計算機組成原理精品課程建設的探索與實踐

　　摘要：為培養高素質人才，全面提升高等教育教學質量，必須積極推進和實施計算機組成原理精品課程建設及其建設目標。本文從精品教材建設、教學內容規劃、實踐創新能力培養、教學方法與手段改革和教學團隊建設等方面進行了探索與實踐。
　　關鍵詞：精品課程；課程建設；教學方法
　　
　　2007年6月，教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會計算機專業規范研究小組在對計算機科學、計算機工程、軟件工程和信息技術知識體系和CC2005核心課程進行研究的基礎上，結合我國的實際情況，確定了我國計算機科學專業的15門核心課程、計算機工程專業的16門核心課程、軟件工程專業的24門核心課程和信息技術專業的15門核心課程，并給出了各專業包括的知識領域及知識單元。按照各個專業方向核心知識體系的要求，給出了程序設計、離散結構、數據結構、計算機組成原理、計算機網絡、操作系統和數據庫系統等7門課程作為這四個專業的公共核心基礎課程。2008年4月國家教育部公布，從2009年起，計算機專業考研中的專業基礎課實行全國統一命題，專業基礎課由數據結構(占45分)、計算機組成原理(占45分)、操作系統(占35分)、計算機網絡(占25分)四個部分組成，并于2008年8月公布了統一的考試大綱。
　　計算機組成原理是計算機科學與技術的核心專業基礎課，是學生接觸的第一門較全面地介紹計算機組成及工作原理的硬件課程，它與數據結構、匯編語言程序設計、微機接口技術、計算機體系結構、嵌入式系統、計算機控制技術等計算機學科核心課程關系緊密。要建設一門既符合CC2005核心課程知識體系，又符合研究生入學考試全國統考大綱要求的計算機組成原理精品課程就顯得格外重要。為此，本文從課程建設的定位與目標出發，從精品教材建設、教學內容規劃、實踐創新能力培養、教學方法與手段改革和教學團隊建設等方面進行了探索與實踐。
　　
　　1　課程的定位與目標
　　
　　計算機組成原理課程的定位是以基礎理論知識為本、實踐以及應用并重、反映學科最新成果、兼顧不同層次對象，培養學生科學思維、工程應用以及創新能力的精品課程。
　　課程的教學目標是通過該課程的學習，使學生理解計算機的組成和工作原理，掌握計算機整機設計的思想和方法，以及提高計算機整機性能所采用的核心技術，培養學生整機調試、故障分析、故障檢測與故障排除的能力，為今后學習微機接口技術、計算機體系結構、計算機網絡、并行與分布式處理等課程及計算機系統的硬件研究打下堅實的基礎。
　　
　　2　課程的內容和過程
　　
　　2.1　建設精品教材，滿足專業規范和考研大綱要求
　　通過分析CC2005、高等學校計算機科學與技術專業發展戰略研究報告暨專業規范(試行)和計算機科學與技術專業研究生入學考試專業基礎課全國統一命題考試大綱對計算機組成原理知識點的要求，我們新編了《計算機組成原理》教材，并于2009年2月由西安電子科技大學出版社正式出版。該教材在系統地講述計算機最基本的組成和工作原理、分析方法和設計技術的同時，還介紹了有關的先進技術在計算機組成方面的最新進展。教材具有基礎性強、內容組織合理、取材先進、注重實踐、便于自學等特色。實踐證明，新教材的使用加深了學生對計算機組成和工作原理的理解，提高了學生的學習興趣和獨立思考的能力，收到了良好的學習效果。
　　
　　2.2　合理規劃教學內容，注重基礎理論知識與新技術的結合
　　根據計算機組成原理的定位和教學目標，以及計算機科學與技術專業教學指導委員會給出的專業規范和研究生全國統考大綱的要求，我院將此課程規劃為72學時，其中實驗占12學時，講授占60學時，課程設計單獨占32學時?；A理論知識及講授學時規劃如下。
　　1)計算機系統概論部分占4學時，主要講授計算機的發展歷程，計算機系統層次結構，計算機系統的組成，計算機的工作過程，計算機性能，計算機的典型分類方式。
　　2)運算方法和運算器部分占12學時，主要講授數值數據和非數值數據的表示方法，定點數的運算方法和運算器，浮點數的運算方法和運算器，數據校驗碼。
　　3)存儲系統部分占10學時，主要講授存儲器的基本概念，半導體隨機讀寫存儲器和半導體只讀存儲器的組成及工作原理，半導體存儲器的容量擴展，雙端口RAM，多模塊交叉存儲器，相聯存儲器，Cache存儲器，虛擬存儲器。
　　4)指令系統部分占8學時，主要講授指令系統的發展與性能要求，指令格式，指令和數據的尋址方式，指令格式的分析與設計，CISC、RISC、退耦CISC／RISC和后RISC的基本概念。
　　5)中央處理器部分占12學時，主要講授CPU的功能和組成，指令周期，時序產生器，微程序控制器，硬連線控制器，流水線技術。
　　6)總線結構部分占6學時，主要講授總線的基本概念，總線標準，總線仲裁和總線通信。
　　7)輸入／輸出設備部分占4學時，主要講授典型輸入／輸出設備的工作原理和常見的性能指標。
　　8)輸入／輸出系統部分占4學時，主要講授I／O系統的基本概念，I／O接口的功能和基本結構，I／O端口及其編址，以及I／O設備數據傳送控制方式。
　　為了讓學生了解理論知識在新一代計算機系統中的應用，我們在計算機的發展趨勢、計算機的典型應用、指令系統的發展、提高單機系統指令級并行性的措施、總線標準舉例等知識點中引入了近幾年來較新的計算機技術。例如在“提高單機系統指令級并行性的措施”這一知識點中，我們分別補充介紹了在單機系統中目前比較廣泛使用的五種技術，即超標量、VLIW、超流水、超標量超流水、EPIC技術，并簡要介紹了這些技術在現代微處理器中的具體應用。
　　
　　2.3　加強綜合性和創新性實踐環節，培養學生的實踐創新能力
　　計算機組成原理課程不僅是一門理論性很強的專業基礎課，而且也是一門實踐性很強的實踐課程。要清楚地理解計算機組成原理的精髓，親自動手進行計算機各部件和模型機設計是相當重要的。我們通過加強綜合性和創新性實踐環節，不僅讓學生理解了抽象的概念及原理，而且也提高了學生分析問題、解決問題的能力，以及實際動手的能力。
　　這門課程的綜合性實驗項目包括數據通路實驗、操作控制器實驗、高速ALU設計實驗和浮點運算器設計實驗，其目的是為了讓學生掌握計算機運算部件、控制部件的組成和工作原理，加深學生對理論知識的融會貫通與理解，鍛煉運用EDA技術進行計算機硬件設計的能力和硬件調試的能力。
　　創新性實踐環節單獨安排為一個課程設計，其內容是運用理論知識、硬件描述語言和EDA軟件QuartusII進行模型機的設計。盡管在理論教學時，已分章節介紹了計算機的組成、指令的解釋過程、指令周期、微指令格式、微程序的設計方法，以及時序控制方式和微處理器的設計步驟，但是實現相同的功能，在微處理器的內部結構設計時方法也是多種多樣，比如微處理器內部寄存器的個數設置、是否采用片內指令Cache和數據Cache，采用什么樣的指令格式和尋址方式、設計哪些指令、指令如何解釋、采用微程序操作控制器還是硬連線控制器、是否采用流水線技術等。創新性實踐環節涉及的知識面廣、設計方案多樣、設計方法靈活，有利于提高學生分析問題、解決問題的能力和實踐創新能力。
　　
　　2.4　科學合理地改進教學方法，提高教學質量和教學效果
　　教學內容的組織采用了整體“自頂向下”、細節“自底向上”的教學方法，從計算機硬件系統入手到分別介紹計算機硬件的五大部件及相互聯系，再將內容的展開，分別講授每一個部分的組成和工作原理。在涉及到各組成部分具體細節的知識點時，采用了“自底向上”的教學方法，講授內容由淺入深、循序漸進、由簡單到復雜，在講清基本概念和基本原理的基礎上，再進行分析和設計。這種教學方法既讓學生正確理解和掌握了各部件的組成及工作原理，讓學生掌握了計算機中各部件的設計方法和相互之間的聯系，建立了整機的概念。
　　教學任務的安排是將不同的專業分別定為一個教學班，以小班上課的方式進行，促進了講授、提問、討論、練習等多種教學方式的開展。同時要求每個教學班的主講教師必須參加理論課的輔導工作，并要求每個實驗必須參加一批實驗輔導。青年教師必須先經過實驗輔導和理論課輔導兩年后，才能根據試講情況確定其是否能勝任主講教師資格。理論課輔導教師主要負責作業批閱、答疑、上習題課、網上教學交流等工作，實驗課輔導教師主要負責講授實驗目的、實驗要求、實驗內容、實驗步驟，并指導學生完成實驗的全過程。
　　教學方法的改進，有助于各專業主講教師根據本專業的課程結構和學生能力水平，以及課堂交流、作業和輔導、實驗操作等情況的反饋信息，及時將出現的問題與所有學生溝通，以便隨時調整教學方法、教學進度和補充教學內容，提高了教學質量和教學效果。
　　
　　2.5　利用現代化教學手段，提高學生的學習興趣和學習主動性
　　利用課件教學，使得計算機各部件抽象的工作原理直觀地展示在學生面前，大大地增加了課堂教學的信息量，提高了學生的學習興趣。例如通過動畫模擬機器指令的取指和執行過程，來解釋中央處理器的組成和工作原理，讓學生更直觀地了解CPU內部控制信號的產生、指令和數據的流動過程、在指令執行過程中CPU內部各寄存器的變化情況等。通過使用QuartusII仿真軟件進行實踐教學，可以清楚地理解CPU的組成和詳細設計，可以將CPU的頂層電路圖逐層解剖，看到CPU內部的各組成部分及VHDL描述。通過微處理器執行某一個具體功能的機器語言程序，調出仿真波形，可以讓學生清楚地看到CPU內部程序計數器、地址寄存器、指令寄存器、微地址寄存器、通用寄存器、數據暫存器、狀態條件寄存器、主存儲器、輸出總線的內容隨著時間的推移而發生變化的情況，將理論教學與實際設計充分結合，提高了學生的學習興趣。
　　通過課程網站輔助教學，豐富的教學資源和交互式教學平臺提高了學生的學生主動性，促進了師生之問的互動。課程網站采用Dreamweaver MX、Flash MX、Photoshop、ASP和SQL Server等軟件開發，為學生提供了全方位的學習輔導支持，包括教學大綱、學習指導、教學視頻、課件下載、在線測試、難點解析、動畫演示、虛擬實驗室、在線答疑、學生論壇等。這些內容可以幫助學生全面地理解和掌握計算機組成原理課程的教學內容，了解該課程涉及的新知識和新技術。
　　
　　2.6　建設合理的教學團隊，重視對青年教師的培養
　　建設由課程負責人、主講教師、輔導老師和實驗指導教師組成的教學團隊是極其必要的。我們的計算機組成原理課程教學團隊由8名教師組成，主要成員均長期從事本課程及相關課程教學和相關課程的教學和學術研究，其中教授1人、副教授3人、博士1人、碩士6人；35～45歲年齡段的中青年教師占75％，具有計算機相關專業教育背景7人、通信相關專業教育背景1人，所學專業涵蓋了計算機應用技術、通信與信息工程、自動控制等。教學團隊成員分別來自上海理工大學、中山大學、桂林電子科技大學。在知識結構、年齡結構、職稱結構、學緣結構等方面形成了較合理的結構配置，教師隊伍在理論教學、教學研究和學術研究等方面已開展了較多卓有成效的工作。
　　課程教學團隊充分發揮高學術水平和高教學水平骨干成員的傳、幫、帶作用，通過合理規劃、創造條件、培育環境、嚴格要求等多種機制，實施青年教師的培養，具體措施包括選派青年教師到國內知名大學參加培訓、實行骨干成員為核心的導師制、組織開展教研討論和科研活動。
　　通過以上措施，青年教師得到迅速成長、能夠很好地勝任本課程的教學任務。在近幾年的學生評教中，教學團隊的學生評教成績一直保持在優良以上，深受學生歡迎。近五年來，課程組承擔和完成了國家自然科學基金、廣西自然科學基金和橫向科研項目16項，發表學術論文24篇(EI、ISTP收錄10篇)，出版專著／教材4部，獲得計算機軟件著作權4個；承擔教學改革與教學研究項目10項，發表教學研究論文16篇，獲得教學改革與研究成果7項。
　　
　　3　結語
　　
　　精品課程建設是一項長期而艱苦的工作，它貫穿于教學的各個環節。在計算機組成原理課程建設的歷程中取得了上述一些成果，主要得益于有一支素質優良的教學團隊。只要我們堅持教育教學改革，不斷更新和整合教學內容，不斷改進教學方法，努力加強理論教學和實踐教學的有效結合，就能使教學水平不斷提高。
　　
　　
　　(編輯：白