《計算機組成原理》課程教學改革建議

付振勇(南京郵電大學計算機學院、軟件學院，南京，210023)

《計算機組成原理》課程教學改革建議

付振勇
(南京郵電大學計算機學院、軟件學院，南京，210023)

0　引言

隨著第三次科技浪潮的到來，以計算機設備和互聯網技術為基礎的信息技術深刻地改變了人類社會的方方面面。計算機作為上個世紀人類最偉大的發明之一，已經被廣泛地應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成原理。隨著計算機系統的越來越專業化、復雜化，除了少數計算機硬件結構專家外，普通人包括現在的計算機專業學生、從業人員已經很難直觀地去理解計算機系統。人與計算機之間的交流已經由專業的操作系統軟件替代了。因此，人們越來越多地只同計算機操作系統打交道，而完全無法理解計算機系統是如何由電子設備按照一定的原理構成的。

《計算機組成原理》作為計算機專業的一門基礎必修課程，對提高計算機專業學生對于現代計算機系統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《數字邏輯設計》，后續課程為《微機系統與接口》、《單片機應用技術》等硬件系列課程。《計算機組成原理》是學習與理解計算機硬件組成和工作原理的基礎課程，也是學習與了解后續的相關計算機軟件課程，例如《操作系統》、《匯編語言程序設計》等的基礎課程?？梢哉f，計算機組成原理在計算機專業的本科教學中起到了承上啟下的關鍵作用，是每一個計算機專業的學生必須掌握的專業知識。然而，在實際的教學過程中，我們發現存在一些問題，例如：學生對學習該課程的重要性認識不足，部分學生對前期所學的《數字邏輯設計》課程出現遺忘現象，課堂所學理論不能夠很好地應用到實際的計算機設計中。針對上述問題，本文擬從教學內容、教學方法、實踐教學和改革考核方式等方面提出一些建議。尤其在實踐教學方面，本文首次提出了建設基于Raspberry Pi的計算機組成原理實驗教學環境。

1　存在的問題

1.1學生興趣不足

《計算機組成原理》作為一門計算機硬件課程，對計算機專業的學生而言，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生們很容易地實踐，所以導致了學生們對相對抽象的理論知識隨著課程的學習逐漸厭倦、也越來越不理解課堂上學習的內容。另外，目前開設計算機組成原理課程的高校將它作為計算機專業的必修課，一般都安排在在大三第二學期或大四第一學期進行講授。然而，在整個大學期間，大三這一學年所要學習的專業課都非常多，學生的學業壓力大。另外，很多的學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》作為計算機專業的一門硬件理論課程，除了少數致力于將來從事計算機系統結構研究的學生外，大部分學生會感覺所學的知識在未來的工作中用不到。以上種種因素導致了大部分學生對《計算機組成原理》課程的不重視、學習興趣不足等實際問題。另外，由于本課程的課時比較少，授課內容較多，學生的自學能力不足，導致大多數學生逐漸失去學習本課程的興趣。

1.2數學邏輯設計等硬件知識有待提高

數字邏輯設計是計算機組成原理最為重要的先導課程，但是由于大多數學生對于硬件相關課程的不重視，使得在學習計算機組成原理課程的時候，很多學生已經忘記了數字邏輯設計的相關知識，所以導致在講解計算機組成原理課程的時候，需要不停地幫助學生們復習數理邏輯、數字邏輯電路等相關知識。多數學生在學習計算機組成原理課程的過程中，當遇到對數字邏輯設計知識出現遺忘的情況時，不能主動地去復習一下之前學過的知識點。另外，應試教育思想仍舊在一定程度上影響著當代大學生，一些學生認為只要自己能夠順利通過期末考試拿到學分就行了，這種錯誤的想法導致他們不能潛心地去通過多回顧、練習來提升自己對計算機組成原理的理解。

1.3理論脫離實際應用

《計算機組成原理》課程的教學目的是為了讓學生們了解現代計算機系統的組織結構、構成原理、計算機五大系統各自的設計原理以及五大系統之間如何有機組合在一起構成完整的計算機體系，培養并提高學生的對現代計算機系統的理解能力，從而使他們能夠使用所學的理論知識解決實際應用中出現的問題。然而，目前高校《計算機組成原理》的實踐教學比較匱乏，基本沒有為學生們安排上機實踐的時間。這固然是因為《計算機組成原理》相對抽象的內在原因，但同時也是因為現在的《計算機組成原理》課程中大多沒有安排課程設計的過程，筆試是僅有的考核方式，無法令學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環境對于成功的計算機組成原理教學就非常具有必要性了。

2　解決方法

2.1教學內容

由于計算機組成原理課程內容較多，同時需要適時地幫助學生們回顧、復習數字邏輯設計的知識，授課教師應該有重點地去選擇一些章節來講解，對一些跟前續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生們課后自己思考，培養學生獨立學習能力。除了講授教材上涉及到的一些重要知識點外，也需要給學生們介紹在相關的文獻中是如何結合這些知識點進行應用的。力爭在教學的過程中也能夠引導部分學生對科研產生興趣，拓展學生們的視野，不能僅僅是為了學習課本上的知識而學習。另外，因為計算機技術的發展速度比較快，所以教師還應該在上課前，通過查閱資料更新并補充課本中沒有涉及到的知識點，讓學生們能夠了解到最前沿的信息。

2.2教學方法

興趣往往是一個人學習的最好驅動力，在開始講授計算機組成原理課程時，教師應該向學生闡述學習這門課的重要性，可以列舉一些眾所周知的例子，例如：計算機組成原理的學習對于作嵌入式系統開發具有積極的作用，通過計算機組成原理的學習可以達到對包括嵌入式系統這樣的微型計算系統的深入理解。在激發學生們學習該課程的興趣并讓他們明白開設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習。同時，還應該鍛煉學生舉一反三的學習能力，例如，在學習計算機存儲系統實現的時候，我們知道計算機的存儲系統具有層次性的特點，即外部存儲系統、系統內存以及CPU高速緩存等這樣的一個層次結構。需要讓學生知道為什么對計算機的存儲系統要劃分這樣的存儲層次結構。這是由不同存儲硬件的存取數據的速度、單位比特的存儲成本決定的。要讓學生們學會如何在實際應用中經濟、有效地設計計算機的存儲系統。此外，在作業布置方面，也可以布置一些只有通過查閱課外資料才能作答的題目，培養他們收集信息自我學習的能力。

2.3實踐教學

《計算機組成原理》應該是一門既有理論教學又有一定實踐環節的課程。然而，在當前的實際教學過程中，往往理論知識的講授占據了大部分課時。為了能夠讓學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節。實踐環節的增加應當采用由易到難的漸進過程?？梢栽跀底诌壿嬙O計的實驗設計的基礎之上，開展計算機組成原理的實踐教學，讓學生們利用各類邏輯門電路設計基本的計算機系統單元，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習到一定程度的時候給學生布置一道稍微大點的實踐題目，使學生在后續的學習過程中能夠帶著問題不斷地思考和積累，到期末課程結束時再完成整個系統的設計工作。

為了能夠讓學生們掌握計算機組成原理的知識，建立有效的實驗教學環境是非常必要的。沒有一個實驗教學環境，學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平臺建設的建議。

Raspberry Pi（樹莓派）是由樹莓派的發起人Eben Upton先生創立的一個廉價的教學編程平臺，可以稱得上是目前最廉價的電腦?，F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網站均可方便購買。但是樹莓派系統同時也提供了各式各樣的主流接口和插槽，例如USB，HDMI，SD卡還有網絡接口。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接口百兆網卡

基于Raspberry Pi的計算機組成原理實驗教學平臺有如下優勢：①廉價，一個最廉價的Raspberry Pi Ze鄄ro只需要32元左右，其運算性能已經能足夠滿足計算機組成原理的實踐教學需求。同時為了進行組成原理的實踐教學，需要附加一些外設，例如顯示器、鍵盤、鼠標等外設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有的外設，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，在其上可以方便地進行各種編程控制外設、實現機電一體化的計算機系統，各類計算機組成原理知識可以很方便地設計各類實踐課題。例如，可實現對計算機系統中的外圍設備進行控制，或連接實現計算機存儲系統的數字電路設備，這些都會令學生們對計算機系統的組成原理有更深入的認識。③實用，現在硬件愛好者基于樹莓派可以設計、制作出很多有趣的計算機系統，例如智能家居、機器人小車、智能硬件設備等。相信在計算機組成原理這樣一門軟硬件結合的課程中引入Raspber鄄ry Pi作為實踐教學的內容，一定會引起學生們極大的學習興趣。學生們所學到的知識也一定會對他們未來的發展有益。

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生動手解決問題的能力。另外，還應該加大對學生平時成績的考核，主要包括出勤、課堂回答問題、作業、實驗報告等。

3　結語

本文首先分析了高校開設《計算機組成原理》課程的必要性以及存在的一些問題，包括：學生興趣不足、數字邏輯設計等硬件知識有待提高、理論脫離實際應用。針對這些問題，提出了從教學內容、教學方法、實踐教學、考核改革等四個方面進行解決，并首次提出了建設基于Raspberry Pi的計算機組成原理實驗教學環境，從而做到豐富課堂所教內容，培養學生獨立學習的能力，提高學生的實際應用技能。

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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，研究方向為機器學習

2015-11-26

2016-02-16

《計算機組成原理》課程作為高校計算機科學與技術專業的專業課，對于培養學生對現代計算機系統的深入理解具有重要意義。在實際的課程教學中往往會出現學生不能夠將理論與實際應用聯系起來、上課能聽懂但是不能將計算機硬件實現和組成原理關聯起來。基于以上問題，從改進教學內容和方法、加強動手能力的鍛煉，以及改革考核方式等方面提出相關的建議。提出建設基于Raspberry Pi的計算機組成原理實驗教學環境的建議，為豐富計算機組成原理課程的教學提供有益的補充。

計算機組成原理；計算機系統結構；課程教學

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.