《計算機組成原理》課程教學改革探討

劉亞楠，劉路路

(合肥師范學院 計算機學院，安徽 合肥 230601)

?

《計算機組成原理》課程教學改革探討

劉亞楠，劉路路

(合肥師范學院 計算機學院，安徽 合肥 230601)

[摘要]本文總結了針對“計算機組成原理”課程教學中普遍存在的問題所做的課程教學改革與探索經驗，授課中針對技術的發展和提升學生應用能力的要求合理組織教學內容，教學有側重點；采用從問題出發，實施動力式教學的教學方法，充分利用現代教學手段，提升學生學習興趣；注重指導學生分析問題解決問題的能力，實踐環節加強動手能力的提高。

[關鍵詞]計算機組成原理；課程；教學改革；應用能力

1引言

《計算機組成原理》課程是計算機各本科專業的核心硬件課程，屬于必修的專業基礎課。在各硬件及軟件的課程中，該課程處于核心重點地位，本課程的教學目標是使學生掌握計算機的基本組成部件、邏輯功能、工作原理、設計方法和實現技術等有關的基礎知識和技術，建立完整、清晰的計算機整機概念，并使學生具備對計算機系統整機和部件進行分析和設計的能力。教育部高等學校計算機科學與技術專業教學指導委員會(以下簡稱教指委)在廣泛深入的調查研究基礎上，借鑒國際上計算機專業辦學的發展與現狀，結合我國計算機教育的實際情況，對計算機專業本科教育的發展方向和辦學單位的專業發展提出了指導性意見，并制定了具體的《專業規范》。專業規范為“計算機組成原理”課程的教學大綱和教學計劃的制定以及課程在課堂教學和實驗教學上提供了指導性的意見，是我們推進課程改革的重要參考。同時聯系我校的實際情況，如學校育人目標的定位、學校的教學與實驗條件、學生的知識基礎等，從教學指導思想和教學方法兩個方面，從知識講授和能力培養兩個層次上，對“計算機組成原理”課程改革進行詳細設計與組織，建立了有效的教學模式，幫助學生從宏觀和微觀兩個層面系統地掌握課程知識，進而培養學生學習和探索知識的意識、興趣和能力。課程除重點講解簡單、單臺計算機的基本組成原理和內部運行機制外，還增加高性能計算機、新一代計算機等知識的介紹，為學生學習其他后續課程，跟蹤國內外計算機發展的趨勢，將來承擔各項應用性技能型工作提供基礎知識。

2教學中需改革的問題

(1)“計算機組成原理”課程抽象，學生學習興趣不高。課程介紹計算機內各功能部件的工作原理，講解的許多知識和內容都發生在芯片內部，例如計算機中數據是如何表示、存儲和進行運算，CPU的控制器是如何發出控制信號協調各部件工作的，總線上有哪些信息，都是看不見的，學習內容較抽象。而且課程中講授計算機各組成部分的硬件電路及其工作原理時，還需要經常用到譯碼器等數字邏輯等先修課程的相關知識，而這些知識學生如果掌握不夠深入，基礎沒打好，綜合運用這些知識時學生會感到學習吃力，興趣不高。

(2)教學內容相對滯后，教學方法教單一

“計算機組成原理”課程的內容廣泛，包括計算機硬件系統的基本組成、系統各部分的設計方法、CPU的工作機制和高性能計算機的新技術。然而教材內容滯后于科學技術的發展，很難激發出學生的學習熱情。長期以來，作為專業基礎課，課程容易采取“灌輸式”的教學方法，較少采用啟發式、任務驅動式、課堂討論式的教學方法，無法調動學生的主觀能動性，容易忽略學生的主體地位。

(3)實踐環節

計算機組成原理的課程實驗雖然增加了理論向工程實際轉化的，符合現代計算機系統工程設計規范的硬件設計內容。然而目前，在傳統的實驗模式中主要是驗證性實驗及相關模式；即使含有部分“設計”內容，也主要是根據不同實驗系統各自規定的，非規范的方法，用既定的分離元件(也有包括部分可編程器件)和接口器件進行拼裝搭接而成。學生顯然無法從這樣的“設計”過程中了解真實的現代實用CPU基本設計技術了。

3教學改革與探索

3.1合理組織教學內容

在教學內容上，針對技術的發展和提升學生應用能力的要求，重新修訂課程標準，課程的重點放在運算器的補碼加減乘除運算方法、指令系統、運算器、控制器的設計上，教學內容有側重點，對于重點內容力爭講清楚設計思路，原理，其他部分則讓學生自學或討論，避免通篇介紹。對于主要的教學內容，我們分成幾個層次，逐步深入。首先介紹通用的原理基礎，即讓學生學習與理解計算機組成與運行機制的核心知識，這些重要的原理設計在計算機快速發展的過程中并不會發生太多的變化。接下來再結合具體的機型介紹計算機系統不同部件的設計、實現結果及其外部特性，可以體現用到的基本原理，這里可以及時結合較新的機型，發展的技術，將原理和實際相聯系、讓學生理解這門課程的學習價值。最后通過實驗課程中讓學生綜合設計基本模型系統，讓學生將所學到的知識應用起來，以增加學生對所學知識的理解深度和應用能力，把學習知識和增長能力結合起來。

3.2教學方法

(1)從問題出發，實施動力式教學

“計算機組成原理”課程的教學，應使學生盡快建立計算機的整體概念，透徹地理解和掌握課程知識點，從宏觀和微觀層面上理解和把握計算機各部件的原理、組成及相互聯系，進而達到能力培養的目標。在現代教育理念中，教學設計應當以“學”為中心，學生是教學活動的主體，是知識學習的主動建構者，教師在教學過程中發揮著組織者、指導者和促進者的作用。課堂教學側重于引導學生主動學習與思考，靈活地將互動式、啟發式和任務驅動式等教學方法結合起來，而不是單一地采用某種方式對學生進行灌輸。

設計一些教學環節對學生進行啟發，在課堂內外與學生進行互動與討論，尤其是一些新技術，引導學生學習研究的方法與方向，從而激發學生學習的興趣和主動性，進而培養他們的自主學習能力、研究能力和創新能力。如在中央處理器一章中，要求學生對CPU 發展的新動態進行研究，學生通過上網搜索、查閱文獻等手段收集了大量的資料，可以了解CPU 的發展歷程，對一些實際的參數，如Cache 的大小與級數、流水線條數、工作頻率、前段總線等都有所了解，加深了對CPU 的認識。引導學生將單核、雙核和多核CPU 進行對比，分析它們最新的技術和發展趨勢等。

加強課堂教學的提問與討論環節，不僅可以活躍課堂氣氛，活躍學生思維，而且可以促使學生在課余主動地學習和對問題進行鉆研，從而高效深入的學習和掌握知識。如針對計算機外圍設備在種類和技術方面的一些問題，提問學生回答問題，并藉此與學生討論新技術新發展，引領學生突破思維定勢，培養創新意識。

(2)指導學生“學會”轉為引導學生“會學”

為了培養學生分析問題和總結問題的能力，改變以往直接將各章重難點提煉給學生的傳統方法，而是在每章知識點講解完畢后讓學生自己總結重難點，讓學生提交一份材料包括自己分析歸納總結的各個知識點，并要求學生閱讀部分資料，將總結的知識點對應得經典的習題也放在上面，這樣學生就不會被動的接受知識，而是慢慢在各章的學習歸納總結中，提高了自己分析問題的能力，并且由于讓學生自己選取對應知識點配套的習題，也從側面讓學生了解各知識點可以如何考核，從而進一步提高學生學習的效率，經實踐證明，效果明顯。

(3)充分利用現代教學手段

計算機組成原理由于具有較高的抽象性和技術性，其教學內容難以通過課堂講授被學生完全理解和掌握。現有的傳統教學手段無法直觀、形象描述訓算機內部組成的工作過程和原理，特別是現在的電路集成度越來越高，很多部件和電路往往被封裝在一塊芯片中，學生不易掌握。所以在教學方式上，充分利用現代教學手段，采用多媒體技術動態演示結構原理圖來進行講解，使原本枯燥、抽象、難懂的概念和原理變得生動、形象、易懂。總的教學思想是:軟硬結合，重點突出，適當重復，加強實踐環節。例如 ，在講CPU的組成原理時，先將CPU邏輯框圖中各部件的邏輯功能講解清楚，然后通過執行一小段程序來具體講解CPU的工作原理，通過動態演示CPU執行這一程序的過程讓學生形象的了解了每一條指令取指階段與執行階段的分解動作，學生既可以理解和掌握CPU的工作過程和工作原理，又具體認識了每條指令的指令周期，這種由軟帶硬，軟硬結合的辦法，使抽象的圖變得具體起來，因而容易理解和掌握。同時，安排學生進行實驗。如此，學生印象就很深刻。最后，根據學生學習和實驗中遇到和提出的問題再進行講解，使得學生能比較深刻的理解所學原理。

3.3實驗

擴展基于VHDL和最新近EDA技術的關于CPU和計算機系統的設計理論和設計技術方面較豐富的內容。例如基于微程序控制模式的8位CISC模型CPU設計、基于狀態機控制模式的16位CISC CPU設計、MCS51單片機系列兼容型單片機軟核系統設計、基于流水線技術的16位RISC CPU設計，以及基于SOPC技術的32位NiosII軟核嵌入式系統軟硬件聯合設計等內容。

4總結

總之，“計算機組成原理”課程教學應在調整優化教學內容、實踐環節等方面積極探索，并充分利用網絡和多媒體技術促進教學互動和教學相長，注意增加高性能計算機、新一代計算機等知識的介紹，為學生學習其他后續課程，跟蹤國內外計算機發展的趨勢，將來承擔各項應用性技能型工作提供基礎知識。

[參考文獻]

[1]方愷晴, 張洪杰. 計算機組成原理實驗課程教學新方法的探討[J]. 計算機教育, 2007, (4): 52-55.

[2]劉旭東, 熊桂喜. "計算機組成原理"的課程改革與實踐[J]. 計算機教育, 2009, (7):74-76.

[3]李民政, 陳智勇. 計算機組成原理教學改革的困境及其出路[J]. 計算機教育, 2010, (24):40-44.

[4]王勇, 黃賢英. “計算機組成原理”的教學方法[J]. 重慶工學院學報：自然科學版, 2008, 22(3):167-170.

A Discussion on Teaching Reform and Research for Principles of Computer Organization

LIU Yanan, LIU Lulu

(SchoolofComputerScience,HefeiNormalUniversity,Hefei230601,China)

Abstract：The paper summarizes teaching reform of and explorative experience in "Principles of Computer Organization". The teaching content should be reasonably organized with emphasis in accordance with the development of technology and the improvement of students' practical ability, and the dynamic problem-based teaching method should be implemented by making full use of modern teaching means so as to improve students' learning interest. Attention should be paid to help enhance students' ability to analyze and solve problems and strengthen the hands-on ability of experiments.

Key words：Principles of Computer Organization; course; teaching reform; practical ability

[收稿日期]2016-01-15

[基金項目]省級專業綜合改革試點-計算機科學與技術(2013zy058)，省級教學研究重點項目(2015jyxm271)

[第一作者簡介]劉亞楠(1984-)女，博士，合肥師范學院計算機學院教師。研究方向：圖像處理。

[中圖分類號]TP391.4

[文獻標識碼]B

[文章編號]1674-2273(2016)03-0079-03