“計算機組成原理”課程教學改革探索

摘要：本文針對“計算機組成原理”課程的特點和教學難點，提出在授課中堅持以系統整體結構組成為主線，以工程應用為中心，理論結合實踐的教學思路，對教學內容的安排、授課方式進行了新的探索；且在實踐環節注意加強學生的硬件動手能力和創新能力，充分利用多媒體及網絡技術促進教學互動和教學相長。

關鍵詞：計算機組成原理；課程；教學改革；教學互動

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913（2007）06-0014-03

“計算機組成原理”是計算機科學與技術專業的一門核心專業基礎課程。從課程的地位來說，它是“計算機操作系統”、“微機原理與接口”、“計算機系統結構”等課程的先導課程，在整個專業課的教學中，起著承上啟下的作用。它的主要教學任務是使學生能系統地理解計算機硬件系統的邏輯組成和工作原理，培養學生對計算機硬件結構的分析、應用、設計及開發能力。

但是“計算機組成原理”這門課程具有知識面廣、內容多、難度大、抽象等特點，在各個高校中普遍存在著“教師難教，學生怕學”的現象。不少學生剛接觸到這門課時，學習勁頭很足，但一段時間以后，就覺得這門課枯燥無味，凌亂繁雜，導致學習興趣下降，甚至學習結束時，還未建立起清晰的整體概念，似懂非懂。為了應付考試學生往往死記硬背，從而難以達到教學目的。

因此，如何把握課程的主線和重點，使學生不但打下堅實的理論基礎，同時具備一定的開發設計和動手能力，培養并增強學生的自信心，改變當前學生中“重理論、輕實踐，偏軟件、怕硬件”的現象，就成為這門課的授課過程中必須解決的問題。針對課程的特點，我們在教學實踐中探索新的教學方法和模式，在多個環節進行了改革和實踐。

1 精選教材與教參

教材改用蔣本珊編著、清華大學出版社出版的《計算機組成原理》。該教材既強調了基本概念和基礎知識，又注意與實際應用相結合，并且對許多新技術和新的發展方向作了不同程度的介紹。在精選主教材的同時，為學生推薦輔助教材如王愛英編著、清華大學出版社出版的《計算機組成與結構》；William Stallings的《Computer Organization and Architecture》，并引導其閱讀。使學生們能在學習中文教材內容的同時適當閱讀英文參考資料，為以后順利查閱專業英文文獻打好基礎。

與此同時，推薦《電腦愛好者》、《PC DIY》、《電腦報》等相關課外讀物，提高學生的學習興趣并開闊眼界。

2 課堂授課以整體結構為主線，理論結合實際

2.1 總體把握、詳略得當，避免“碎繁”

在組成原理課程授課中，前后信號聯系頻繁，容易給人以“繁”的感覺。而 CPU、存儲器、接口、外設等各自成章，零零碎碎，容易給人以“碎”的感覺；學生容易把每一章內容獨立起來理解和學習，結果只見樹木不見森林，不能很好地從整體上把握系統結構。因此，對授課內容的組織作一定的改革，在第一章系統概論講解中，多用一至兩次課的時間將整個系統結構講授清楚，從結構框圖出發，整體到部分，然后再回到整體。最終使學生在進入各章節的學習前有一個較明晰的總體概念。并且，在各章節的授課中注重培養學生從總體上把握內容，理解本章節的作用和地位以及和其他章節內容在總體結構上的聯系。

在授課內容安排上注意做到詳略得當，對重點和難點多作分析和講解，如編碼和譯碼、CPU數據通路、輪詢和中斷等概念的講解。

這些概念都比較抽象難懂，可多用生活中的例子作啟發。例如：編碼和譯碼可以通過實際設計一個遠程搶答系統為例說明編碼譯碼的特點和優點；CPU數據通路系統可通過供水管網控制，或河流渠道的閘門控制比喻說明；輪詢和中斷則通過比較教師挨個收作業和科代表收齊作業后上交兩種方式進行說明。而對比較次要的技術或在后續課程中有詳細講解的內容，如磁帶存儲器、ISA總線、虛擬存儲器、流水線等，則在授課時只作簡要介紹。

2.2 理論推導結合工程發展與應用避免“亂”

由于“計算機組成原理”這門課程幾乎沒有嚴格的數學推導，工程技術性強，表面看像各種技術介紹的簡單堆疊，容易給人以“亂”的感覺；因此在授課中主要從三個方面改進：

一是對能推導的部分適當給出一定的數學推導，如數據校檢原理，指令編碼、數值的機器運算，Cache訪問時間等，從而形成較嚴謹的理論依據。

二是從技術發展的角度講解，通過歷史事例說明工程技術的螺旋上升發展過程，從而自然引出現有技術系統。例如在講解比較RISC和CISC指令系統時，以及在講解CPU控制器設計的微程序與硬布線時，給出當時的技術條件，于是就很自然地得出了：在特定的技術條件下，一種技術比其對應的技術更適用，而隨著技術條件的發展，適用性可能剛好相反，使得技術總體呈螺旋上升發展的趨勢，從而使學生能夠用比較辯證的觀點來學習相關技術和知識，而不是死記硬背。

三是采用啟發互動的方式，讓學生根據要求和條件自己設計，最終領悟課程中經常涉及的“時間與空間”、“速度與容量”、“性能與價格”的權衡技術和方法。例如在講解存儲系統的層次結構時，給出各種存儲體的訪問速度、價格、失配率等，讓學生自己設計存儲系統并比較優劣。這樣，通過自己實際設計，學生在掌握相關知識的同時也能深刻體會到計算機組成在很大程度上是一門權衡的藝術，而不是凌亂的技術堆砌，從而培養學生從多方面思考理解問題。

2.3 結合實際應用，補充新內容，避免“舊”

組成原理課程授課內容涉及的技術發展很快，教材難以及時更新，容易給人以“舊”和“過時”的感覺，極大地妨礙了學生的學習興趣。因此在授課中注意補充技術的最新發展狀況，補充相關的新生事物介紹。如在講解主存儲器時加入DDRII介紹，結合課本上的SDRAM，介紹它們的技術異同并比較相關技術參數；在講解中央處理器時加入市面上流行的CPU的技術簡介等。這樣和實際發展結合，可以提高學生的學習興趣。

在課程進行到期中時，可以組織同學進行一次“電腦DIY”的討論，要求所選機器滿足：市場主流配置、性能價格合理等條件。這樣，可以使同學們感受到學以致用的好處，同時認識到自己知識的不足。結果既使全班同學增長了實際技能，又激發了他們的學習熱情，收到了意想不到的教學效果。

3 在實踐環節加強硬件動手能力

動手能力尤其是硬件動手能力一直是教學的軟肋，組成原理的很多概念是在軟件硬件密切配合下形成的，如果脫離實踐，會給人以“虛”的感覺。為此，在教學中加強實踐環節，我們把培養學生的實際動手能力放在重要地位。實踐環節分課內實驗和課程設計兩部分，課內實驗主要是驗證性實驗，使學生對硬件系統有一定的感性認識并鞏固所學的理論知識，課程設計則要求學生有一定的分析和設計能力。實驗系統采用內、外總線結構，按開放式的要求設計了各關聯的單元實驗電路，系統可按部件層次組合方式逐次構造不同結構和復雜程度的部件實驗電路及模型計算機。以此為基礎，有針對性地編寫了實驗指導書，讓學生自己動手完成各基本單元的連接并驗證通過，如運算器、存儲器和總線、緩沖、指令部件等單元實驗。最后在課程設計階段軟硬件結合構造出一個完整的模型機系統。

在傳統的實踐環節中，學生對硬件系統組成的理解基本停留在原理圖層面，對實際的芯片封裝，電氣布線幾乎沒有了解，對實際的硬件望而生畏。為此，對實踐環節作改進，引導學生根據原理圖和實際使用的器件查閱其實際電氣參數及封裝等工程說明文檔，并要求在實驗箱中找出具體的芯片位置，說明實際的數據通路等。這樣既培養學生查閱相關英文資料的能力，又在一定程度上改善多數學生“偏軟怕硬”的狀況。此外，指導部分學有余力的學生參與到嵌入式系統的設計和開發課題中，以及鼓勵他們積極參與各種競賽活動，可以進一步培養其動手和創新能力。

4 充分利用現代教學手段

充分利用現代教學手段也在一定程度上提高教學效果。在組成原理課程中，時序、數據通路、存儲管理過程等概念均比較抽象或難懂。但借助多媒體課件，通過生動形象的動畫效果演示計算機內部結構及信號流程可以變抽象為具體。形象直觀的演示和強大的交互功能，可以使學生寓教于樂，極大地改善了課程中枯燥、抽象難懂部分的教學效果。

此外，進行網絡課程建設也是改進教學的重要手段。通過網絡，學生可以下載課件、提交作業、自我練習、提出問題和建議。教師可以上傳課件、布置作業、公布答案、回答問題。通過這種方式，改變了傳統的師生交流方式，實現了網絡化的教學互動，提高了教學效率，并獲得了良好的教學反饋。

練習和考試也是完成教學任務的重要手段。通過建立“計算機組成原理”試卷庫和試題庫，可以使考試更加標準化、規范化。在庫中要力圖體現本課程的特點、重點、難點。通過這樣的考試，可以對考試成績進行分析和總結，進一步反映到教學中去，促進教改，圖1是依托學校精品課程建設網實現的網絡化教學系統。

圖1網絡化教學系統

總之，“計算機組成原理”課程教學應在把握總體、調整優化內容、結合實踐等方面積極探索，并充分利用網絡和多媒體技術促進教學互動和教學相長，培養大學生理論聯系實踐能力以及創新素質。同時也需要計算機教育工作者不斷地追求新知識，學習新技術，提高自身知識水平和素養，并積極探索改進教學方式方法，以取得更好的教學效果。

參考文獻:

[1] 蔣本珊.計算機組成原理[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2] 王愛英.計算機組成與結構（第3版）[M].北京：清華大學出版社，2001.

[3] 汪文.“計算機組成原理”課程的教學探討[J].中國地質教育，2002，（1）：31-33.

[4] 李繼芳.“計算機組成原理”教學方法的實踐與探索[J].浙江萬里學院學報，2004，（4）：27.

[5] 鄭玉彤.“計算機組成原理”課程實現的比較研究[J].中央民族大學學報，2003，（1）：19.

收稿日期：2006-11-13

作者簡介：

鄭文斌（1973-），男，四川省彭州市人，講師，碩士，主要研究方向為嵌入式系統、圖像處理；

陳曉竹（1968-），女，黑龍江省哈爾濱市人，副教授，碩士，主要研究方向為嵌入式系統、儀器儀表；

劉硯秋( 1977-) ，女，河南省洛陽人，講師，碩士，主要研究方向為網絡多媒體。