對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程建設(shè)的一點(diǎn)思考

張晴暉　李俊萩　彭金晶　馬志鵬

摘要：計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門主干核心課程。本文分析了該課程教學(xué)過(guò)程中存在的問題，指出加強(qiáng)課程建設(shè)的必要性，并對(duì)課程表述方式、教學(xué)模式與技術(shù)手段以及實(shí)驗(yàn)方法等各個(gè)方面的改革進(jìn)行了探索。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；教學(xué)改革；EDA；Moodle

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）16-0197-02

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)類各專業(yè)的主干課程之一，在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中起到承上啟下的作用。自2008年起列為碩士研究生入學(xué)專業(yè)課綜合考試，全國(guó)統(tǒng)一命題重點(diǎn)課程，各高校對(duì)該課程都十分重視，相關(guān)專業(yè)都列入強(qiáng)化建設(shè)的重點(diǎn)課程[1]。

一、計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前，計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)中存在著較多的問題。許多計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，特別是非重點(diǎn)本科院校的學(xué)生，常常具有“喜軟怕硬”的特點(diǎn)。特別是有些院校在專業(yè)課程的設(shè)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(diǎn)。計(jì)算機(jī)組成原理是一門承上啟下的課程，其涵蓋的知識(shí)面很寬、跨度大、教學(xué)內(nèi)容多，并且較多概念和實(shí)現(xiàn)的方法具有一定的抽象性，學(xué)生理解起來(lái)具有一定的難度[2]。同時(shí)，課程中與硬件有關(guān)的許多理論知識(shí)只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)才能加深理解。但很多高校由于學(xué)時(shí)有限，沒有開設(shè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)一步加深理解。因而，學(xué)生很可能因?yàn)椴糠指拍詈驮頍o(wú)法清晰的掌握，而失去繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力。反之，上層軟件開發(fā)由于與實(shí)際應(yīng)用掛鉤、操作多于理論、學(xué)生因易上手更能獲得成就感等原因，更能吸引學(xué)生的興趣。

2.實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的問題。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)課程是基于X86的實(shí)驗(yàn)箱，采用連線的方式進(jìn)行。該方式需要學(xué)生采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并在試驗(yàn)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(xué)時(shí)的原因，學(xué)生可能并沒有學(xué)習(xí)過(guò)匯編語(yǔ)言；第二，實(shí)驗(yàn)箱的電路由通用集成電路組成，與理論教學(xué)中使用的電路并不能直接的對(duì)應(yīng)上；第三，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)箱上的連線經(jīng)常接觸不良，指導(dǎo)教師和學(xué)生不得不將大量的時(shí)間耗費(fèi)在連接線的操作上。另外，實(shí)驗(yàn)箱的功能難以擴(kuò)展，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)比較固定，主要是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，無(wú)法進(jìn)行有創(chuàng)意的或綜合性較強(qiáng)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。這些問題導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法真正通過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)加深理論知識(shí)的理解，而只是機(jī)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(diào)動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

3.社會(huì)需求的導(dǎo)向。目前，“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代正在來(lái)臨。這是一種利用信息通信技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，讓互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行深度融合的經(jīng)濟(jì)發(fā)展新形態(tài)。這種融合的模式使得不同行業(yè)的許多企業(yè)加大了對(duì)計(jì)算機(jī)人才的需求，相應(yīng)的增加了許多計(jì)算機(jī)相關(guān)崗位。但目前，大部分這種與互聯(lián)網(wǎng)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(fā)軟件研發(fā)人員上。這樣為了更好的就業(yè)，學(xué)生在學(xué)習(xí)上必然重視與應(yīng)用軟件相關(guān)的課程，而忽視抽象的計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)類課程。同理，某些計(jì)算機(jī)院系在課程設(shè)置上也大量增加此類課程的學(xué)時(shí)，而削減專業(yè)基礎(chǔ)相關(guān)課程的學(xué)時(shí)。

4.學(xué)生的學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性不足。由于高校招生規(guī)模不斷擴(kuò)大，很多高校的教學(xué)與管理資源不足，再加上游戲機(jī)、電腦、手機(jī)等電子產(chǎn)品的沖擊，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性整體下滑是不爭(zhēng)的事實(shí)，尤其是非重點(diǎn)二本院校。此類高校有相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生的第一志愿可能并不是計(jì)算機(jī)專業(yè)，他們的專業(yè)興趣不濃，畢業(yè)后也不想從事本專業(yè)相關(guān)的工作，讀大學(xué)可能只是想獲得本科文憑。因此，這部分學(xué)生在遇到計(jì)算機(jī)組成原理這類比較抽象的課程時(shí)，學(xué)習(xí)過(guò)程中稍稍遇到挫折，便可能選擇放棄。

二、計(jì)算機(jī)組成原理課程建設(shè)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(xué)時(shí)或者是放棄該門課程，而加大應(yīng)用軟件的學(xué)時(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)來(lái)說(shuō)就顯得本末倒置了。我們認(rèn)為為了培養(yǎng)出高層次的計(jì)算機(jī)人才，加強(qiáng)計(jì)算機(jī)組成原理課程的建設(shè)是有必要的。

1.知識(shí)環(huán)節(jié)的銜接的需要。計(jì)算機(jī)組成原理雖然屬于硬件類課程，但其在計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)組成原理基礎(chǔ)，對(duì)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、C程序設(shè)計(jì)等軟件類課程的有關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解具有極大的幫助作用。畢竟硬件是軟件運(yùn)行的立足點(diǎn)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等課程中許多難以理解的行為都是與計(jì)算機(jī)硬件行為息息相關(guān)的。

2.應(yīng)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)的需要。目前雖然企業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的需求較大，但計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生面臨的競(jìng)爭(zhēng)還是比較激烈。由于上層軟件開發(fā)的門檻較低、上手較快，很多相近專業(yè)或其他專業(yè)的學(xué)生通過(guò)自學(xué)或者是培訓(xùn)班培訓(xùn)就可以應(yīng)聘這些崗位。再則，上層軟件開發(fā)具有很強(qiáng)的應(yīng)用背景，需要開發(fā)人員具有較強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)，很多時(shí)候非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生在具有一定的編程能力后可能還更加具有競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，要在競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)，沒有扎實(shí)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)，單單只是對(duì)某些開發(fā)軟件的入門、編程工具的熟悉是不行的。一個(gè)優(yōu)秀的程序設(shè)計(jì)人員，應(yīng)該能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編譯原理等課程融會(huì)貫通。只有這樣，計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生才能成為高層次的計(jì)算機(jī)人才，在競(jìng)爭(zhēng)中才具有優(yōu)勢(shì)。

3.更好的把握就業(yè)機(jī)會(huì)的需要。目前不僅僅是“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)蓬勃發(fā)展，與之密切相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴計(jì)算機(jī)、智能家居、智能硬件等新技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭也非常迅猛，與這些技術(shù)相關(guān)的工作崗位也非常多。而這些技術(shù)更加偏向于底層，需要從業(yè)人員具有良好的計(jì)算機(jī)組成、操作系統(tǒng)、嵌入式技術(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及程序開發(fā)基礎(chǔ)，而這正應(yīng)該是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生具有的優(yōu)勢(shì)。

三、對(duì)改革的一些思考

對(duì)如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，我們有如下一些思考。

1.加大對(duì)電子課件的研制與投入。計(jì)算機(jī)組成原理課程沒有太多的數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，學(xué)生學(xué)習(xí)的難度按理本不應(yīng)該太大。但用語(yǔ)言或者文字的方法來(lái)描述計(jì)算機(jī)的行為顯得過(guò)于抽象，從而導(dǎo)致學(xué)生理解起來(lái)非常吃力。而圖像、動(dòng)畫等表現(xiàn)形式往往能使學(xué)生茅塞頓開，幫助其對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的理解。因而，在教學(xué)構(gòu)成中采用圖像和動(dòng)畫等表現(xiàn)形式是很有必要的。目前，一些較經(jīng)典的計(jì)算機(jī)組成原理的教材的電子課件已經(jīng)做得很好，很多高校均直接無(wú)修改的應(yīng)用于教學(xué)。這些課件已經(jīng)包含了動(dòng)畫設(shè)計(jì)，但這些動(dòng)畫主要還是采用PowerPoint進(jìn)行設(shè)計(jì)，在一些知識(shí)點(diǎn)的展示上還不夠具體和形象。因此，對(duì)一些難以講訴的難點(diǎn)、重點(diǎn)，教學(xué)單位應(yīng)該投入時(shí)間和精力，采用Flash等方式設(shè)計(jì)更加形象生動(dòng)的動(dòng)畫來(lái)進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的展示。

2.基于Moodle的教學(xué)方式。由于課時(shí)有限的原因，學(xué)生在課堂中無(wú)法完全理解所教授內(nèi)容，必然要用大量的時(shí)間在課外進(jìn)行課程的學(xué)習(xí)。如何有效的利用課外時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)，就成了教學(xué)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。Moodle（Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment），是一套基于“社會(huì)建構(gòu)主義理論”設(shè)計(jì)開發(fā)的開放源代碼的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中正得到廣泛運(yùn)用[4]。任課教師可以通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，構(gòu)建教學(xué)資源庫(kù)，以提供給學(xué)生進(jìn)行自行學(xué)習(xí)；同時(shí)，還可以構(gòu)建測(cè)試平臺(tái)，幫助學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)情況進(jìn)行自我評(píng)價(jià)；特別的，我們可以通過(guò)添加討論、聊天、投票等活動(dòng)的方式，在教師和學(xué)生之間搭建一個(gè)交流平臺(tái)。這種基于Moodle的教學(xué)方式能夠不受時(shí)間、空間的限制，推動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，增強(qiáng)了學(xué)生的參與意識(shí)，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[5]。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革。EDA技術(shù)以大規(guī)模可編程邏輯器件為設(shè)計(jì)載體，以硬件描述語(yǔ)言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達(dá)方式，以計(jì)算機(jī)、大規(guī)模可編程邏輯器件的開發(fā)軟件及實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)工具，用軟件的方式自動(dòng)完成硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一門新技術(shù)[3]。應(yīng)用該技術(shù)可以在行為層對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行描述，而使數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得更加容易。因此將其應(yīng)用在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)踐課是可行的。國(guó)內(nèi)外不少高校均開始將EDA技術(shù)應(yīng)用到計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)中[6]。這些高校一般也購(gòu)置了EDA實(shí)驗(yàn)箱，并開設(shè)了EDA技術(shù)課程，講授HDL以及FPGA/CPLD相關(guān)知識(shí)，而在該課程實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的鎖存器、存儲(chǔ)器、加法器、乘法器、CPU等模塊均可以應(yīng)用到組成原理的實(shí)驗(yàn)中。因此，整個(gè)組成原理課程的實(shí)驗(yàn)都可以基于HDL+FPGA的模式來(lái)完成。這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ侥芗訌?qiáng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)各個(gè)部件實(shí)現(xiàn)的原理，各個(gè)部件間地址、數(shù)據(jù)、控制信息的實(shí)現(xiàn)和傳輸?shù)戎R(shí)環(huán)節(jié)的理解，讓學(xué)生能從整機(jī)系統(tǒng)上掌握計(jì)算機(jī)的組成和模型機(jī)的設(shè)計(jì)。

綜上所述，為了培養(yǎng)出更加符合計(jì)算機(jī)專業(yè)特色、滿足市場(chǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)人才需求的專業(yè)人才，我們應(yīng)該加大計(jì)算機(jī)組成原理課程的建設(shè)。在課程表述方式、教學(xué)模式與技術(shù)手段以及實(shí)驗(yàn)方法等各個(gè)方面均要結(jié)合實(shí)際進(jìn)行有針對(duì)性的改革和探索，同時(shí)在教學(xué)管理上也應(yīng)投入更多的精力，力爭(zhēng)更大程度的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，讓該門課程真正在學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)上起到承上啟下的作用。

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