來華留學生計算機組成原理課教學方法初探與思考

施慧彬

[摘 要]計算機組成原理課是本科計算機、軟件工程相關專業的核心學科基礎課。結合來華留學生們獨特的多元文化的特點，對留學生可進行分層次培養教學實踐，從而提高課程教學質量。

[關鍵詞]來華留學生；計算機組成原理；課程建設

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）04-0114-02

隨著我國經濟的發展和國力的不斷增強，我國在國際上的影響力及地位也在不斷提高，來華留學生的人數不斷增長。教育管理部門一直很重視各個學校的國際化辦學規模和質量，已經制定了力爭到2020年實現來華留學生總數量達到50萬這一中長期發展規劃。[1]如何保證留學生的教育質量，一直是教學工作者及管理部門十分關注的問題。

自從開設面向來華留學生的純英文本科、碩士和博士學位教學以來，南京航空航天大學來華留學生規模一直穩定增長，在培養質量方面保持穩步提高。筆者根據幾年來在計算機組成原理課程教學中遇到的問題、教學改革嘗試、教學管理的體會，總結留學生計算機組成原理課程教學中遇到的問題，介紹留學生教學的分層次培養模式的嘗試，探討提高教學效果的手段。

計算機組成原理課作為計算機專業教學的核心課程[2] ，無論是對計算機相關專業的本國本科學生，還是對軟件工程與管理專業的本科留學生來說，都有著舉足輕重的作用。

一、留學生教學方法研究的必要性與教學模式

留學生有自己的特點，需要充分分析留學生的特點，才能有的放矢，提高教學質量。

（一）留學生生源的國際化

從地域上來說，留學生們來自東南亞的泰國、馬來西亞、印度尼西亞，南亞的印度、巴基斯坦、斯里蘭卡，中亞的哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦，西亞的阿拉伯聯合酋長國、也門、伊拉克、卡塔爾，非洲的埃及、加蓬、博茨瓦納、埃塞俄比亞、肯尼亞、盧旺達、布隆迪、津巴布韋、剛果共和國、蘇丹、坦桑尼亞、剛果民主共和國、烏干達、尼日利亞、赤道幾內亞，還有來自歐洲的德國、法國，以及美洲的美國，其中來自非洲的學生占一半以上。他們的文化背景、宗教信仰存在很大差別。通過了解他們的國籍，對部分有專門信仰的學生，多給予他們一些關心，多和他們交流，這能讓學生們適應環境，對提高課堂教學效果有很大的幫助。[3]

（二）留學生來華前的教育及工作背景的多樣性

在留學生中，有的留學生在高中畢業后，到英國或美國學習過1年或兩年計算機的相關大學課程，由于學費等原因而轉學到我校學習。有個別留學生在高中畢業后從事過一段時間與計算機或通信相關的工作，還有的留學生開設過與計算機相關的公司，合伙開設過計算機電腦或通信方面的銷售與維護。特別是有的留學生在高中時，選擇過與計算機相關的數字電子、信息方面的課程內容。對于這些學生來說，學習計算機組成原理課會比較輕松。還有一部分沒有學過相關知識的留學生，他們學習起來就感覺到吃力。大部分學生數學基礎不強，亞洲學生數學知識相對較強。通過了解這些背景知識，有助于在課堂上對重點內容進行講解，明白哪些內容學生容易接受。

（三）留學生們的優點

留學生們動手能力普遍比較強、參與討論的積極性比較強；他們自我表現的能力強，但是主動演講的動力不足；他們自尊心比較強，團隊協作能力和互相幫助的精神都比較強。大部分留學生都能夠獨立思考，而且比較直率，有不懂的，都會及時問，直到他們弄懂。學生間都能互相幫助，具有集體精神。留學生們能夠尊重教師，喜歡和教師交流課堂內講到的以及課堂外其他專業方向上的問題；大部分留學生都能認真做作業，字跡比較端正，甚至是漂亮。當留學生在課上和別的學生講話、不能認真聽講時，如果教師及時提醒他（或她），學生都能轉而認真聽講。

二、留學生教學實踐

（一）外文原著教材選擇

留學生的課程是純英文教學，只能選用英文版的教材。在最初教學時，筆者選擇了英文版的教材《Computer Organization and Design：The Hardware/Software Interface》。但是用了一段時間后發現留學生們接受得不是很好，沒有達到預期的教學效果。后來筆者分析了一下原因。一方面，這本教材的內容很豐富，也有很多理論知識，但是缺少直接讓學生們動手練習、動手做的內容。另一方面，大部分留學生的基礎知識、掌握新知識的能力具有局限性。這就造成了學生們接受理論知識的差距。經過分析后，筆者在后來的講課中增加了David Harris和Sarah Harris合著的英文版教材《Digital Design and Computer Architecture》中的內容。后者是對前者的補充和豐富，為學生提供了很多便于動手練習的例子。學生們學習這本書后，慢慢能夠接受和理解書中的特別是關于處理器內部結構方面的內容，這在無形中提高了教學效果。

（二）教學內容的精煉優化組合

在課程教學中，應把教學重點放在基本概念、基本原理和具體的實現方法上。對于某種計算機架構的微體系結構設計是計算機組成原理課主要的核心內容。在這門課程的教學中，筆者選擇了MIPS處理器微體系架構作為主要的學習內容，精煉這部分教學內容，圍繞計算機組成原理的重要內容，講透徹、講細這部分內容，以便學生能夠掌握。一些關鍵性的知識內容，如從運算器、控制器到整個中央處理器的組成和工作原理，存儲器的組成方法和讀、寫原理、外部設備的組織及讀寫等操作的工作原理，作為重點內容要講清、講透。特別是基于MIPS的指令編碼在組成原理課中起到承上啟下的作用，數據通路及控制器的設計是單周期CPU設計中的核心內容。本課程運用例子重點介紹了寄存器型、立即數型、無條件跳轉型指令的編碼格式，這些內容要講透徹。在介紹數據通路設計時，重點培養學生在CPU內部的數據流的概念，數據可以在存儲單元和計算部件及單元間的流動；在介紹控制單元的時候，重點幫助學生們樹立控制信號產生機制的概念，讓學生理解明白依據每條指令中的哪些位可以對數據通路中的哪些操作、計算部件產生哪些控制信號。這是幫助學生理解控制器和數據通路交互的關鍵。

（三）抽象和具體相組合的教學方法的運用

在教學中，通過加強對相關市場產品的介紹，加強學生對整機系統的理解和掌握。通過把書中一些抽象的概念與學生能夠觸手可及的產品相結合，加強其認識能力，既可以提高他們學習這門課的興趣，又可以加深他們對計算機整個系統的組成原理的理解。在對CPU內部工作機理及設計講解清楚后，結合處理器的架構，介紹主要CPU產商的主要產品。介紹市場上主要的存儲芯片產品作為存儲器相關內容的補充；介紹業界主要的具體的磁盤產品，如西部數據的產品及電腦主板產品，如華碩的主板作為輸入輸出系統的主要例子。

（四）虛擬實驗教學

實驗教學在計算機組成原理課程的教學中有著很重要的地位。虛擬實驗越來越多地被用到計算機組成原理課程的實驗中。[4]在教學中，筆者增加了EDA工具的介紹，加強了學生們采用ModelSim進行虛擬實驗的方法。指導學生們運用硬件描述語言Verilog進行MIPS（子集）處理器的設計性實踐，從常用的七條指令開始設計出單周期的處理器。對于部分掌握得好的學生，在Modelsim中驗證設計正確后，用FPGA作為目標板進行實物的實驗，以此來加深學生對整機的認識。在實驗中，培養學生的分工協作、團隊合作精神，讓掌握得好的學生幫助有困難的學生一起共同進步；引導學生們做好系統設計性實驗，培養他們用工程性方法構建系統結構的能力。

三、關于留學生計算機組成原理教學的思考

關于專業課教學學時。從學校的角度來說，這是完全按照教育部的要求來安排通識教育、學科基礎、專業教育、學科拓展各個部分相關課程的設置與各個課程的教學學時的。但是，學生普遍反映與漢語教學相關的課程數目及總學時偏多，過多地占用了他們學習與計算機相關的專業知識的時間。除了中國概況、 中國文化這兩門全英文授課的必修課外，與漢語教學有關的必修課的總學時超過了350學時。目前，我國對來華留學生完成學業后留在中國工作的限制還是比較嚴格，無法給大部分來華留學生提供就業機會。這個需要引起教育主管部門的關注。我國給來華留學生提供學習機會，培養國際化的人才是一個重要目標。

關于課程銜接。數字邏輯這一門作為計算機組成原理的先修課，能夠給學生介紹基本的EDA工具的使用、基本的數字邏輯設計、測試方法及基本的數字邏輯單元的設計、開發和驗證。只有在比較熟練地掌握了基本的數字邏輯單元后，留學生們才能在計算機組成原理課上再借助指令系統的學習和掌握，像搭積木一樣組合（組裝）出數據通路部分和控制部分，進而設計出一個簡單的處理器。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 余承海.程晉寬.來華留學生教育發展的新特征[J].高教發展與評估，2011（5）：118-131.

[2] 袁春風，張澤生，蔡曉燕，楊若瑜，王帥.計算機組成原理課程實踐教學探索[J].計算機教育，2011（17）：110-114.

[3] 胡炯梅，姚雪玲.來華留學生跨文化人際交往障礙與調適研究[J].新疆師范大學學報（哲學社會科學版），2014（2）：129-132.

[4] 王冬.《計算機組成原理》實驗教學改革的研究與實踐[J].現代計算機（專業版），2015（6）：50-52.

[責任編輯：陳 明]