以及性能分析，理解MIPS流水线；掌握流水线中的各种冲突以及解决方法；理解向量处理机及其性能评价；理解多级存储层次，掌握Cache的基组成及工作原理，掌握改进Cache性能的方法；掌握输入与输出系统的基本概念以及廉价磁盘冗余阵列RAID；掌握多处理机系统的两种存储结构模型、互连网络知识；掌握有关机群系统的基本概念、机群的基本结构以及机群的特点和分类。
当然，这门课程的教和学的过程中都存在不少困难，很多理论原理用传统的教学法难以让学生有效地理解，怎样将体系结构课程中那些抽象难懂的主题以生动清晰的方式展现在学生面前，让学生可以与这些主题中的流程动态交互的方式来学习，是这门课程教学中的一个挑战。虚拟仿真器（即模拟器）就成为解决这一挑战的有力工具。
1 虚拟仿真实验项目的设置
在国外著名大学的教学中都借助了这样的手段，诞生了许多这样的模拟器工具，在国内设计的模拟器中，有目共睹的是同济大学的张晨曦教授开发的一套体系结构模拟器算是国内同类模拟器中的佼佼者。在我们的教学使用中也发现它简单易用，原理展示清晰，基本能满足我们的教学需求。通过实验项目的训练，如表1所示，深刻加深学生对计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构的理解，掌握计算机系统性能评价的各种方法和实现流水线结构的基本实现技术。
2 虚拟仿真实验的优势分析
本课程实验教材为2015年清华大学出版社出版的张晨曦教授主编的《计算机系统结构实践教程》的第二版，经过一学期的学习与训练，清晰认识到了引入虚拟仿真技术，对提升教学效果具有非常重要的作用。
（1）促进理论课程教学方式的转变，不再是老师一味的讲述，而是变成了师生共同发现问题，解决问题这样一种讨论式的学习模式，有效降低理论课程的教学难点，极大了提高了学习效率与教学质量。
（2）促进实验课程结构的改善，不但可以让学生课前模拟实验操作，初步找准实验教学的难点，有力增加课堂真实实验的成功概率，还可以把多个验证性实验课时进行整合，为提高型、综合性实验提供完整的实施路径，为扩展性实验提供良好平台。
（3）促进多学科的理论知识的整合，不断完善学生的知识结构，并能在仿真平台上构建不同参数，实施不同模拟方案，反复操作感悟，加深理解，达到课程资源的建设的更加完善，增强实践类、综合类课程的作用，为精品课堂、翻转课堂、慕课建设等教学改革发展提供推动力。
综上所述，不难看出虚拟仿真技术在计算机系统结构实验课中的积极作用，不仅能使理论与实践课程相结合，提高课堂教学效果，而且能夯实整个计算机专业知识体系结构，进一步提高学生的解决问题能力和知识创新能力，也能促进本科教学质量的稳步提高。
3 结语
计算机体系结构是计算机本科专业中一门承上启下的重要的专业课，能够把计算机组成原理、操作系统、编译原理、汇编语言等课程中所学的软硬件知识有机地结合起来，有利于建立起计算机系统的完整概念。结合近些年的教学实践经验，深入探讨了虚拟仿真技术在本课程实验教学中的应用方法，虚拟仿真技术能极其显著地提高教学的效果，给师生带来轻松简便的学习感受，当然实践中还需进一步加强虚拟仿真技术与教学的深度融合，改进不足之处。
（致谢：本文得到了黄冈师范学院省级实验教学示范中心教学研究项目的大力支持，项目名称：计算机系统结构实验的虚拟仿真技术研究。）
参考文献
[1] 国家中长期教育改革和发展规划纲要工作小组办公室，国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）[Z].2010.
[2] 张晨曦，李江峰，刘依，等.计算机系统结构实践教程[M].2版.北京：清华大学出版社，2014.
[3] 祖强，魏永军.国家级虚拟仿真实验教学中心建设现状探析[J].实验技术与管理，2015，32（11）：156-158.
[4] 杜振军，桑国明.基于Web的虚拟仿真器在《计算机体系结构》本科教学中的应用[J].教育教学论坛，2016（42）：179-181.
[5] 刘为浒，郝佩佩，黄骥.虚拟仿真技术在本科教学中的应用研究[J].中国农业教育，2016（3）：91-96.