《計算機組成原理》課程教學(xué)改革建議

付振勇(南京郵電大學(xué)計算機學(xué)院、軟件學(xué)院，南京，210023)

《計算機組成原理》課程教學(xué)改革建議

付振勇
(南京郵電大學(xué)計算機學(xué)院、軟件學(xué)院，南京，210023)

0　引言

隨著第三次科技浪潮的到來，以計算機設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)深刻地改變了人類社會的方方面面。計算機作為上個世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于處理并取代以前靠人力的各項工作中。早期的計算機還比較簡陋，復(fù)雜度比較低，所以編程人員需要了解，也能夠了解計算機的一些基本的構(gòu)成原理。隨著計算機系統(tǒng)的越來越專業(yè)化、復(fù)雜化，除了少數(shù)計算機硬件結(jié)構(gòu)專家外，普通人包括現(xiàn)在的計算機專業(yè)學(xué)生、從業(yè)人員已經(jīng)很難直觀地去理解計算機系統(tǒng)。人與計算機之間的交流已經(jīng)由專業(yè)的操作系統(tǒng)軟件替代了。因此，人們越來越多地只同計算機操作系統(tǒng)打交道，而完全無法理解計算機系統(tǒng)是如何由電子設(shè)備按照一定的原理構(gòu)成的。

《計算機組成原理》作為計算機專業(yè)的一門基礎(chǔ)必修課程，對提高計算機專業(yè)學(xué)生對于現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的整體理解和認識是非常必要的。《計算機組成原理》的先修課程是《數(shù)字邏輯設(shè)計》，后續(xù)課程為《微機系統(tǒng)與接口》、《單片機應(yīng)用技術(shù)》等硬件系列課程。《計算機組成原理》是學(xué)習(xí)與理解計算機硬件組成和工作原理的基礎(chǔ)課程，也是學(xué)習(xí)與了解后續(xù)的相關(guān)計算機軟件課程，例如《操作系統(tǒng)》、《匯編語言程序設(shè)計》等的基礎(chǔ)課程。可以說，計算機組成原理在計算機專業(yè)的本科教學(xué)中起到了承上啟下的關(guān)鍵作用，是每一個計算機專業(yè)的學(xué)生必須掌握的專業(yè)知識。然而，在實際的教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)存在一些問題，例如：學(xué)生對學(xué)習(xí)該課程的重要性認識不足，部分學(xué)生對前期所學(xué)的《數(shù)字邏輯設(shè)計》課程出現(xiàn)遺忘現(xiàn)象，課堂所學(xué)理論不能夠很好地應(yīng)用到實際的計算機設(shè)計中。針對上述問題，本文擬從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實踐教學(xué)和改革考核方式等方面提出一些建議。尤其在實踐教學(xué)方面，本文首次提出了建設(shè)基于Raspberry Pi的計算機組成原理實驗教學(xué)環(huán)境。

1　存在的問題

1.1學(xué)生興趣不足

《計算機組成原理》作為一門計算機硬件課程，對計算機專業(yè)的學(xué)生而言，相對抽象，受到實驗條件的限制，很多的計算機組成原理的知識點無法讓學(xué)生們很容易地實踐，所以導(dǎo)致了學(xué)生們對相對抽象的理論知識隨著課程的學(xué)習(xí)逐漸厭倦、也越來越不理解課堂上學(xué)習(xí)的內(nèi)容。另外，目前開設(shè)計算機組成原理課程的高校將它作為計算機專業(yè)的必修課，一般都安排在在大三第二學(xué)期或大四第一學(xué)期進行講授。然而，在整個大學(xué)期間，大三這一學(xué)年所要學(xué)習(xí)的專業(yè)課都非常多，學(xué)生的學(xué)業(yè)壓力大。另外，很多的學(xué)生在此期間都面臨著考研、找工作等課程之外的壓力。而且《計算機組成原理》作為計算機專業(yè)的一門硬件理論課程，除了少數(shù)致力于將來從事計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的學(xué)生外，大部分學(xué)生會感覺所學(xué)的知識在未來的工作中用不到。以上種種因素導(dǎo)致了大部分學(xué)生對《計算機組成原理》課程的不重視、學(xué)習(xí)興趣不足等實際問題。另外，由于本課程的課時比較少，授課內(nèi)容較多，學(xué)生的自學(xué)能力不足，導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生逐漸失去學(xué)習(xí)本課程的興趣。

1.2數(shù)學(xué)邏輯設(shè)計等硬件知識有待提高

數(shù)字邏輯設(shè)計是計算機組成原理最為重要的先導(dǎo)課程，但是由于大多數(shù)學(xué)生對于硬件相關(guān)課程的不重視，使得在學(xué)習(xí)計算機組成原理課程的時候，很多學(xué)生已經(jīng)忘記了數(shù)字邏輯設(shè)計的相關(guān)知識，所以導(dǎo)致在講解計算機組成原理課程的時候，需要不停地幫助學(xué)生們復(fù)習(xí)數(shù)理邏輯、數(shù)字邏輯電路等相關(guān)知識。多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)計算機組成原理課程的過程中，當(dāng)遇到對數(shù)字邏輯設(shè)計知識出現(xiàn)遺忘的情況時，不能主動地去復(fù)習(xí)一下之前學(xué)過的知識點。另外，應(yīng)試教育思想仍舊在一定程度上影響著當(dāng)代大學(xué)生，一些學(xué)生認為只要自己能夠順利通過期末考試拿到學(xué)分就行了，這種錯誤的想法導(dǎo)致他們不能潛心地去通過多回顧、練習(xí)來提升自己對計算機組成原理的理解。

1.3理論脫離實際應(yīng)用

《計算機組成原理》課程的教學(xué)目的是為了讓學(xué)生們了解現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)、構(gòu)成原理、計算機五大系統(tǒng)各自的設(shè)計原理以及五大系統(tǒng)之間如何有機組合在一起構(gòu)成完整的計算機體系，培養(yǎng)并提高學(xué)生的對現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的理解能力，從而使他們能夠使用所學(xué)的理論知識解決實際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題。然而，目前高校《計算機組成原理》的實踐教學(xué)比較匱乏，基本沒有為學(xué)生們安排上機實踐的時間。這固然是因為《計算機組成原理》相對抽象的內(nèi)在原因，但同時也是因為現(xiàn)在的《計算機組成原理》課程中大多沒有安排課程設(shè)計的過程，筆試是僅有的考核方式，無法令學(xué)生們真正掌握計算機組成原理的知識。為此，建立起一個有效的計算機組成原理實驗教學(xué)環(huán)境對于成功的計算機組成原理教學(xué)就非常具有必要性了。

2　解決方法

2.1教學(xué)內(nèi)容

由于計算機組成原理課程內(nèi)容較多，同時需要適時地幫助學(xué)生們回顧、復(fù)習(xí)數(shù)字邏輯設(shè)計的知識，授課教師應(yīng)該有重點地去選擇一些章節(jié)來講解，對一些跟前續(xù)課程有重合的知識點進行簡單介紹或者直接省去不講。對于教材上的例題也是有針對性地去講，把剩下的一些題目留給學(xué)生們課后自己思考，培養(yǎng)學(xué)生獨立學(xué)習(xí)能力。除了講授教材上涉及到的一些重要知識點外，也需要給學(xué)生們介紹在相關(guān)的文獻中是如何結(jié)合這些知識點進行應(yīng)用的。力爭在教學(xué)的過程中也能夠引導(dǎo)部分學(xué)生對科研產(chǎn)生興趣，拓展學(xué)生們的視野，不能僅僅是為了學(xué)習(xí)課本上的知識而學(xué)習(xí)。另外，因為計算機技術(shù)的發(fā)展速度比較快，所以教師還應(yīng)該在上課前，通過查閱資料更新并補充課本中沒有涉及到的知識點，讓學(xué)生們能夠了解到最前沿的信息。

2.2教學(xué)方法

興趣往往是一個人學(xué)習(xí)的最好驅(qū)動力，在開始講授計算機組成原理課程時，教師應(yīng)該向?qū)W生闡述學(xué)習(xí)這門課的重要性，可以列舉一些眾所周知的例子，例如：計算機組成原理的學(xué)習(xí)對于作嵌入式系統(tǒng)開發(fā)具有積極的作用，通過計算機組成原理的學(xué)習(xí)可以達到對包括嵌入式系統(tǒng)這樣的微型計算系統(tǒng)的深入理解。在激發(fā)學(xué)生們學(xué)習(xí)該課程的興趣并讓他們明白開設(shè)這門課程的必要性之后，能夠在一定程度上讓他們自覺地去認真學(xué)習(xí)。同時，還應(yīng)該鍛煉學(xué)生舉一反三的學(xué)習(xí)能力，例如，在學(xué)習(xí)計算機存儲系統(tǒng)實現(xiàn)的時候，我們知道計算機的存儲系統(tǒng)具有層次性的特點，即外部存儲系統(tǒng)、系統(tǒng)內(nèi)存以及CPU高速緩存等這樣的一個層次結(jié)構(gòu)。需要讓學(xué)生知道為什么對計算機的存儲系統(tǒng)要劃分這樣的存儲層次結(jié)構(gòu)。這是由不同存儲硬件的存取數(shù)據(jù)的速度、單位比特的存儲成本決定的。要讓學(xué)生們學(xué)會如何在實際應(yīng)用中經(jīng)濟、有效地設(shè)計計算機的存儲系統(tǒng)。此外，在作業(yè)布置方面，也可以布置一些只有通過查閱課外資料才能作答的題目，培養(yǎng)他們收集信息自我學(xué)習(xí)的能力。

2.3實踐教學(xué)

《計算機組成原理》應(yīng)該是一門既有理論教學(xué)又有一定實踐環(huán)節(jié)的課程。然而，在當(dāng)前的實際教學(xué)過程中，往往理論知識的講授占據(jù)了大部分課時。為了能夠讓學(xué)生們在實踐過程中掌握計算機組成原理的理論知識，計算機組成原理課程必須要增加實踐環(huán)節(jié)。實踐環(huán)節(jié)的增加應(yīng)當(dāng)采用由易到難的漸進過程。可以在數(shù)字邏輯設(shè)計的實驗設(shè)計的基礎(chǔ)之上，開展計算機組成原理的實踐教學(xué)，讓學(xué)生們利用各類邏輯門電路設(shè)計基本的計算機系統(tǒng)單元，包括運算器、存儲器等。另外，也可以嘗試在課程的理論知識學(xué)習(xí)到一定程度的時候給學(xué)生布置一道稍微大點的實踐題目，使學(xué)生在后續(xù)的學(xué)習(xí)過程中能夠帶著問題不斷地思考和積累，到期末課程結(jié)束時再完成整個系統(tǒng)的設(shè)計工作。

為了能夠讓學(xué)生們掌握計算機組成原理的知識，建立有效的實驗教學(xué)環(huán)境是非常必要的。沒有一個實驗教學(xué)環(huán)境，學(xué)生們就無法在實踐中真正掌握計算機組成原理的理論知識和實踐應(yīng)用。為此，本文提出了基于低成本的單板機Raspberry Pi的計算機組成原理實驗教學(xué)平臺建設(shè)的建議。

Raspberry Pi（樹莓派）是由樹莓派的發(fā)起人Eben Upton先生創(chuàng)立的一個廉價的教學(xué)編程平臺，可以稱得上是目前最廉價的電腦。現(xiàn)在市場上的基本型Rasp鄄berry Pi是人民幣270元左右，而最新的廉價型Rasp鄄berry Zero只要5美元，大致是人民幣32元。樹莓派可以說是一款非常廉價的硬件平臺，，在我國的一些主要電子商務(wù)網(wǎng)站均可方便購買。但是樹莓派系統(tǒng)同時也提供了各式各樣的主流接口和插槽，例如USB，HDMI，SD卡還有網(wǎng)絡(luò)接口。以下是最新的樹莓派B型的配置：

●芯片：Broadcom BCM2835

●CPU：700MHz ARM11 series

●GPU：Broadcom VideoCore IV

●視頻輸出：RCA，HDMI

●音頻輸出：3.5mm耳機接口，HDMI

●存儲方式：SD卡

●RJ45接口百兆網(wǎng)卡

基于Raspberry Pi的計算機組成原理實驗教學(xué)平臺有如下優(yōu)勢：①廉價，一個最廉價的Raspberry Pi Ze鄄ro只需要32元左右，其運算性能已經(jīng)能足夠滿足計算機組成原理的實踐教學(xué)需求。同時為了進行組成原理的實踐教學(xué)，需要附加一些外設(shè)，例如顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等外設(shè)都可以通過接口方便地連入樹莓派電腦，并且可以選用一些現(xiàn)有的外設(shè)，不需要另行采購；②適用，樹莓派電腦可以直接運行Linux操作系統(tǒng)，在其上可以方便地進行各種編程控制外設(shè)、實現(xiàn)機電一體化的計算機系統(tǒng)，各類計算機組成原理知識可以很方便地設(shè)計各類實踐課題。例如，可實現(xiàn)對計算機系統(tǒng)中的外圍設(shè)備進行控制，或連接實現(xiàn)計算機存儲系統(tǒng)的數(shù)字電路設(shè)備，這些都會令學(xué)生們對計算機系統(tǒng)的組成原理有更深入的認識。③實用，現(xiàn)在硬件愛好者基于樹莓派可以設(shè)計、制作出很多有趣的計算機系統(tǒng)，例如智能家居、機器人小車、智能硬件設(shè)備等。相信在計算機組成原理這樣一門軟硬件結(jié)合的課程中引入Raspber鄄ry Pi作為實踐教學(xué)的內(nèi)容，一定會引起學(xué)生們極大的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生們所學(xué)到的知識也一定會對他們未來的發(fā)展有益。

2.4考核改革

目前的考核方式主要還是采用期末考試，考核內(nèi)容基本上是課本上所講授的一些理論知識點，沒有突出實際應(yīng)用。因此，如果條件成熟的話，可以考慮增加上機實踐考試，通過機考可以考查學(xué)生動手解決問題的能力。另外，還應(yīng)該加大對學(xué)生平時成績的考核，主要包括出勤、課堂回答問題、作業(yè)、實驗報告等。

3　結(jié)語

本文首先分析了高校開設(shè)《計算機組成原理》課程的必要性以及存在的一些問題，包括：學(xué)生興趣不足、數(shù)字邏輯設(shè)計等硬件知識有待提高、理論脫離實際應(yīng)用。針對這些問題，提出了從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實踐教學(xué)、考核改革等四個方面進行解決，并首次提出了建設(shè)基于Raspberry Pi的計算機組成原理實驗教學(xué)環(huán)境，從而做到豐富課堂所教內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生獨立學(xué)習(xí)的能力，提高學(xué)生的實際應(yīng)用技能。

[1]唐朔飛.計算機組成原理（第二版）[M].北京：高等教育出版社,2008.

[2]卓拉，吳為民.計算機組成及匯編語言原理[M].北京：機械工業(yè)出版社,2010.

[3]任春明，劉軍.計算機組成原理實驗教學(xué)的思考與改進[J].天津:實驗技術(shù)與管理,2006,10:110-111.

[4]徐愛萍，劉建英，吳松梅.計算機組成原理課程教學(xué)改革研究[J].湖北:高等建筑教育,2004,1:53-33.

[5]藍紅莉.項目教學(xué)法在《計算機組成原理》教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中國科技信息,2007,10:218-219.

[6]Eben Upton,Gareth Halfacree.Raspberry Pi User Guide[M].John Wiley&Sons.2014.

Principles of Computer Organization;Computer System Architecture;Course Teaching

Suggestion on Teaching Reformation of Principles of Computer Organization Course

FU Zhen-yong
（School of Computer Science&Technology,School of Software,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023）

南京郵電大學(xué)引進人才科研啟動基金項目（No.NY213031）

1007-1423（2016）06-0056-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.06.013

付振勇（1977-），男，江蘇南京人，博士研究生，講師，研究方向為機器學(xué)習(xí)

2015-11-26

2016-02-16

《計算機組成原理》課程作為高校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)課，對于培養(yǎng)學(xué)生對現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的深入理解具有重要意義。在實際的課程教學(xué)中往往會出現(xiàn)學(xué)生不能夠?qū)⒗碚撆c實際應(yīng)用聯(lián)系起來、上課能聽懂但是不能將計算機硬件實現(xiàn)和組成原理關(guān)聯(lián)起來。基于以上問題，從改進教學(xué)內(nèi)容和方法、加強動手能力的鍛煉，以及改革考核方式等方面提出相關(guān)的建議。提出建設(shè)基于Raspberry Pi的計算機組成原理實驗教學(xué)環(huán)境的建議，為豐富計算機組成原理課程的教學(xué)提供有益的補充。

計算機組成原理；計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；課程教學(xué)

As a professional course for college students of computer science and technology,Principles of Computer Organization course has impor鄄tant significance for training students'understanding to the modern computer system.In the courses,the students usually cannot connect the knowledge with the real system.Based on the above problems,proposes some suggestions from teaching content,teaching method, practice teaching and assessment reformation.In particular,proposes at the first time a suggestion to set up a practical platform for the course of the principles of computer organization using Raspberry Pi,which would be valuable supplement to enrich the course of Princi鄄ples of Computer Organization.