對計算機組成原理課程建設的一點思考

張晴暉　李俊萩　彭金晶　馬志鵬

摘要：計算機組成原理是計算機科學與技術專業的一門主干核心課程。本文分析了該課程教學過程中存在的問題，指出加強課程建設的必要性，并對課程表述方式、教學模式與技術手段以及實驗方法等各個方面的改革進行了探索。

關鍵詞：計算機組成原理；教學改革；EDA；Moodle

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）16-0197-02

計算機組成原理是計算機類各專業的主干課程之一，在整個計算機系統體系結構中起到承上啟下的作用。自2008年起列為碩士研究生入學專業課綜合考試，全國統一命題重點課程，各高校對該課程都十分重視，相關專業都列入強化建設的重點課程[1]。

一、計算機組成原理教學現狀分析

目前，計算機組成原理教學中存在著較多的問題。許多計算機專業的學生，特別是非重點本科院校的學生，常常具有“喜軟怕硬”的特點。特別是有些院校在專業課程的設置上也“重軟輕硬”。究其原因，主要是由以下幾方面造成的。

1.該門課程自身的特點。計算機組成原理是一門承上啟下的課程，其涵蓋的知識面很寬、跨度大、教學內容多，并且較多概念和實現的方法具有一定的抽象性，學生理解起來具有一定的難度[2]。同時，課程中與硬件有關的許多理論知識只有通過實驗環節才能加深理解。但很多高校由于學時有限，沒有開設實驗，學生無法通過實驗環節進一步加深理解。因而，學生很可能因為部分概念和原理無法清晰的掌握，而失去繼續學習的興趣和動力。反之，上層軟件開發由于與實際應用掛鉤、操作多于理論、學生因易上手更能獲得成就感等原因，更能吸引學生的興趣。

2.實驗環節的問題。傳統的計算機組成原理的實驗課程是基于X86的實驗箱，采用連線的方式進行。該方式需要學生采用匯編語言進行程序設計，并在試驗箱上完成大量的連接線操作。這種方式面臨的問題是：首先，由于學時的原因，學生可能并沒有學習過匯編語言；第二，實驗箱的電路由通用集成電路組成，與理論教學中使用的電路并不能直接的對應上；第三，在實驗過程中，實驗箱上的連線經常接觸不良，指導教師和學生不得不將大量的時間耗費在連接線的操作上。另外，實驗箱的功能難以擴展，實驗內容相對比較固定，主要是驗證性實驗，無法進行有創意的或綜合性較強的設計性實驗。這些問題導致學生無法真正通過實驗環節加深理論知識的理解，而只是機械的按照操作步驟完成程序的錄入或連接線的接入，更難以充分調動學生的創新意識。

3.社會需求的導向。目前，“互聯網+”時代正在來臨。這是一種利用信息通信技術以及互聯網平臺，讓互聯網與傳統行業進行深度融合的經濟發展新形態。這種融合的模式使得不同行業的許多企業加大了對計算機人才的需求，相應的增加了許多計算機相關崗位。但目前，大部分這種與互聯網融合的模式還停留在不是很深入的層面，這些崗位的需求也主要集中在Java、.net、PHP、Python以及其他上層開發軟件研發人員上。這樣為了更好的就業，學生在學習上必然重視與應用軟件相關的課程，而忽視抽象的計算機專業基礎類課程。同理，某些計算機院系在課程設置上也大量增加此類課程的學時，而削減專業基礎相關課程的學時。

4.學生的學習的主觀能動性不足。由于高校招生規模不斷擴大，很多高校的教學與管理資源不足，再加上游戲機、電腦、手機等電子產品的沖擊，學生學習的主動性和積極性整體下滑是不爭的事實，尤其是非重點二本院校。此類高校有相當數量的學生的第一志愿可能并不是計算機專業，他們的專業興趣不濃，畢業后也不想從事本專業相關的工作，讀大學可能只是想獲得本科文憑。因此，這部分學生在遇到計算機組成原理這類比較抽象的課程時，學習過程中稍稍遇到挫折，便可能選擇放棄。

二、計算機組成原理課程建設的必要性

雖然存在著以上諸多問題，但因此就減少該門課程的學時或者是放棄該門課程，而加大應用軟件的學時，對計算機專業來說就顯得本末倒置了。我們認為為了培養出高層次的計算機人才，加強計算機組成原理課程的建設是有必要的。

1.知識環節的銜接的需要。計算機組成原理雖然屬于硬件類課程，但其在計算機的軟硬件課程之間起承上啟下的作用[3]。因此具有良好的計算機組成原理基礎，對操作系統、數據結構、C程序設計等軟件類課程的有關知識點的理解具有極大的幫助作用。畢竟硬件是軟件運行的立足點，數據結構、操作系統等課程中許多難以理解的行為都是與計算機硬件行為息息相關的。

2.應對競爭的需要。目前雖然企業對計算機專業人才的需求較大，但計算機專業的學生面臨的競爭還是比較激烈。由于上層軟件開發的門檻較低、上手較快，很多相近專業或其他專業的學生通過自學或者是培訓班培訓就可以應聘這些崗位。再則，上層軟件開發具有很強的應用背景，需要開發人員具有較強的專業知識，很多時候非計算機專業的學生在具有一定的編程能力后可能還更加具有競爭力。對計算機專業的學生來說，要在競爭中處于優勢，沒有扎實的計算機基礎，單單只是對某些開發軟件的入門、編程工具的熟悉是不行的。一個優秀的程序設計人員，應該能夠將計算機組成原理、操作系統、數據結構、編譯原理等課程融會貫通。只有這樣，計算機專業的學生才能成為高層次的計算機人才，在競爭中才具有優勢。

3.更好的把握就業機會的需要。目前不僅僅是“互聯網+”技術蓬勃發展，與之密切相關的物聯網、可穿戴計算機、智能家居、智能硬件等新技術發展勢頭也非常迅猛，與這些技術相關的工作崗位也非常多。而這些技術更加偏向于底層，需要從業人員具有良好的計算機組成、操作系統、嵌入式技術、數據結構以及程序開發基礎，而這正應該是計算機專業學生具有的優勢。

三、對改革的一些思考

對如何提高學生學習的主動性，我們有如下一些思考。

1.加大對電子課件的研制與投入。計算機組成原理課程沒有太多的數學公式的推導，學生學習的難度按理本不應該太大。但用語言或者文字的方法來描述計算機的行為顯得過于抽象，從而導致學生理解起來非常吃力。而圖像、動畫等表現形式往往能使學生茅塞頓開，幫助其對相應知識點的理解。因而，在教學構成中采用圖像和動畫等表現形式是很有必要的。目前，一些較經典的計算機組成原理的教材的電子課件已經做得很好，很多高校均直接無修改的應用于教學。這些課件已經包含了動畫設計，但這些動畫主要還是采用PowerPoint進行設計，在一些知識點的展示上還不夠具體和形象。因此，對一些難以講訴的難點、重點，教學單位應該投入時間和精力，采用Flash等方式設計更加形象生動的動畫來進行知識點的展示。

2.基于Moodle的教學方式。由于課時有限的原因，學生在課堂中無法完全理解所教授內容，必然要用大量的時間在課外進行課程的學習。如何有效的利用課外時間進行學習，就成了教學中一個非常重要的環節。Moodle（Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment），是一套基于“社會建構主義理論”設計開發的開放源代碼的網絡教學平臺，在網絡教學中正得到廣泛運用[4]。任課教師可以通過該網絡教學平臺，構建教學資源庫，以提供給學生進行自行學習；同時，還可以構建測試平臺，幫助學生對學習情況進行自我評價；特別的，我們可以通過添加討論、聊天、投票等活動的方式，在教師和學生之間搭建一個交流平臺。這種基于Moodle的教學方式能夠不受時間、空間的限制，推動學生自主學習，增強了學生的參與意識，能激發學生學習興趣[5]。

3.實驗教學的改革。EDA技術以大規模可編程邏輯器件為設計載體，以硬件描述語言為系統邏輯描述的主要表達方式，以計算機、大規模可編程邏輯器件的開發軟件及實驗開發系統為設計工具，用軟件的方式自動完成硬件系統設計的一門新技術[3]。應用該技術可以在行為層對數字電路進行描述，而使數字系統的設計變得更加容易。因此將其應用在計算機組成原理實踐課是可行的。國內外不少高校均開始將EDA技術應用到計算機組成原理教學中[6]。這些高校一般也購置了EDA實驗箱，并開設了EDA技術課程，講授HDL以及FPGA/CPLD相關知識，而在該課程實驗中設計的鎖存器、存儲器、加法器、乘法器、CPU等模塊均可以應用到組成原理的實驗中。因此，整個組成原理課程的實驗都可以基于HDL+FPGA的模式來完成。這種實驗模式能加強學生對計算機各個部件實現的原理，各個部件間地址、數據、控制信息的實現和傳輸等知識環節的理解，讓學生能從整機系統上掌握計算機的組成和模型機的設計。

綜上所述，為了培養出更加符合計算機專業特色、滿足市場對計算機人才需求的專業人才，我們應該加大計算機組成原理課程的建設。在課程表述方式、教學模式與技術手段以及實驗方法等各個方面均要結合實際進行有針對性的改革和探索，同時在教學管理上也應投入更多的精力，力爭更大程度的激發學生的學習興趣，調動學生學習的主觀能動性，讓該門課程真正在學生的知識結構上起到承上啟下的作用。

參考文獻：

[1]時海亮.關于計算機組成原理實驗課安排的研討[J].電子設計工程，2012，20（9）：11-13.

[2]王慶香，蔡逸儀，等.“計算機組成原理”實踐教學的新方法探索[J].實驗室研究與探索，2007，26（12）：361-363.

[3]潘松，潘明.現代計算機組成原理[M].北京：科學出版社，2007.

[4]鄧國民.基于Moodle的《現代教育技術》網絡課程的開發和應用[D].成都：四川師范大學，2008.

[5]孔維宏，高瑞利.基于Moodle的混合式學習設計與實踐研究[J].中國電化教育，2008，（253）：80-83.

[6]蔣本珊，王娟，等.計算機組成原理實驗改革初探[J].實驗室研究與探索，2007，26（12）：270-273.