面向工程教育認證的計算機組成原理課程改革的探索

謝從華+++徐文彬

摘 要： 為了滿足工程教育認證對計算機類專業人才培養的要求，針對計算機組成原理課程，探討了改革的必要性。從課程教學目的、教學方法和教學內容三個方面提出了一些適合工程教育認證的課程改革措施。該課程改革措施實施后，取得了較好的教學效果，值得計算機專業的其他課程參考。

關鍵詞： 工程教育認證； 教學目的； 教學方法； 教學內容

中圖分類法：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）05-97-03

Abstract： In order to meet the requirements of engineering education accreditation for computer professionals， the necessity of reform is discussed against the principles of computer organization course. This paper puts forward some course reform measures suitable for engineering education accreditation from three aspects of the teaching purpose， teaching methods and teaching contents of the course. After the implementation of the course reform measures， good teaching effect has been achieved， which is worthy of reference to other courses in computer relative majors.

Key words： engineering education accreditation； teaching purpose； teaching methods； teaching contents

0 引言

計算機組成原理是計算機科學與技術等專業的一門核心課程，是很多高校研究生入學考試中的專業科目之一。它以先修課程計算機導論、程序設計、匯編語言和數字邏輯為基礎對計算機專業知識進行拓展[1]，并為后續課程計算機體系結構、嵌入式系統、單片機原理與應用等課程提供知識基礎。通過學習該課程，學生可以了解計算機硬件的基本組成及其工作原理，掌握計算機的工作過程及其各部分硬件之間的聯系，最終建立起整機的系統概念[2]。

目前，已有較多該課程教學改革方面的研究[1-6]，涉及到教材選擇、教學內容設計、教學模式研究、教學方法創新、實驗教學運用等方面，這些研究為該課程教學提供了很多可供參考的新思路。

工程教育認證對不同教育背景的人才受教育的實質等效性提出了認證的要求，符合國際慣例。工程教育認證是時代發展到一定階段的必然產物， 2013年6月，我國工程教育成功加入華盛頓協議。近年來，常熟理工學院積極探索工程教育認證的工作，包括計算機類專業圍繞2015版工程教育專業認證標準開展專業建設。在此背景下，課題組針對計算機組成原理課程如何滿足工程教育認證進行了改革探索。

1 教學目標研究

工程是人們綜合運用科學理論和技術手段去改造客觀世界的實踐活動，是一種創造性的活動。面對當今世界的工程學科相互交叉與融合日益明顯的現狀，現代工程作為多學科的綜合體，越來越依賴社會、政治、經濟、環境、法律和文化背景。事實證明，工程技術人才對于國家的科技水平及國際地位有著決定性的影響，重視學生工程能力的培養已經成為世界各國高等工程教育的共識和新的趨勢。在工程認證體制中專業培養目標中，要明確指出學生畢業時需達到的要求，其中除了對專業知識掌握程度的要求外，還有對學生能力的發展程度的具體要求。由于在專業的新評價模式上，學生培養目標的具體化和可評估化，對人才培養的要求不僅體現在專業知識要求上，還體現在各種能力和技術上。

課程目標主要體現在培養方案中總培養目標對于課程類型、課程的深度和廣度上的具體要求。結合國際工程認證的要求，在企業和行業專家的參與下，修訂了計算機組成原理課程目標。具體如下：

⑴ 具有較強的社會責任感和良好的計算機工程職業道德，能正確認識計算機系統工程對于客觀世界和社會的影響，理解計算機系統工程專業及其服務于社會、職業和環境的責任；

⑵ 學習計算機的基本概念、基本組成及基本功能，掌握計算機的各個基本組成部件及控制單元的工作原理，具有運用物理科學基礎知識解釋計算機系統工程問題的基本能力；

⑶ 掌握計算機組成的基礎理論知識和專業知識，了解計算機組成的核心概念、知識結構和典型方法，了解計算機組成的前沿發展現狀和趨勢；

⑷ 掌握計算機組成的基本理論和基本知識，熟悉計算機體系結構等基本原理，特別是能夠掌握計算機組成系統的設計與開發能力；

⑸ 使學生掌握有關軟、硬件的基本知識，尤其是各基本組成部件有機連接構成整機系統的方法，使學生具有一定的計算機系統的分析、設計、開發能力；

⑹ 具有適應發展能力以及終身學習能力，掌握通過圖書館、搜索引擎等獲取計算機組成相關信息的基本方法；

⑺ 培養學生的工程實踐學習能力，使學生掌握計算機組成原理的實驗方法，具有運用標準、規范、手冊、圖冊和查閱有關技術資料的能力。

2 教學內容研究

根據工程教育認證體制下的人才培養特點，探討計算機組成原理課程可以為工程專業人才培養提供哪些知識點和能力培養。

首先，掌握計算機組成的知識點，如存儲元器件、存儲單元、存儲地址、存儲字長、存儲空間、存儲器分類及特征、高速緩存、地址映射、時序、讀、寫、刷新、存儲位擴展、存儲地址擴展、存儲器的校驗、總線特征、總線分類、總線結構、總線控制、定點小數和整數的真值、原碼、補碼、反碼和移碼、機器零、溢出、移位運算、邏輯運算、算術運算、機器指令、操作數、操作碼、指令字長、陷阱、中斷、尋址、寄存器、控制信號、指令周期、指令流水、機器周期、時鐘周期、節拍、微操作、微程序、接口、通道等。

其次，工程實踐能力的培養。如實驗設計、實驗數據處理、實驗團隊協作能力、實驗文檔總結及動手能力。根據計算機相關元器件和文檔的標準、規范、手冊和圖冊完成如下幾個工程實驗項目：

⑴ TEC-XP16教學實驗系統監控命令、指令系統、匯編程序設計；

⑵ PLD器件GAL20V8芯片實現2-4譯碼器線路功能的簡單組合邏輯電路；

⑶ CPLD器件MACH芯片實現簡單組合邏輯電路以及時序邏輯電路實驗；

⑷ AM2901運算器的功能與具體用法；

⑸ 理解TEC-XP16教學計算機的功能部件MACH的組成和線路邏輯關系的29條基本指令并設計幾條擴展指令的組合邏輯控制；

⑹ 比較RAM（6116）、EEPROM（28 系列芯片）EPROM（27 系列芯片）在讀寫上的異同并實現位擴展和字擴展實驗；

⑺ 利用串行通信接口芯片8251實現PC機和Tec-XP16之間的COM1和COM2串口的I/O擴展等。

最后，系統分析能力培養，解決計算機系統的軟硬件工程能力。根據計算機相關元器件和文檔的標準、規范、手冊和圖冊完成如下幾個系統工程項目：①根據給定的元器件分析并設計存儲器的字位擴容的電路；②根據給定的主存和Cache設計并分析地址映射方案；③設計并實現快速加法器或乘法器的軟硬件系統；④根據給定的指令機器和指令類型分析并設計指令系統；⑤根據給定的元器件設計并實現微程序控制或組合邏輯控制系統等。

3 教學方法研究

首先，以面向解決復雜的存儲、運算和輸入輸出等工程問題為背景，運用先進的工程化方法、技術和工具分析、設計、開發計算機系統的軟硬件，在解決工程問題中融入計算機組成的基本知識點與技術理論，通過多媒體課件中的動畫模擬仿真，縮短教學和計算機硬件和軟件工程的距離，學生能夠具備工程技術人才的基本素質。

其次，理論和實踐能力的培養需要提高與工程行業的結合度。計算機組成原理課程中的理論教學內容、實驗儀器設備、環境和內容需要及時更新，關注計算機工程行業的最新發展情況。聯合幾家大型的計算機公司，聯合制定教學大綱、聯合編著專業課程教材、聯合建立實驗室，每隔3年調整實驗內容和實驗儀器設備。

最后，增加學生工程實踐學習的機會。實驗教學中盡可能創造學生動手實踐的機會，主動學習，積極探索。學生在熟悉實驗內容、實驗操作過程，掌握儀器設備的操作步驟和方法，完成基本的實驗。此外，自行研制實驗教學平臺，輔導學生開展課外科技活動，提升學生的工程能力。自行研制的實驗教學設備與市面上一般的教學儀器相比，最大的優點在于將所有的底層硬件和端口都開放給學生，讓學生真正理解計算機系統的內部結構和工作原理，從而進行設計性和創新性實驗。

4 結束語

工程教育認證是未來工程教育質量評價的發展趨勢，工程教育質量的提升迫切要求高校專業課程做出更多的改革與創新。適合工程教育認證的計算機組成原理課程教學改革是一項長期而又艱巨的任務，需要長期地研究、探索和實踐。本文通過分析計算機組成原理課程性質和工程教育認證的必要性，提出了計算機組成原理課程教學目的、教學內容和教學方法等改革措施，提高學生創新能力，使本課程的工程教育質量得到了一定程度的改善和提高。但是教師和學生對工程教育認證的理解和掌握需要有一個適應過程，教學環節還有許多與工程教育認證不適應之處。在教學中需要突破系統的教學方法，引入工程教育認證的理念，進行深入研究，最終培養出國際認可的高素質計算機類工程師。

參考文獻（References）：

[1] 陳華鋒.《計算機組成原理》教學中多課程知識融合探析[J].荊楚理工學院學報，2011.26（5）：70-72

[2] 王曉麗.計算機組成原理課程教學改革探索[J].計算機時代，2013.7：60-62

[3] 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

[4] 王丁磊.統考下的《計算機組成原理》教學方法探討[J].計算機教育，2010.8（6）：91-93

[5] 鄢吉多.“計算機組成原理”課程教學方法研究[J].貴陽學院學報（自然科學版），2010.5（3）：68-70

[6] 鄧蕾蕾，張獻.《計算機組成原理》課程立體化教學模式的研究與實踐[J].職業技術教育，2011.32（11）：37-39