用“工程思維”引領《計算機組成原理》課程教學

傅籬

摘 要： 《計算機組成原理》是大學計算機類專業的一門硬件核心課程，課程的難度和對硬件知識的高要求使得這門課程是公認的較難學的課程。作者就如何培養學生對計算機硬件的學習興趣、提高教學質量結合自己的工程實踐做了探索。

關鍵詞： 《計算機組成原理》 工程思維 教學探索

《計算機組成原理》是計算機科學與技術及信息類相關專業的一門核心課程，這門課程不針對具體機型，而是從計算機系統的組成和結構角度講述計算機的基本原理，對計算機系統的硬件設計具有理論指導意義。這門課程涉及的基礎理論、基本概念較多，有較強的理論性，如果采用一般的教學方法，學生學習起來感到難懂和枯燥，是公認的學習難度和教學難度較高的一門課程。

如何讓學生提高對這門課程的學習興趣、積極思考，努力投入的硬件知識的學習中，我在十多年的課程教學和科研實踐中，探索從“工程思維”的角度引領課程教學，取得較好的教學效果，受到學生的歡迎。

一、《計算機組成原理》課程定位

首先，計算機科學與技術專業是一個工科類的專業，它是在計算機這個工業產品出現后，隨著計算機軟件、硬件技術飛速發展和廣泛應用，從而誕生的一個新興專業。計算機技術的理論、基本原理都和工程技術密不可分?！队嬎銠C組成原理》是計算機科學與技術專業中有關硬件部分的核心基礎課程。

從產品設計的角度看，計算機硬件設計本身就是一個工程項目或者工業產品，《計算機組成原理》涉及的理論、原理都是在計算機產品發展過程中總結、歸納、提升出來的。所以在學習這門課程時，不能用一種純理論的學習方法學習，而是要用一種“工程思維”的方式學習。比如在工程設計過程中，不能只考慮產品的性能，而是要考慮產品功能的擴展性、可維護性、產品性價比?！队嬎銠C組成原理》課程中的總線技術、Cache技術都體現了這樣一種設計思想和理念。同時計算機的硬件結構隨著現代電子技術的不斷進步在不斷改變，《計算機組成原理》課程內容不斷更新。

由于計算機硬件是和工程實際緊密相連的，作為指導計算機硬件設計的《計算機組成原理》這門課程就不能像《高等數學》、《數據結構》、《數字邏輯》等課程一樣，只是偏重從理論上講解，而是要從工程設計的角度講解才能使得學生聽得懂、有興趣，同時也有更深刻的理解。

二、“工程思維”引領教學的具體實踐

用工程思維的方式引領《計算機組成原理》課程教學，是指要求學生站在一個工程師的角度思考如何設計一個計算機系統？在設計一個計算機系統時需要解決哪些問題？把整個課程的知識點融入項目設計中。這樣就帶出目前計算機系統是如何解決這些問題的？通過老師在學生積極思考后的講解，從而學到相關的理論和方法。

這種以“工程思維”作為引領的教學方法的好處是真正激發學生的興趣，使得學生帶著問題學習。在學習過程中不是死記硬背一些知識點，而是結合問題實質提出解決問題的方案，真正調動學生的主動性，增強學習效果。最重要的是，通過這種方法學生形成一種“工程思維”的方式，了解工程項目的設計思路和設計理念，為學生今后成為合格的工程師打好基礎。

由于目前在校的大學生，都是從學校到學校，幾乎沒有任何工程設計實踐的概念，所以在教學中要不斷強化學生的這種意識。

下面我以計算機中數據表示這一節為例，具體介紹“工程思維”引領的教學方法。

在這節中我們首先會告訴學生計算機采用的是二進制。大多數學生知道計算機使用二進制，但到底是怎么回事是模糊的。這時我們結合計算機主板電路告訴學生：計算機使用二進制是因為二進制是最簡單的數制，在電路上只要“0”和“1”兩種電平狀態表示，世界上第一臺電子計算機設計時開始是用的十進制，是工程師們的不斷實踐，發現用二進制設計電路更簡單、可靠，因而改進成二進制，這樣生活中的十進制數，如果要用計算機處理，必須轉換成二進制。

這時學生會疑惑，那計算機既然使用二進制，為什么要學習十六進制？我們接著會告訴學生：這是因為我們在實際研發計算機產品過程中如果書寫二進制，一個簡單的十進制數用二進制表示會很長，這樣工程師在書寫過程中很容易出錯，轉換成十六進制后書寫簡單得多，而且二進制和十六進制相互轉換方法也簡單。

我們會繼續提問學生：生活中的十進制數可以通過轉換成二進制由計算機處理，但生活中還有正數和負數呢？計算機又該如何解決符號問題呢？這樣順勢講解有符號數和無符號數在計算機中的表示。

計算機解決了符號問題，計算機的設計師們面臨的問題如何解決小數點問題呢？我們又從這個角度講解定點數和浮點數的表示，告訴學生工程師們是如何巧妙解決計算機中小數點的表示問題。

接下來講解數據的原碼、反碼、補碼時學生會疑惑：不是有二進制了嗎？原碼表示不是很好嗎？為什么又要學習補碼呢？這時我們會告訴學生：計算機開始設計時是用原碼，但是發現，如果計算機用原碼設計加法電路時會很麻煩，你必須先比較被加數和加數的符號，然后才能確定是做加法而是做減法，而且運算結果的符號要單獨處理。如果在計算機的運算電路中采用補碼，其加法、減法會統一成加法，符號位可以參與運算，在不溢出的情況下結果正確。在課堂上，通過一個原碼加法和補碼加法的例子，學生感到補碼加法的神奇，激發濃厚的學習興趣。

另外在《計算機組成原理》課程講解“系統總線”一章時，我們結合實際產品中的PCI-E和USB總線，告訴學生如果產品設計過程中使用“總線”方法連接計算機各個部件比用“分散連接”方法連接各個部件，產品的擴展性、易維護性會好得多，這是會計算機系統會廣泛采用總線的原因。這種從“工程思維”角度切入的教學，使得理論變得生動有趣，不再枯燥無味。

在講授“存儲器系統”一章的“存儲器的層次結構”時，Cache技術涉及工程設計的思想，也就是說這些設計理論都是為了實現產品的性價比，解決存儲器速度、容量、價格的矛盾。這些課程的講解如果不結合“工程思維”，不強調工程設計意識，對于從未參與實際設計過產品的大學生們是很難理解和意識到的。

總之，如果我們帶著學生以一個工程師的角色，學習和了解計算機硬件在發展過程中出現的理論、形成的概念和解決方案，這樣學生在學習過程中的參與意識會強得多，學習興趣會濃厚得多。這種站在更高角度來學習的《計算機組成原理》，可以培養學生工程設計的意識，為學生們畢業后從事產品設計、項目開發都打下良好的基礎。

三、結語

根據美國工程教育協會的定義：工程是一種把科學和數學原理、經驗、判斷和常識用到造福人類的產品制造中的藝術，是生產某種技術產品或系統以滿足特定需要的過程。計算機就是這樣一種產品或系統。所以在和計算機有關的專業知識學習中應用“工程思維”引領是一種必然，我們需要探索“工程思維”在計算機硬件學習中的價值，以增強教學效果，同時使得學生通過課程學習獲得未來工作中需要的工程思維方式和工程設計能力。

參考文獻：

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