來華留學(xué)生計算機(jī)組成原理課教學(xué)方法初探與思考

[摘 要]計算機(jī)組成原理課是本科計算機(jī)、軟件工程相關(guān)專業(yè)的核心學(xué)科基礎(chǔ)課。結(jié)合來華留學(xué)生們獨特的多元文化的特點，對留學(xué)生可進(jìn)行分層次培養(yǎng)教學(xué)實踐，從而提高課程教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]來華留學(xué)生；計算機(jī)組成原理；課程建設(shè)

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

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國力的不斷增強(qiáng)，我國在國際上的影響力及地位也在不斷提高，來華留學(xué)生的人數(shù)不斷增長。教育管理部門一直很重視各個學(xué)校的國際化辦學(xué)規(guī)模和質(zhì)量，已經(jīng)制定了力爭到2020年實現(xiàn)來華留學(xué)生總數(shù)量達(dá)到50萬這一中長期發(fā)展規(guī)劃。[1]如何保證留學(xué)生的教育質(zhì)量，一直是教學(xué)工作者及管理部門十分關(guān)注的問題。

自從開設(shè)面向來華留學(xué)生的純英文本科、碩士和博士學(xué)位教學(xué)以來，南京航空航天大學(xué)來華留學(xué)生規(guī)模一直穩(wěn)定增長，在培養(yǎng)質(zhì)量方面保持穩(wěn)步提高。筆者根據(jù)幾年來在計算機(jī)組成原理課程教學(xué)中遇到的問題、教學(xué)改革嘗試、教學(xué)管理的體會，總結(jié)留學(xué)生計算機(jī)組成原理課程教學(xué)中遇到的問題，介紹留學(xué)生教學(xué)的分層次培養(yǎng)模式的嘗試，探討提高教學(xué)效果的手段。

計算機(jī)組成原理課作為計算機(jī)專業(yè)教學(xué)的核心課程[2] ，無論是對計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的本國本科學(xué)生，還是對軟件工程與管理專業(yè)的本科留學(xué)生來說，都有著舉足輕重的作用。

一、留學(xué)生教學(xué)方法研究的必要性與教學(xué)模式

留學(xué)生有自己的特點，需要充分分析留學(xué)生的特點，才能有的放矢，提高教學(xué)質(zhì)量。

（一）留學(xué)生生源的國際化

從地域上來說，留學(xué)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(lián)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(dá)、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(dá)、尼日利亞、赤道幾內(nèi)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(xué)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(xué)生，多給予他們一些關(guān)心，多和他們交流，這能讓學(xué)生們適應(yīng)環(huán)境，對提高課堂教學(xué)效果有很大的幫助。[3]

（二）留學(xué)生來華前的教育及工作背景的多樣性

在留學(xué)生中，有的留學(xué)生在高中畢業(yè)后，到英國或美國學(xué)習(xí)過1年或兩年計算機(jī)的相關(guān)大學(xué)課程，由于學(xué)費等原因而轉(zhuǎn)學(xué)到我校學(xué)習(xí)。有個別留學(xué)生在高中畢業(yè)后從事過一段時間與計算機(jī)或通信相關(guān)的工作，還有的留學(xué)生開設(shè)過與計算機(jī)相關(guān)的公司，合伙開設(shè)過計算機(jī)電腦或通信方面的銷售與維護(hù)。特別是有的留學(xué)生在高中時，選擇過與計算機(jī)相關(guān)的數(shù)字電子、信息方面的課程內(nèi)容。對于這些學(xué)生來說，學(xué)習(xí)計算機(jī)組成原理課會比較輕松。還有一部分沒有學(xué)過相關(guān)知識的留學(xué)生，他們學(xué)習(xí)起來就感覺到吃力。大部分學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不強(qiáng)，亞洲學(xué)生數(shù)學(xué)知識相對較強(qiáng)。通過了解這些背景知識，有助于在課堂上對重點內(nèi)容進(jìn)行講解，明白哪些內(nèi)容學(xué)生容易接受。

（三）留學(xué)生們的優(yōu)點

留學(xué)生們動手能力普遍比較強(qiáng)、參與討論的積極性比較強(qiáng)；他們自我表現(xiàn)的能力強(qiáng)，但是主動演講的動力不足；他們自尊心比較強(qiáng)，團(tuán)隊協(xié)作能力和互相幫助的精神都比較強(qiáng)。大部分留學(xué)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(xué)生間都能互相幫助，具有集體精神。留學(xué)生們能夠尊重教師，喜歡和教師交流課堂內(nèi)講到的以及課堂外其他專業(yè)方向上的問題；大部分留學(xué)生都能認(rèn)真做作業(yè)，字跡比較端正，甚至是漂亮。當(dāng)留學(xué)生在課上和別的學(xué)生講話、不能認(rèn)真聽講時，如果教師及時提醒他（或她），學(xué)生都能轉(zhuǎn)而認(rèn)真聽講。

二、留學(xué)生教學(xué)實踐

（一）外文原著教材選擇

留學(xué)生的課程是純英文教學(xué)，只能選用英文版的教材。在最初教學(xué)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(fā)現(xiàn)留學(xué)生們接受得不是很好，沒有達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。后來筆者分析了一下原因。一方面，這本教材的內(nèi)容很豐富，也有很多理論知識，但是缺少直接讓學(xué)生們動手練習(xí)、動手做的內(nèi)容。另一方面，大部分留學(xué)生的基礎(chǔ)知識、掌握新知識的能力具有局限性。這就造成了學(xué)生們接受理論知識的差距。經(jīng)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(nèi)容。后者是對前者的補(bǔ)充和豐富，為學(xué)生提供了很多便于動手練習(xí)的例子。學(xué)生們學(xué)習(xí)這本書后，慢慢能夠接受和理解書中的特別是關(guān)于處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面的內(nèi)容，這在無形中提高了教學(xué)效果。

（二）教學(xué)內(nèi)容的精煉優(yōu)化組合

在課程教學(xué)中，應(yīng)把教學(xué)重點放在基本概念、基本原理和具體的實現(xiàn)方法上。對于某種計算機(jī)架構(gòu)的微體系結(jié)構(gòu)設(shè)計是計算機(jī)組成原理課主要的核心內(nèi)容。在這門課程的教學(xué)中，筆者選擇了MIPS處理器微體系架構(gòu)作為主要的學(xué)習(xí)內(nèi)容，精煉這部分教學(xué)內(nèi)容，圍繞計算機(jī)組成原理的重要內(nèi)容，講透徹、講細(xì)這部分內(nèi)容，以便學(xué)生能夠掌握。一些關(guān)鍵性的知識內(nèi)容，如從運(yùn)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(shè)備的組織及讀寫等操作的工作原理，作為重點內(nèi)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(shù)據(jù)通路及控制器的設(shè)計是單周期CPU設(shè)計中的核心內(nèi)容。本課程運(yùn)用例子重點介紹了寄存器型、立即數(shù)型、無條件跳轉(zhuǎn)型指令的編碼格式，這些內(nèi)容要講透徹。在介紹數(shù)據(jù)通路設(shè)計時，重點培養(yǎng)學(xué)生在CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)流的概念，數(shù)據(jù)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(xué)生們樹立控制信號產(chǎn)生機(jī)制的概念，讓學(xué)生理解明白依據(jù)每條指令中的哪些位可以對數(shù)據(jù)通路中的哪些操作、計算部件產(chǎn)生哪些控制信號。這是幫助學(xué)生理解控制器和數(shù)據(jù)通路交互的關(guān)鍵。

（三）抽象和具體相組合的教學(xué)方法的運(yùn)用

在教學(xué)中，通過加強(qiáng)對相關(guān)市場產(chǎn)品的介紹，加強(qiáng)學(xué)生對整機(jī)系統(tǒng)的理解和掌握。通過把書中一些抽象的概念與學(xué)生能夠觸手可及的產(chǎn)品相結(jié)合，加強(qiáng)其認(rèn)識能力，既可以提高他們學(xué)習(xí)這門課的興趣，又可以加深他們對計算機(jī)整個系統(tǒng)的組成原理的理解。在對CPU內(nèi)部工作機(jī)理及設(shè)計講解清楚后，結(jié)合處理器的架構(gòu)，介紹主要CPU產(chǎn)商的主要產(chǎn)品。介紹市場上主要的存儲芯片產(chǎn)品作為存儲器相關(guān)內(nèi)容的補(bǔ)充；介紹業(yè)界主要的具體的磁盤產(chǎn)品，如西部數(shù)據(jù)的產(chǎn)品及電腦主板產(chǎn)品，如華碩的主板作為輸入輸出系統(tǒng)的主要例子。

（四）虛擬實驗教學(xué)

實驗教學(xué)在計算機(jī)組成原理課程的教學(xué)中有著很重要的地位。虛擬實驗越來越多地被用到計算機(jī)組成原理課程的實驗中。[4]在教學(xué)中，筆者增加了EDA工具的介紹，加強(qiáng)了學(xué)生們采用ModelSim進(jìn)行虛擬實驗的方法。指導(dǎo)學(xué)生們運(yùn)用硬件描述語言Verilog進(jìn)行MIPS（子集）處理器的設(shè)計性實踐，從常用的七條指令開始設(shè)計出單周期的處理器。對于部分掌握得好的學(xué)生，在Modelsim中驗證設(shè)計正確后，用FPGA作為目標(biāo)板進(jìn)行實物的實驗，以此來加深學(xué)生對整機(jī)的認(rèn)識。在實驗中，培養(yǎng)學(xué)生的分工協(xié)作、團(tuán)隊合作精神，讓掌握得好的學(xué)生幫助有困難的學(xué)生一起共同進(jìn)步；引導(dǎo)學(xué)生們做好系統(tǒng)設(shè)計性實驗，培養(yǎng)他們用工程性方法構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的能力。

三、關(guān)于留學(xué)生計算機(jī)組成原理教學(xué)的思考

關(guān)于專業(yè)課教學(xué)學(xué)時。從學(xué)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(xué)科基礎(chǔ)、專業(yè)教育、學(xué)科拓展各個部分相關(guān)課程的設(shè)置與各個課程的教學(xué)學(xué)時的。但是，學(xué)生普遍反映與漢語教學(xué)相關(guān)的課程數(shù)目及總學(xué)時偏多，過多地占用了他們學(xué)習(xí)與計算機(jī)相關(guān)的專業(yè)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(xué)有關(guān)的必修課的總學(xué)時超過了350學(xué)時。目前，我國對來華留學(xué)生完成學(xué)業(yè)后留在中國工作的限制還是比較嚴(yán)格，無法給大部分來華留學(xué)生提供就業(yè)機(jī)會。這個需要引起教育主管部門的關(guān)注。我國給來華留學(xué)生提供學(xué)習(xí)機(jī)會，培養(yǎng)國際化的人才是一個重要目標(biāo)。

關(guān)于課程銜接。數(shù)字邏輯這一門作為計算機(jī)組成原理的先修課，能夠給學(xué)生介紹基本的EDA工具的使用、基本的數(shù)字邏輯設(shè)計、測試方法及基本的數(shù)字邏輯單元的設(shè)計、開發(fā)和驗證。只有在比較熟練地掌握了基本的數(shù)字邏輯單元后，留學(xué)生們才能在計算機(jī)組成原理課上再借助指令系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和掌握，像搭積木一樣組合（組裝）出數(shù)據(jù)通路部分和控制部分，進(jìn)而設(shè)計出一個簡單的處理器。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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

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

[3] 胡炯梅，姚雪玲.來華留學(xué)生跨文化人際交往障礙與調(diào)適研究[J].新疆師范大學(xué)學(xué)報（哲學(xué)社會科學(xué)版），2014（2）：129-132.

[4] 王冬.《計算機(jī)組成原理》實驗教學(xué)改革的研究與實踐[J].現(xiàn)代計算機(jī)（專業(yè)版），2015（6）：50-52.

[責(zé)任編輯：陳 明]