《計算機組成原理》課程建設(shè)的改革與探索

呂強++葛桂萍+++李云+++羅家奇

摘 要： 本文針對在《計算機組成原理》課程教學實踐中存在的問題，圍繞教學體系、教學內(nèi)容、教學方法、硬件實踐教學等分析了《計算機組成原理》課程建設(shè)的目標，從整合教學內(nèi)容、優(yōu)化課程體系、加強理論學習和硬件實踐的融合貫通，強化實踐教學和工程化硬件實踐教學等方面對《計算機組成原理》課程教學的改革做了深入的分析和探討，并對今后的理論和實踐教學進一步改革進行了思考。

關(guān)鍵詞： 《計算機組成原理》 硬件實踐教學 課程體系 教學方法 工程化實踐教學

在我國大多數(shù)高校的計算機課程教學中，《計算機組成原理》作為一門重要的理論和硬件基礎(chǔ)課程，其中的實踐環(huán)節(jié)（硬件實踐實驗）占較大的比重。目前，不少高校的計算機專業(yè)在《計算機組成原理》的理論教學和實踐實驗中普遍存在“重軟輕硬”現(xiàn)象[1]，使得學生對計算機組成的理論和硬件的結(jié)合理解流于表面，特別是在理論和硬件實踐教學中，教學內(nèi)容和硬件實驗設(shè)備嚴重落后于當前工業(yè)界的最新技術(shù)發(fā)展，使得培養(yǎng)出的學生嚴重不符合社會企業(yè)的需求，即無論是在理論理解方面，還是在硬件實踐方面，都不足以承擔計算機硬件方面的設(shè)計與開發(fā)工作。因此，如何適應(yīng)工業(yè)界對畢業(yè)生理論和實踐能力不斷增強的需求，改革《計算機組成原理》及相關(guān)課程體系，提高計算機理論和硬件教學水平，提高學生對理論的理解和實踐動手能力已成為當前高校計算機專業(yè)教學面臨的重要課題。

1.當前《計算機組成原理》課程教學存在的主要問題

當前，我校在計算機類、電子類、物聯(lián)網(wǎng)類、軟件工程類專業(yè)均開設(shè)了《計算機組成原理》課程，理論教學內(nèi)容、目標基本一致，但硬件實踐教學存在問題，主要表現(xiàn)在以下三個方面：

（1）偏重理論教學，忽視或輕視硬件實踐教學，硬件實踐課時被迫刪減。

在《計算機組成原理》課程中，理論是基礎(chǔ)，但是要深入理解計算機基本原理及體系結(jié)構(gòu)等理論必須結(jié)合硬件實踐[1]。但是硬件實踐實驗教學由于培養(yǎng)目標、培養(yǎng)方案、教學大綱及硬件實踐教學設(shè)備等，很多高校普遍在計算機專業(yè)的教學中輕視硬件實踐教學的建設(shè)，理論教學占很大比重，總學時確定后，硬件實踐教學課時只能被迫刪減，以至于無法保證硬件實踐教學的質(zhì)量，導致學生學習硬件知識和動手實踐的積極性不高，最終的結(jié)果就是理論和實踐相分離，理論知識沒有深入的理解，實踐能力沒有得到很好的培養(yǎng)。

（2）理論和實踐教學內(nèi)容陳舊，課程計劃沒有與時俱進。

當前，大多數(shù)國內(nèi)高校的計算機類專業(yè)，硬件系列課程均包含如下課程：《數(shù)字邏輯電路》、《計算機組成原理》（《計算機組成與結(jié)構(gòu)》）、《微機原理及接口技術(shù)》、《計算機體系結(jié)構(gòu)》等。這些課程開設(shè)選用的教材大多內(nèi)容相近，部分理論仍停留在5年甚至10年以前，知識陳舊，與當前工業(yè)界的實際應(yīng)用脫節(jié)，和現(xiàn)代快速發(fā)展的計算機硬件研究和開發(fā)技術(shù)形成明顯的差距。比如有的硬件課程教學中以74181等淘汰的部件芯片為教學模型，即使學會也只能在課堂上用到，對將來的工作沒有什么作用，直接導致對學生缺少吸引力，教學效果不甚理想。另外，這一系列硬件相關(guān)課程之間重復的知識點較多，在課程系列安排計劃上缺乏統(tǒng)一性和合理性。

（3）硬件實踐教學環(huán)節(jié)不夠重視，缺少工程化設(shè)計和開發(fā)能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

現(xiàn)代計算機硬件設(shè)計和研發(fā)均已采用軟件和硬件設(shè)計相結(jié)合的方式，并大量使用優(yōu)秀的工具軟件進行開發(fā)和仿真，以及使用硬件開發(fā)板進行驗證和優(yōu)化。在實際教學中，由于硬件實踐教學比理論和軟件仿真實驗教學要復雜得多，因此很多教師在教學過程中仍沿用過時的軟件仿真和硬件實驗方法，并且學生在學習過程中除了進實驗室外，在日常學習中無法進行硬件實驗或為硬件實驗做足夠的準備。另外，目前大多數(shù)高校計算機專業(yè)的硬件實驗設(shè)備仍停留在“插線板”時代，只能讓學生手動連接銅線進行簡單的驗證性和基礎(chǔ)性實驗，如要進行相關(guān)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實驗，其復雜度過高，絕大多數(shù)學生無法完成。

2.《計算機組成原理》課程建設(shè)和改革的具體措施

（1）引進計算機硬件的現(xiàn)代設(shè)計和研發(fā)技術(shù)，培養(yǎng)學生的工程化研發(fā)能力。

《計算機組成原理》課程一大部分教學內(nèi)容圍繞CPU的各個部件展開，但現(xiàn)有的教學內(nèi)容嚴重落后于現(xiàn)代工業(yè)芯片研發(fā)技術(shù)。為跟上時代的步伐，我們引進當下大多數(shù)企業(yè)采用芯片研發(fā)流程和設(shè)計語言和工具。具體而言，針對CPU的各個部件教學，我們引進Logisim[2]和Verilog[3]教學，以仿真的方式向?qū)W生展示如何設(shè)計選擇器、加法器、寄存器、存儲器、控制器等部件，以及這些部件間如何組合及連接。在此基礎(chǔ)上，我們進一步加入單周期MIPS[4]CPU工程化設(shè)計方法的教學，介紹如何組合選擇器、加法器、寄存器、存儲器、控制器等部件以構(gòu)成簡單但功能完善即能完成基本加減、移位、分支、跳轉(zhuǎn)等功能的單周期CPU。

為進一步提高學生的工程化硬件實踐能力，還引進Xilinx公司的FPGA開發(fā)板，加入如何使用FPGA開發(fā)板的實驗教學內(nèi)容，并指導學生把已完成的MIPSCPU設(shè)計下載到FPGA上，以真實的硬件實驗驗證自己的設(shè)計，并對現(xiàn)有的設(shè)計做相應(yīng)的優(yōu)化。

（2）加強理論和硬件實踐教學的結(jié)合，提高學生對理論的理解和對硬件實踐的能力。

在《計算機組成原理》課程教學中，理論和硬件知識是相輔相成的，但目前計算機教學中普遍偏重理論講解，硬件實踐僅僅是驗證性實驗，其對理論的深入理解并無多大幫助。特別是理論知識對學生來說是一個個單獨的知識點，彼此之間不能夠貫通起來加深對計算機整體硬件系統(tǒng)的理解[5]。比如，學生學習了選擇器、寄存器、加法器、存儲器等理論知識，但不知道如何使用Verilog等硬件編程語言在FPGA等開發(fā)板上實現(xiàn)這些部件。另外，學生在學習CPU控制部件理論后，無法用現(xiàn)有的老舊芯片如74181等把CPU各個部件組合起來，只能依賴現(xiàn)成的已把CPU各個部件組合連接好的硬件開發(fā)板，不了解如何用Verilog等硬件編程語言直接把CPU的各個部件組合以構(gòu)成完整可運行的CPU。因此，在《計算機組成原理》教學中應(yīng)注意理論和硬件實踐開發(fā)間的結(jié)合，使學生掌握更完整的理論知識和硬件實踐能力，通過硬件實踐提高其對理論的理解，通過理論學習指導硬件實踐實驗，提高其計算機系統(tǒng)理論和硬件協(xié)同能力。

（3）調(diào)整計算機硬件系列課程的教學內(nèi)容，優(yōu)化課程體系和課程間的銜接。

為適應(yīng)新加入的Logisim、Verilog、XilinxFPGA開發(fā)板等教學內(nèi)容，我們適當調(diào)整計算機硬件系列課程之間的教學內(nèi)容。比如對《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程，經(jīng)過學院硬件教學團隊的協(xié)商溝通，適當加入Logisim，Verilog等硬件編程語言的教學內(nèi)容，并在部分實驗中加入Logisim和Verilog語言實現(xiàn)部分電路。在《匯編語言程序設(shè)計》課程教學中，針對MIPSCPU設(shè)計，加入MIPS匯編語言的學習。在實驗安排中，加入適當?shù)腗IPS匯編練習。總而言之，為了適應(yīng)新的教學內(nèi)容和方法，加強硬件系列課程體系結(jié)構(gòu)建設(shè)，完善教學計劃，對硬件系列課程如《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》、《計算機組成原理》、《微機原理及應(yīng)用》和《匯編語言程序設(shè)計》等課程進行融合、優(yōu)化，既避免知識點的重復教學，又加強課程間教學內(nèi)容的銜接，保證計算機硬件教學的連續(xù)性和完整性[6]。

（4）探索硬件系列課程教學方法，提高教師團隊的整體教學水平。

為加強計算機硬件系列課程教師團隊的協(xié)調(diào)溝通和建設(shè)，使相互關(guān)聯(lián)課程的授課教師有更多的合作和協(xié)作，定期開展硬件系列課程的教研活動，從整體上協(xié)商計算機硬件系列課程的教學，逐步形成一支由具有較高教學科研水平的教授領(lǐng)銜，并搭配有一定數(shù)量的副教授和講師的計算機硬件系列課程教學團隊[5]，從而保證計算機硬件系列課程建設(shè)的連續(xù)性。

為了充分發(fā)揮青年教師的主觀能動性，我們積極改革傳統(tǒng)的教學方法，借助揚州大學的網(wǎng)絡(luò)教學平臺，積極探索研究性教學，利用“任務(wù)驅(qū)動”的教學方法，將實際教學內(nèi)容分成一個個具體的任務(wù)，并引導學生在網(wǎng)絡(luò)教學平臺上參與討論和解決任務(wù)，使得學生在討論和交流中解決問題，并逐步引導學生深入理解和掌握教學內(nèi)容。該教學方法可以大大提高大部分學生的主動性、積極性及團體合作能力。此外，在網(wǎng)絡(luò)教學中注重和學生的在線交流和互動，通過論壇交流和答疑、在線任務(wù)測試等多種手段，促進學生的彼此交流和學習，提高課堂教學效率。

（5）豐富教學資源建設(shè)，引進企業(yè)培訓和提高教師實踐教學能力。

在引進新的教學內(nèi)容的同時，依托揚州大學網(wǎng)絡(luò)教學平臺，對《計算機組成原理》課程的教學資源如Logsim、Verilog參考資料、教學課件、教學視頻、硬件實踐實驗指導資料、習題等全部加入網(wǎng)絡(luò)教學平臺，構(gòu)建豐富的網(wǎng)絡(luò)教學資源[6-7]，使得學生的學習不受時間和空間的限制，在課堂教學以外的時間根據(jù)自己的實際情況合理安排課程學習。

另外，圍繞課程建設(shè)和教學內(nèi)容的改革，我們積極聯(lián)系相關(guān)硬件研發(fā)企業(yè)，邀請其到學校直接對學生進行指導。例如Verilog硬件編程語言學習和使用經(jīng)驗分享、XilinxFPGA開發(fā)板的使用講解和現(xiàn)場指導，并且根據(jù)企業(yè)實際研發(fā)需求，向?qū)W生進行針對性的授課和指導。

3.結(jié)語

《計算機組成原理》課程具有很強的理論性、實踐性和實用性，其中CPU相關(guān)的知識涉及本科和研究生各個層次，如何讓該課程不再僅僅停留在理論知識的學習是該課程建設(shè)和改革必須解決的問題。通過引進符合工業(yè)界當前流行技術(shù)的教學內(nèi)容和方法，積極引導學生通過自學和合作，接觸當前最新的硬件編程語言、硬件設(shè)計軟件和FPGA開發(fā)技術(shù)，并嘗試調(diào)動學生學習的主動性，培養(yǎng)實踐動手能力，讓學生更好地協(xié)作、溝通，從而提高學生對理論知識的理解和硬件實踐的能力。另外，近幾年我院通過對計算機專業(yè)硬件系列課程進行優(yōu)化和改革，解決硬件系列課程之間缺乏溝通、相互獨立、知識點重復或者缺乏銜接等一系列問題[4]，加強硬件系列課程間的聯(lián)系，保證計算機硬件系列課程間的連續(xù)性和完整性。

參考文獻：

[1]陳輝，李敬兆，等.計算機專業(yè)硬件課程教學改革探索[J].計算機教育，2014（5），39-42.

[2]Logisim.https：//en.wikipedia.org/wiki/Logisim.

[3]夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程.北京航空航天大學出版社，2008.

[4]斯威特曼.MIPS體系結(jié)構(gòu)透視.機械工業(yè)出版社，2007.

[5]劉昌華，管庶安，等.基于CC2005的計算學科硬件類課程教學改革探索[J].計算機教育.計算機教育，2009（10）.

[6]黃偉，馮徑.《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學改革探索[J].現(xiàn)代計算機，2011（5）：36-37.

[7]葛桂萍，李云，等.《微機原理及應(yīng)用》精品課程建設(shè)的探索與研究[J].科技創(chuàng)新導報，2014（30）：151-152.

基金項目：

國家自然科學基金青年基金（編號：61502412），項目負責人，01/2016-12/2018。

江蘇省自然科學基金青年基金（編號：BK20150459），項目負責人，07/2015-06/2018。

江蘇省高校自然科學基金面上項目（編號：15KJB520036），項目負責人，07/2015-06/2017。

揚州大學高層次人才科研啟動基金（編號：5013/137010725），項目負責人，10/2014-10/2017。