專業綜合改革背景下“計算機組成原理”課程建設與實踐

張 偉

(咸陽師范學院 計算機學院， 咸陽 712000)

專業綜合改革背景下“計算機組成原理”課程建設與實踐

張 偉

(咸陽師范學院 計算機學院， 咸陽 712000)

針對“計算機組成原理”課程教學內容繁多、概念抽象等特點，以專業綜合改革項目的建設目標為指導，在分析了本課程現狀基礎上，從教學內容、教學方法、實踐教學、教師隊伍建設等方面給出了改革本課程教學的新舉措，并在本專業的課程教學中進行了實踐。通過改革前后教學成績的比較，新舉措有效地提高了學生學習成績，為專業綜合改革奠定了基礎。

專業綜合改革； 計算機組成原理； 課程建設

0 引言

“計算機組成原理”是高等學校計算機及相關專業所開設的專業基礎課程，2007年教育部在高等學校計算機科學與技術教學指導委員會上將其設定為計算機專業的核心課程之一[1]。2008年本課程被列入計算機專業研究生入學考試—計算機學科專業基礎綜合考試必考科目[2]，在專業課中占 45 分(總分150)，由此可見本課程在計算機及相關專業課程中具有重要的地位。該課程主要介紹計算機的硬件的組成、結構及工作原理，教學目標是通過計算機硬件部件組成、設計思想、邏輯實現方法及工作原理等的介紹，使學生建立起計算機整機的概念，為其他后繼硬件課程的學習奠定基礎。該課程的前導課有數字邏輯、匯編語言及計算機導論，后繼課有操作系統、微機原理與接口技術等，其關系圖如圖1所示。

可見該課程在基礎課與專業課、基礎課與專業課之間具有承上啟下的作用。通過本課程的學習，學生可以完整地理解計算機系統的層次結構，深入理解計算機基本工作原理，明確計算機軟件和硬件之間的關系。因此，掌握好本課程的知識對學習計算機科學與技術專業至關重要。

1 計算機組成原理課程建設的背景

1.1 專業綜合改革

“專業綜合改革試點”項目[3]是為引導高校主動適應國家戰略和地方經濟社會發展需求、優化專業結構、加強專業內涵建設、創新人才培養模式、大力提升人才培養水平而提出的。我校計算機科學與技術專業于2013年3月申報了陜西省普通本科高等學校“專業綜合改革試點”項目并獲得了立項[4]。

1.2 計算機組成原理課程的現狀

計算機組成原理是我校計算機科學與技術、軟件工程、物聯網工程等專業的專業必修課，該課程于2006年獲得咸陽師范學院校級精品課程建設項目，2007年該課程被定為咸陽師范學院校級重點建設課程，2013年該課程獲得“陜西省精品資源共享課”(省級精品課程)建設項目。此前，我們對計算機組成原理的教學方法、教學內容等進行了改革與探索，但是在新的歷史任務下，我們必須以新的要求去探索本課程的建設方法，以達到專業綜合改革的目標。目前，計算機組成原理課程教學主要存在以下問題：

圖1 計算機組成原理與其他課程的關系

1.2.1 教學內容繁雜，新知識更較慢

計算機組成原理課程教學具有內容多、概念抽象、知識更新快等特點。理論知識包括計算機各部分的硬件組成及結構、數據的機器層表示及運算方法、控制器的控制原理等，教學內容繁多、難于理解。另外，隨著大規模集成電路的快速發展，大量新技術、新器件的不斷出現，然而現有的計算機組成原理教材對新知識的更新較慢，知識顯得陳舊，沒有與計算機的應用領域相結合，很難激發學生學習本課程的興趣。

1.2.2 教師缺乏實踐經驗

目前，承擔計算機組成原理教學的教師大部分是長期從事教學活動，他們缺乏系統開發實踐鍛煉及工程訓練經歷。因此，在教學過程中，他們無法傳授計算機系統設計及開發的相關知識，講解過程大多按照教材的內容講述基本理論知識，無法讓學生深入理解計算機硬件系統的設計與開發。這樣以來，學生也只是學習一些基本理論和簡單概念，無法對硬件系統進行深入的理解與掌握，使得他們漸漸形成偏軟件、怕硬件的思想。

1.2.3 教學方法單一

該課程教學大多數采用“講授式”教學方法，在教學過程中“滿堂灌”的現象較普遍，學生往往是忙于記筆記，而忽略了對問題實質的理解和掌握，導致學習的知識是孤立的、片面的，無法建立“整機”概念。這種單一的教學方法，無法激發學生學習的主動性，大大影響了教學效果。

1.2.4 學生基礎知識不夠扎實

新建本科院校的學生底子薄，學習能力不強，加之大多數學生本身就沒有完全掌握數字邏輯、匯編語言等先導課的知識，這就導致了學生對學習本課程信心不足，畏難情緒普遍存在，同時也增加了教師的教學難度。

1.2.5 實踐環節薄弱

我們的實驗設備陳舊，計算機組成原理實驗箱已有十年之久，好多接口及引腳磨損嚴重、接觸不良，導致實驗有時無法得到正常結果。另外，由于學生知識的限制，大多數教師的實驗內容只設置了驗證性的實驗，設計性的實驗幾乎沒有，這樣導致學生不能透徹地理解計算機組成原理的相關知識。

2 計算機組成原理課程建設的新舉措

2.1 教學內容改革

針對計算機組成原了課程知識內容繁多，教材新知識更新不及時、課本內容陳舊等現象，要以“五大部件為主線，兩大信息流為副線”[5]來開展教學工作，主要從以下幾個方面對其教學內容進行改革：

2.1.1 制定新的教學大綱

根據本課程的發展需要，及時修改計算機組成原理教學大綱，刪除一些陳舊的知識(如在外設中要講到的軟盤)，增加一些新產品、新技術的介紹(如云計算等)。根據各專業的不同特點已經完成了對軟件工程、計算機科學與技術、物聯網工程3個專業計算機組成原理教學大綱的修訂工作。今后，我們要根據本課程發展及社會生產的需要，定期地對本教學大綱進行修改，保證教學大綱的先進性、實用性和科學性。

2.1.2 教材的選取

目前，計算機組成原理課程的精品教材很多，如北京理工大學蔣本珊編寫“計算機組成原理”，哈爾濱工業大學唐朔飛編寫的“計算機組成原理”等，這些教程要么是國家精品課程教材，要么是國家“十二五”規劃教材，但是這些教材都是根據自己學校學生的特點來編寫的，我們不能全盤照抄這些教材上的內容進行教學。在教材的選取上我們分兩步來走，第一步，選取國內優秀教材，根據我們學生的特點對教材的教學內容進行適當的增刪，第二步，組織相關教師和專家根據我校培養學生的目標和學生的自身特點，編寫一部適合我校計算機組成原理教學的教材。

2.2 教學模式改革

充分利用現在教育教學手段，大膽嘗試新的教學方法，不斷革新本課程的教學模式。

2.2.1 多種教學方法的綜合運用

除了常用的“講授法”以外，要根據課程內容的特點選取適當的教學方法，例如在講計算機的五大部件時，可以采用比較法，將計算機想象為一個加工處理數據的工廠，如圖2所示。

圖2 “比較法”中對計算機部件的形象比

圖2中將ALU比作為“加工車間”，CU比作為“廠長”等，這樣在領導的正確指揮下，能夠源源不斷地取得原材料，工廠又有存放材料的庫房，車間能夠對原材料進行加工和處理，加工后的成品可以暢通地運往銷售或存儲在庫房，這里描述的僅限于硬件，當然還必須有配套的軟件，就像工廠里的管理制度一樣，這樣學生就能形象地理解計算機各部件的功能和作用。

此外，在講CPU的功能時可以采用比較法(將其比作人體中的大腦)，在講到流水線時可將其比作實際工作的某些環節(例如4個同學來組裝一部計算機)等；在講解運算方法時可以運用“啟發式”教學法，可以有意識地去提出一些問題或運算可能出現的結果(例如，在定點數加法時，兩個正數相加等到了負數的情況)，先讓學生分析問題產生的原因，老師可以適當地給以引導和矯正，這樣可以加深學習的效果；此外還可以選擇討論法、案例法、項目式教學法[6]等，只有根據課程知識的特點綜合運用這些方法的，才能起到事半功陪的效果。

2.2.2 充分利用現代媒體手段，加強與學生的溝通和交流

我院在2005年就開展“輔導答疑”制度，通過“輔導答疑”環節來了解學生在學習過程存在的問題，“輔導答疑”成為了教師與學生在課堂后溝通的橋梁和紐帶，為教師第一時間了解學生學習動態、及時調整教學進度或教學重難點提供了依據，這一舉措曾在2009年由我校教務處向全校其他院系推廣。然而，這種約定時間、地點的“輔導答疑”制度也存在不足之處，例如，因時間或地點的限制有的同學不能及時將自己的問題向老師咨詢；有的同學礙于面子，有問題也不去向老師“面對面”的咨詢，寧可“不懂裝懂”等。

為了彌補“輔導答疑”的不足，我們可以充分利用現代通訊工具和軟件，如可以通過“班級QQ群”、“微信公眾賬號”、“留言板”等方式加強與學生課后交流，這些輔導方式不受時間、地點的限制，又挽回了一些學生的“面子”。將這些輔導方式與“輔導答疑”相結合，使我們能夠準確、及時了解學生學習過程種存在的問題，及時調整教學方法及教學內容，為提高教學質量提供支持。

2.2.3 學生充當“教師”的角色

為了改變學生“被動”接受知識的現狀，在每節課堂教學過程中給學生安排5-7分鐘的時間，他們可以根據老師的提問內容(① 本節課教學的重難點；② 本節課的概念或相關理論方法；③ 對前一節課所講的知識進行回顧與總結；)進行講解，這些提問在第一次上課前已經告訴給了學生，他們根據這些問題進行課前的預習及課后復習。老師根據學生的講解給出適當的補充，并給講解進行打分，計入學生課堂成績。通過兩學期的教學實踐證明，此方法有效地調動了學生學習的主動性，督促學生養成了本課程課前預習與課后復習的習慣，學習效果有了明顯提高，本方法擬在其他課程中進行開展。

2.3 加大教師培訓力度

為了加強教師隊伍建設，我們采用對內培訓與對外引進相結合的方法。首先，加強對現有從事計算機組成原理教學的教師進行培訓，組織教師去國內重點大學學習或去企業參加工程性訓練，及時了解和吸收國內外先進的教學理念和教學方法，鼓勵青年教師考取本專業博士。據統計，我院2013年國內訪學教師1人次，參加專業培訓教師6人次，考取博士1人；2014年國內訪學1人次，參加專業培訓9人次，考取博士1名。其次，對外引進本專業工程實訓能力較強的優秀博士，在引進人才的過程中，不只看他們的學歷，更看重他們的實踐開發能力，讓他們進入到系統開發實踐的第一線，切實將計算機理論知識與開發實踐相結合。不斷改善教師隊伍的學歷結構，努力提升教師的實踐能力，為計算機組成原理的教學提供雄厚的師資力量。

2.4 實踐環節改革

2.4.1 改善實驗條件

計算機組成原理實驗室的設備已經陳舊，有的計算機運行程序異常緩慢、甚至出現死機的情況。為了改善條件，2014年已經完成了對計算機組成原理實驗室微型計算機進行了更新，下一步的工作是申請對計算機組成原理的試驗箱進行更換，計算機組成原理課程全體教師要認真論證、科學調研，選擇一款知識先進、實驗項目設置靈活、可重用性強、適合本校計算機原理組成實踐教學實際的實驗設備，為計算機組成原理課程實驗的開展提供支持。

2.4.2 增加實踐課時比例

在學校培養方案總課時進行壓縮的前提下，在有限的課時內我們加大了實驗課時的比例，改革前實驗課時占總課時的比例為16.17%，改革后調整為21.88%，如表1所示。

表1 “計算機組成原理”課程改革前后學時比例

2.4.3 更新實驗項目

根據新的組成原理實驗箱及計算機組成原理課程新技術、新知識的需要，修改實驗大綱，更新實驗項目，刪除了原來的通用寄存器、緩沖輸入/鎖存輸出等驗證性實驗，增設了基本模型機設計與實現、帶移位運算的模型機設計與實現、基于32位NIOS CPU 的秒表程序設計等設計性實驗，設計性實驗的比例從原來的16.7%提高到了42.8%，如表2所示。

表2 改革前后實驗項目對比表

實驗項目的設置應該循序漸進，遵循由淺入深，先局部后整體的原則，符合學生接受知識的規律，使學生逐漸形成計算機整機的概念[7]。

2.4.4 開放實驗室

在課堂教學及計劃實驗教學之外，每周四下午，計算機組成原理實驗室對本院學生開放，學生可以根據自己對知識的掌握程度進行自主學習，特別是我們組建的大學生創新團隊[8]，可以以此為平臺開展大學生創新項目，這樣不但掌握了本課程的相關知識，又培養了大學生的創新能力。

3 教學效果

選取了計算機組成原理課程教學改革前(軟件1201)與改革后(計科1301)兩個班的期末考試成績比對，如圖2所示。

圖3 改革前后考試成績對比圖

從圖中可以看出，課程改革前軟件1201班成績狀態分布圖的峰值出現在66-70分值段，55分以下有7人；課程改革后計科1301班成績狀態分布圖的峰值出現在81-85分值段，55分以下只有2人；可見通過計算機組成原理課程改革后考試不及格的人數有了明顯降低，優秀成績的人數有了大幅提高。

4 總結

通過對計算機組成原理課程的改革與實踐，本課程的教學效果有了明顯的改善，但離我們建設的目標還有一定的距離，我們要以專業綜合改革試點為契機，以提高教育教學質量為目標，以專業建設為抓手，集思廣益、大膽嘗試，不斷推進本課程的改革，為其適應新時期的教學需要而不懈努力。

[1] 教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會.高等學校計算機科學與技術專業公共核心知識體系與課程[M].北京:清華大學出版社,2008.

[2] 教育部考試中心,中國學位與研究生教育學會工科工作委員會.計算機學科專業基礎綜合考試大綱( 2012年版)[M].北京:高等教育出版社,2011．

[3] 張偉.地方高校計算機科學與技術專業綜合改革之初探[J].微型電腦應用,2016,32(11):60-62.

[4] 《關于開展2013年陜西普通本科高校“專業綜合改革試點”項目評審工作的通知》[R].陜教高〔2013〕8號.

[5] 蔣本珊.計算機組成原理(第2版)[M].北京:清華大學出版社,2008.

[6] 張偉,解爭龍.項目式教學法在《計算機組裝與維護》課程中的應用[J].教育理論與教學研究,2012,8(上):64-65.

[7] 丁柏秀,王文濤,呂曉麗等.“計算機組成原理”教學內容及教學方法探討[J].長春理工大學學報,2012,7(1):196-197.

[8] 張偉.計算機專業大學生創新團隊的建設與實踐[J].微型電腦應用,2014,30(6):59-61.

The Course Construction and Practice for Computer Composition Principle under the Background of Professional Comprehensive Reform

Zhang Wei

(School of Computer, XianYang Normal University, Xianyang 712000, China)

Aiming at the characteristic of computer composition principle which includes the various teaching contents, concepts and so on, guided by the construction of the comprehensive reform project target, based on the analysis of the current situation of this course, we proposed new measures of this course teaching in the teaching contents, teaching methods, practice teaching, teacher team construction and so on, and put it into practice in this professional course teaching. Through the comparison of before and after teaching reform, the new measures have effectively improved the school record, which laid a foundation for comprehensive reform.

Professional comprehensive reform; Computer composition principle; Course construction

陜西普通本科高校省級"專業綜合改革試點"項目(陜高教〔2013〕8號)；計算機科學與技術專業(嵌入式方向)"團隊式"人才培養模式創新實驗區項目(陜教高〔2011〕38號)

張 偉(1981-)，男，禮泉人，副教授，碩士，咸陽師范學院物聯網工程系系主任，研究方向：計算機系統結構、嵌入式系統與物聯網

1007-757X(2017)03-0038-04

TP311

A

2016.03.15)