計算機組成原理20年建設效果回顧與展望

2010-01-01 00:00:00原亮丁國良楊文飛陳利軍楊素敏

教學研究 2010年5期

[摘要]通過介紹軍械工程學院計算機組成原理建課和改革20年來的背景、思路、方法，闡述了該項教學的講授、實驗、課程設計等各個環節之間的關系，以及對其進行完善、發展的諸多努力。再經詳細回顧具體實施方法以及真實列舉學生多年來的工作積累，佐證了組成原理教學改革的重要意義以及由此而取得的一定成就。進而，對本課程今后的發展方向和實施過程概要地進行了展望，提出了4點深化建設的原則。

[關鍵詞]組成原理;實驗環境;硬件教學;課程設計

[中圖分類號]TP391.6[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634(2010)05-0034-04

0引言

《計算機組成原理》(以下簡稱“組成原理”)是計算機科學與技術專業的硬件類核心課程。國內一些院校正式開設該課至今適逢20周年，此間計算機技術得以長足發展，計算機教育亦獲空前普及，組成原理也已成為諸多院校的重點建設課程之一。本文主要以軍械工程學院的實施情況為例并參照部分其它院校的成功做法，作以回顧性的總結，進而對其發展予以方向和措施上的展望。

1歷史沿革

組成原理的前身是《計算機原理》，當時多以抽象介紹計算機內部器件的工作原理為主，缺少相應的實驗和驗證，講授難度大、理解效果差。盡管這在早年的技術背景下無可厚非，且曾大有作用，但終究無法跟上時代的步伐，不能滿足高速發展的教學需求。為此，美國計算機教育界于1987年公布了“87教程”對此進行改革。國內相關部門亦同步推出“計算機科學與工程專業示范教學計劃”，進而迅速組織專家編寫組成原理教材，并于1989年在國內數所院校得以試用。

組成原理是一門承上啟下的專業基礎課，從系統與實現的角度講述計算機組成，并添加了具體的硬件實驗和新的技術內容。這種以同步實驗為要求、真實設計為背景、實際運行為目標的方式，使學生不但能綜合運用所學的理論知識完成模型計算機的分析、設計等實驗，而且在此基礎上可自行把握課程之間的“接口”，較為自然地感受到計算機科學與應用技術的“主線”。這樣，其它后續課程陸續開設時，可以處于較為平滑的銜接狀態，有助于學生在不同的課程之間形成寶貴的橫向聯系。

這種方式還為進一步加強學生的科學思維修養、形成完整的“硬件課程鏈”起到了積極作用，并使他們能舉一反三、觸類旁通地拓展所學知識，具體歸納到更為一般的系統模式、結構和規律的學習研究上。因此，該課于數年之后廣受認可，并逐步普及至國內大部分理工科院校的計算機專業。

軍械工程學院的組成原理課程過渡工作亦于1989年開始。課程組始終關注國內外相關教改情況，與該領域中的多所領先院校保持長期合作，在課程建設方面做出不懈努力，以適應軍隊相關學科建設和專業發展的需要。幾經總結提高后，教學效果令人滿意，后被評為軍械工程學該院優質課程。

2建設思路

培養高素質計算機應用人才，無疑是組成原理課程內容改革的總體目標。而對其實施方式，教育界多有理論和實踐方面的對比[1]、論證和研究[2]。在軍械工程學院，則是始終堅持“高起點、大跨度、重實現、拓思路”之基本方向，不斷強調“加強以獨立思維、創新意識為培養目標的素質教育”和“實施以精講多練、提高能力為主要內容的授課方法”，并以此持續性地指導該課程的整體建設[3]。

2.1課程內容的改革

1)拓展結構。在組成原理課程教學中，不僅應向學生介紹計算機及主要外設的基本構成和工作原理，而且要從講授內容上將運算器、控制器等抽象知識直接拓展至具體、典型的CPU芯片和其它相關新型器件的實現。除了領悟整機內部運作方式的傳統方法，更為重要的是拓展教學方式和結構，增加實驗環節，以同步提高其思考和動手能力。

2)更新內容。在教學內容選擇上，始終需要基礎與先進并重，教學與科研結合。所謂把握基礎即明確該課程的教學目標，強調單處理機系統的原理與結構、理論和實現，引導學生掌握課程的本質;注重先進則是將成熟的技術、先進的部件、器件甚至高檔PC機的結構反映在教學過程中。通過教學與科研的結合，可為學生創造條件、提供機會，適當地從科研成果中熟悉一些ISP、FPGA和嵌入式系統等先進技術[4]，爭取日后能夠盡快適應相應的硬件工作環境。

2.2實驗環節的改革

1)加強實驗。新器件、新技術、新方法、新思路的引進，使得傳統教育模式下大多依賴書本知識而無暇它顧的陳舊做法自然受到無法回避的挑戰。動手實驗構成了組成原理不可或缺的教學環節，個性與創新更已成為計算機教育工作中的一大特色。學生在完成基礎實驗后，還能按照自己興趣和能力深化實驗，為此，有些院校還專門對實驗環境進行了十分深入的研究[5]。

2)增加設計。改革后的組成原理增加了一個獨立的課程設計。其核心內容就是在前期實驗的基礎上，進行一臺模型計算機的綜合設計、連接、調試和運行，培養學生獨立思維能力和創新意識、提高硬件實驗的技能與制作水平，以完整掌握計算機的基本組成與運行原理。

3)深化應用。課程設計通過強調工程性和技術性，還可以進一步拓展學生的實踐內容，包括進行各類串口、并口、電機等與接口技術相關的部分實驗。此外，將ISP技術引入組成原理課程后[6]，能完成結構更復雜、內容更新穎的單片系統研究。

3效果體現

通過多年努力和有效工作，課程組成員逐步豐富了教學經驗，完成了教學改革的基本要求。授課質量的持續提高和歷屆學生能力的不斷超越，又促進了軍械工程學院計算機專業教學的整體完善與深化[7]。組成原理的建設經驗主要體現于兩個方面。

3.1教學綜合環境的改善

組成原理的創新工作首先體現于“教”，所以在教學準備過程中先期開展的內容重“軟”，即在教學思路、模式方面的改革。解決上述問題后，創新工作的焦點又集中于“學”，因此在教學實施過程中隨之進行的內容偏“硬”，即在環境、設施方面的完善[8]。

1)“軟件更新”始于采用全國統編教材。盡管某些版本留有未盡完善之虞，但可通過自編相應的實驗指導予以明示，而且可以重點突出針對性、可行性和知識綜合性。主要教材相同，實驗裝置類似，有助于增加不同學校之間教學效果的可比性。另外，課堂教學的“內容規范化、形式多樣化”主要體現于課件制作和網絡輔導，既具有較為嚴謹的科學性和較為完整的藝術性，又力求樸實、清晰、易于學生接受，同時還便于日后修改補充。而課程本身的難度、相關工作的規模自然要求強調團隊合作機制和出臺教學能力提升措施，使得教師之間得以分工合作、相互借鑒、取長補短、共同提高。

2)“硬件升級”首推“實驗設備綜合化”。在現有設備基礎上，軍械工程學院與許多院校一樣，先后自主開展了實驗器改進[9]、GAL等可編程器件和EDA技術引入[10]等嘗試，并在穩定后落實于后續的常規實驗過程，滿足了不同階段、層次的教學需要。其次為“學習環境網絡化”。早在1994年，課程組成員就已借助專業優勢，制定了理論與實踐互補、課堂與網絡結合的教學研究課題，在學院率先進行了網絡化教學嘗試并予以成功運用[11]。再者，就是“課終考試題庫化”。在軍械工程學院，本課程最終的總評成績是由平時作業、綜合實驗和課終考試三個部分組成，相應的試題庫和自動組卷、閱卷系統的技術實現難度較大。于是，課程組專門立題，在專用的服務器上完成了整體系統的開發和維護，同時，“順便”進行了大量的“教學資料數字化”等工作。

3.2學生動手能力的提高

對于學生而言，能力的提高在動手實驗和課程設計過程中尤為明顯。課程組將實驗分為基礎、提高和創新共三大類型，且內容關聯，難度遞增?；A實驗分時安排，以滿足在實驗器材總量不足情況下，設備一人一套、獨立操作的要求。隨著整體水平的上升，學生進步效果明顯，表現如下。

1)基礎實驗的提高。1991年，學生已將基礎實驗予以改進，增加可讀性較強的數碼管以代替發光二極管進行狀態顯示。次年，全面完成使用3片EPROM芯片取代傳統的4片模式，并且嘗試了RISC工作方式，進行了定長指令的實現。1995年，完成了使用單片EPROM的模型機設計與實現。雖然難度陡增，但其成本有降，成為日后課程設計的基礎方案。1996年使用GAL芯片的邏輯電路設計又使實驗增添了新的內容，其水平亦達新高。

2)提高實驗的創新。1997年，兩名學生針對所用的組成原理實驗器在結構進行了重大改進，使其具有了取消插線、真實芯片、聯網運行、自動診斷四大特征。2001年，又有學生在此基礎上實現了由“中心實驗器”和不同的實驗模塊所組成的“可配置”實驗環境，使其使用時更加靈活、方便。

3)創新實驗的突破。2005年開始，課程組將創新實驗與學院的“科技小制作”活動相結合，使學生們能夠親自動手設計、制作和調試完成一些具有較高難度的“趣味型”計算機控制系統[12]。所以，在每次評比中總能名列前茅，甚至力拔頭籌。2008年，5名學生在完成課程設計之后，再接再厲實現了一個光電方式引導運行的模型車，以此參加第四屆“博創杯”全國大學生嵌入式計算機設計大賽并進軍決賽，獲得二等獎。

4課程展望

回顧計算機組成原理教學20年的歷程后可以清晰看到，任何一門課程或教學方法，只有隨著技術的發展而賦予新的概念、內容與執行方式，才能不斷適應新的情況、滿足新的要求并取得預期成效。盡管組成原理已有成績斐然，但進一步的完善仍系任重道遠。毋庸置疑，組成原理學時較多，綜合性強。無論是教學規劃、實驗環境，還是硬件需求、軟件結構，其領域覆蓋寬度和知識涉及深度均為其它單獨的計算機課程所難以比擬。從而，使得組成原理彰顯之學習難度遠較它課為高。因此，后續改革仍有“合理目標是前提，教師素質是基礎，實驗環境是關鍵，學生自律是保證”的特征，應予透徹理解和準確把握。對此，可粗略地提出本課程今后發展和實施過程中有待考慮的4點原則如下。

4.1以求“新”為目標的先進性原則

計算機硬件類的教學內容和實驗手段已經逐漸從中小規模集成電路過渡到超大規模集成電路，從單元電路過渡到數字系統，其分析和設計方法亦有了極大的更新和變革。RISC結構和多核處理器等產品的出現，均及時反映出了組成原理與系統結構等方面最新和成熟的前沿理論與技術。本課程在講授過程中，需將這些先進技術盡量結合相關基礎內容在學生承受范圍之內予以適度介紹，使其能夠了解前沿技術的發展與動向。

就軍械工程學院情況而言，學生們學習潛力巨大，每屆都有天資聰穎、出類拔萃者涌現。只要“教”、“學”得當，他們總能達到一個新的、合理的學習和實驗高度。所以，將先進的商用芯片與新型設備作為一種可以生動演示的“實驗器材”[13]，有望使學生將質樸的好奇心轉變成強烈的求知欲，進而生成深邃的專業理解。同時，促使相關教學內容“煥然一新”，達到“高起點”的效果和“大跨度”之目的。

4.2以求“實”為目標的穩定性原則

組成原理學習過程中，所有主要內容均連帶課后實驗。理論講述和實驗環節需要有機配合，其掌握情況直接影響著后續的學習效果。精心設計的實驗能使學生以最為實際、實在和實惠的方式接受訓練和挑戰。學生的能力雖難于用卷面分數直接衡量，卻易于通過實驗效果予以評判。因此，實驗過程不僅要求保持形式的完整，更要像授課內容與考試標準一樣，通過制度的落實以保證質量的穩定。

除購設備置花費外，維系實驗另需資金和人力的穩定投入。高檔實驗平臺較為復雜而功能齊全，且對長時間、大強度使用的耐受性較好，操作靈活而性能穩定。雖說前期投資較大，但能長期使用，避免了頻繁的維護或更換，利于用戶專注于特點的熟悉、細節的把握和潛力的發掘。理想實驗平臺應能構成基于網絡的硬件實驗環境[14]。教師可在不打擾學生正常實驗的情況下，通過后臺操作對網上每個實驗進行實時監測、記錄，并客觀、公正、直至自動評價每個學生整個實驗過程的操作情況。

4.3以求“深”為目標的專業性原則

求“深”是為了使學生既具備計算機理論、方法等方面堅實的基礎，又能對整機內部運作方式透徹領悟。作為計算機專業的學生，在設計過程中只應參考而不可照搬或依賴演示范本，不僅應該創造性地設計并完成一組可用的指令集，而且需要按此編制具備一定功能的匯編程序。以此在其能力和總體的要求范圍內，充分得到從基礎、實現、自我完善、環境適應等諸多方面的深化訓練，盡可能全面地掌握簡單CPU的設計方法或充分發揮其運行潛力所需的精湛技巧。

為此，又需教師為完善實驗環境再行考慮下列具有一定專業深度的七項結合，即真實芯片與模型電路、硬件操作與軟件仿真、模擬演示與課堂教學、學生實驗與教師監控、接線顯示與自動糾錯、參數測量與虛擬儀器、以及故障設置與問題排除。

4.4以求“寬”為目標的拓展性原則

目前，不同的硬件課程之間的內容聯系越來越緊密，不同的實驗規模帶來的效果差異越來越明顯。有鑒于此，組成原理教學則應更好地發揮其獨到的綜合優勢，對于其它諸如接口技術、單片機以及嵌入式系統等相關課程予以適度關注，亦可在允許的情況下將其部分內容納入，甚至直接進行匯編語言等類課程的歸并[15]。再經悉心倡導，又可鼓勵學生“橫向”拓展，將多條“線性”知識經由不同角度的編織而融會貫通，自行“拓寬為面”。

在相關實驗器材方面，理應繼續以組成原理內容和實驗為主線，在現有基礎上使用成熟技術與新型器件再行拓展，爭取向前延伸至數字電路，包容常用觸發器或門電路的實驗;向后擴充到系統結構，進行新型計算機體系的探索。此舉亦即前述“重實現”的目標深化和“拓思路”的設備保障。

5結束語

20年來，組成原理教學所惠及的范圍甚廣，不僅僅是廣大學生，任課教師也同樣獲益匪淺。前述教學模式成功避免了機械、勉強地生搬硬套、步入僵化的傾向，對于其它硬件、軟件類課程的改進當有裨益。令人備感欣慰的是，在創新型實驗過程中，學生之間不謀而合地形成、總結的不少行之有效的學習與工作方法，又與一些學者所大力推許的“找到創造新事物的樂趣并形成相應的研究習慣”之研究型學習模式[16]竟有異曲同工之妙。歷屆學生和任課教師的點滴貢獻經由長期積累，共同奠定了組成原理教學繼續完善與深化的堅實基礎，并可望與其它課程一道，同以更為有效的方式幫助、引領專業學生主動抓緊、利用寶貴的在校學習時機，盡快走上計算機的高水平開發和應用之路。

參考文獻

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