“計算機組成與結構”課程教學方法探討

鮑培明

(南京師范大學計算機學院，江蘇南京10097)

“計算機組成與結構”是計算機學科的核心專業基礎課［1，2]，在計算機專業各門課程學習中具有承上啟下的地位，也是計算機軟硬件課程的連接橋梁。向下連接數字邏輯電路設計等課程，向上連接匯編語言和編譯系統和操作系統等軟件課程［3]。它是一門知識面廣，教學內容多，學習難度大，更新快的課程。院從我實際情況出發，采用層次式教學模式，對學生進行分層次教學，對提高教學質量起到了很好的效果。

我校學生水平參差不齊，教學模式必須有自己的特色，讓學生都人盡其才。

基于學生的知識接受能力和未來的就業去向，我們研究了一套“計算機組成與結構”課程的層次式教學模式，讓層次式理念貫穿于課程教學的全過程。

“計算機組成與結構”課程的教學過程包括課堂講授、作業和實驗。課堂講授以分析和講解計算機各個功能部件的組成及運行原理為主，培養學生對計算機硬件的系統級認知能力。我們把這每一個教學環節都分成了三個層次，可以把這三個層次用形象的詞描述為必做題、選做題和提高題。

必做題要求每個學生都必須掌握，或必須完成的部分。選做題要求學生盡其所能去理解，或去完成的部分。提高題超出了課程教學要求的內容，專門針對優秀學生給與的一種能力培養。下面從3個教學的環節依次敘述這三個層次。

1 層次式教學模式

1.1 課堂教學環節

上課時通過一些實例示范，學生很快就能了解整數和浮點數在機器中是怎么表示的，CPU是怎么在高速緩存中訪問到數據的，CPU是如何執行某條給定的指令的等。對于單CPU的計算機，它的主要部件的功能特性、邏輯結構和功能部件之間的相互連接關系等是屬于必做題內容，在實例基礎上必須掌握它們是如何工作來完成相應功能的。

對問題的分析、設計能力相對認知能力要求更高一層次。在模運算系統中兩數的同余關系，引出了數的補碼概念，以及補碼的一些性質;涉及Cache、主存和磁盤的一次CPU訪存操作;這些部分就屬于選做題內容，要求學生理解，但在考試中少量涉及。

本課程中的補碼乘法運算的數學推導和流水線的冒險處理，我們依舊是采用上課講解的，對學生以講座的標準要求，講解速度也相對快些。提高題內容主要針對優秀學生。

1.2 作業環節

為了讓優秀學生更多地了解最新技術，融匯計算機學科的其它課程，可以布置一些課外題目，讓他們通過閱讀參考書、網上搜索和編程實踐等環節來完成，完成之后寫一篇課外報告。這個層次的教學安排，通過一些實例程序，讓學生分析高級語言的數據類型在機器中的實際表示和存儲，進一步引導學生思考如何合理使用高級語言數據類型。通過一些實例程序的執行速度，分析計算機中高速緩存的影響，進一步引導學生思考如何讓程序有更好的空間局部性和時間局部性。改進程序效率的方法不僅是算法的效率，程序代碼一樣是重要的。通過查找資料了解DDR3和CPU多核等新技術。課外報告屬于提高題部分。

1.3 實驗環節

實驗方法有驗證型和設計型。我們采用EDA和PLD技術開設實驗課后，實驗從驗證型為主的實驗模式轉向為設計型和綜合型實驗。少量對設計類問題有困難的學生可以直接給一個實驗樣例，讓他們讀懂實驗樣例后，模仿著自己做一遍，相當于驗證型實驗。多數學生在讀懂一個簡單的實驗樣例后，在給定的10條指令集上完成CPU設計，對10條指令的執行過程提供一些分析和指導。對優秀的學生可在10條指令集基礎上增加更多的指令，對這些增加的指令他們需要自己去分析指令的執行過程，獨自完成CPU設計。

2 考核方法

考核要兼顧多方面因素。考核成績由3塊構成:實驗、期中考試、期末考試。

1)實驗操作占10分。完成驗證型實驗就可以得7分，相當于“中”的要求。根據學生在設計型、提高型實驗中所完成的情況，可以適當地加1～3分。在期中和期末試卷(卷面100分)中各有10分的實驗分析題，出題的要求是將實驗與書本知識結合起來，既考查學生對實驗的理解程度，也考查學生對書本知識靈活應用的能力。期中和期末考試各占20分和70分，因此，實際的實驗分值達到19分。

2)期中和期末考試都是筆試。考試注重的是學生對基本知識的掌握。試卷以必做題難度為基本要求，適當地增加些選做題內容，用于增加區分度。對提高題內容不做要求。

3 結語

分層次教學是一種因材施教的方法。開展分層次式教學時需要注意如下一些問題。

(1)如何組織教學內容

教師必須掌握學生的知識接受能力，在這基礎上如何將教學內容劃分成層次結構。可見分層次教學是對教師提出了更高的要求。

(2)如何激勵學生

教師必須與學生多接觸，對學生提出適當的要求和建議。同時，應有良好的激勵措施。層次式教學方法不僅適用于“計算機組成與結構”課程教學，同樣適用于普通院校的其它課程教學，層次式教學方法具有普遍適用性。

［1] 蔣本珊，王娟，馬忠梅.“計算機組成原理”課程實踐與理論教學體系關聯性研究［J] .北京:計算機教育，2009，(24):118-120

［2] 秦磊華，王小蘭，張園。“計算機組成原理”設計性實踐教學模式研究［J] .南京:電氣電子教學學報，2009，2(31):68－70

［3] 袁春風。計算機組成與系統結構［M] .北京:清華大學出版社，2010