《計算機組成原理》課程在應用型本科教學中的探索

李忠玉

摘 要：《計算機組成原理》作為計算機科學與技術學科的一門核心專業課，在教學過程中存在諸多問題。為了提升教學水平，改善教學效果，本文從《計算機組成原理》該門課程的特點出發，結合應用型本科人才培養的定位，針對該門課程在理論課程環節和實踐課程環節中存在的問題，在課程內容、教學模式、教學方法、實踐內容等方面進行了一些的思考，提出了一些建議。

關鍵詞：人才培養 課程改革 計算機組成原理 應用型本科

中圖分類號：G623 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（a）-0199-03

Abstract：The principle of computer composition is one of the core courses of computer science and technology， and there are many problems in the course of teaching. In order to improve the level and perfect the quality of education.This paper is based on the characteristics of Principle of computer organization course， also combining the orientation of the training of Applied Undergraduate Talents ，and considers the problems existing in the theoretical courses and practical courses. Some Suggestions are put forward in the course content， teaching mode， practice content and so on.

Key Word：Cultivation of talents； Curriculum reform； Principles of computer organization； Application-oriented Undergraduate.

培養高層次應用型人才，以培養知識、能力和素質全面而協調發展，面向生產、建設、管理、服務一線的高級應用型人才是國家培養應用型本科人才的宗旨，計算機組成原理作為計算機科學與技術專業的一門專業核心基礎課，旨在講授單核處理系統的組成和工作原理，并由此擴展到并行體系結構，為后續的物聯網技術與應用、計算機操作系統、嵌入式系統應用與開發等專業核心課打下堅實的基礎。該課程具有知識范圍寬，內容晦澀、抽象等特征，多數高校普遍存在學生聽不懂、老師上課痛苦等現象。因此探索這些現象的根源，解決這些問題顯得尤為迫切。我們結合近幾年對于這門課程的教學經驗，對課程進行一些思考，提出了一些改進方法，取得了一定的效果。

1 課程的特點

我院的《計算機組成原理》這門課程選用的是科學出版社出版的白中英版的《計算機組成原理》作為教材，這本教材內容豐富、系統性較強。從教材和實際的課程內容可以看出計算機組成原理具有如下特點：

（1）計算機組成原理是偏硬件性的課程。課程的內容比較晦澀，計算機的硬件對于學生來說只是一堆耗材，比如：CPU，學生就知道CPU的主頻越高，計算機的運行就越快。對于學生來說是很難想象CPU內部結構怎么連接，為什么主頻越高，運行速度就越快。

（2）課程的內容太籠統。這門課的課程內容是從計算機系統的組成，基本部件，各個部件的功能、指令等等方面進行講解，整個計算機的體系內容太“豐富”，指令系統偏底層，本科階段的學生在學習上沒有系統的思維模式，由此導致學生學起來比較吃力。

（3）課程實踐性較強并與電子技術基礎等課程聯系緊密。不僅要求學生有較強的實踐能力，還要求具有較好的電路分析能力。

（4）課程學習要求學生具有系統“整機”的思維。

2 課程教學中存在的問題

2.1 對于學生

（1）學生對計算機專業缺乏深刻的認識，多數同學認為，計算機專業就是寫代碼的，只要我學了寫程序的語言就能寫代碼，未來就可以去找個寫代碼的工作，這就沒必要了解計算機內部是怎么工作的，這就直接導致了學生學習激情不足。

（2）學生的學習方式和學習方法存在不足。多數學生在課程中，依舊是課上做筆記，課下背筆記。

（3）學生硬件基礎薄弱。由于計算機專業的大多數學生在學習電子技術基礎相關課程時沒有引起足夠的重視，沒有打下堅實的基礎，導致學習硬件相關課程效果不好。

2.2 對于教師

（1）教學模式比較滯后，教學方法過于單一。目前大多數高校在該門課程理論教學中大多采用傳統的多媒體教學，輔之少量的實驗教學，多采用簡單的實驗箱驗證性實驗模式，直接將課內實驗代碼燒錄到實驗箱中，看看結果。這直接導致學生的興趣不強，感覺沒法學到知識，實驗中敷衍了事。

（2）硬件設備不足。多數高校在對于計算機專業的學生培養的定位是軟件人才，導致在計算機組成原理這門偏硬件課程的實際教學過程中，沒有相應的硬件設備作為實踐環節的支撐。

3 新行業背景下課程教學的建議

結合計算機組成原理的課程特點和在實際教學中存在的問題，對課程教學提出如下建議：

3.1 課程內容

3.1.1 教學過程中貫穿交叉課程相關內容

計算機組成原理這門課程是偏硬件的一門課程，教師在教學過程中要結合先修課程電子技術基礎來進行，適時的給學生進行復習和鞏固，同時講到與后續的嵌入式系統、傳感器技術等課程有關的內容時應該給學生重點講授，加深印象。嵌入式系統、傳感器技術等課程是人工智能硬件方向的核心課程，必須讓學生引起足夠的重視，為就業做鋪墊。

3.1.2 優化課程內容，適當取舍傳統內容

應用型本科人才培養的實質是面向應用。對于這門課程來說，結合目前智能硬件應用的時代背景，應必須對傳統的教學內容進行取舍，在傳統內容中重點講解。多層次存儲器中虛擬存儲器和cache的原理、指令系統、中央處理器和總線系統。輔助在講指令系統中引入及ARM匯編指令，由于目前人工智能系統中使用的控制芯片大多采用ARM體系結構，因此有必要引入ARM指令集為學生后續的嵌入式系統這門課打下基礎。在講解中央處理器時引入增強型STM32系列MCU的講解，為后續的單片機課程打下基礎。由于目前多數智能機器人的總線結構均采用CAN模式，所以在講解總線系統時宜引入CAN總線結構的講解。定點乘法運算、定點除法運算在實際的講解過程中，學生較難理解，對于實際的上層應用中也較少用到可以一帶而過。避免學生感覺內容過于冗余。

3.2 教學模式和方法

3.2.1 教學中引導學生對課程進行系統的思考

計算機組成原理在教學中大多是先從數據的格式開始先講定點數、浮點數、二進制開始，然后講解ALU、存儲器、指令系統、中央處理器、總線系統、外設和輸入輸出系統進行講解。這直接導致了學生學了很長一段時間過后不知道各個部分的學習到底有什么作用，也感覺每部分都比較難。因此，可以打破傳統的教學順序，從系統的角度來進行講解，引領學生從宏觀上認識計算機（可將計算機比作人）。可以先從計算機最核心的部分中央處理器（比作人的大腦）進行講解，接著講解計算機中進行傳輸的路徑：總線系統（比作人的血管），再按照存儲器（比作人的記憶系統）、輸入輸出系統（比作人的四肢）的順序來進行授課；這樣可以便于同學們自上而下的認識計算機，增強學習效果。

3.2.2 問題引導式授課

在每一次課程的教學過程中，對于每一個新的知識點可以采用問題引導法，比如：講解CPU時，可先以人作為一個類比，問學生：“你每天的行動是由什么來控制，”由人的行動是由大腦來控制，引出計算機的活動是由CPU來控制，借此闡述CPU的功能，從宏觀上讓學生們了解CPU。這樣學生學起來會更有興趣，也更容易理解。同時老師在課堂上要注意引導學生問問題，通過學生提出的各種問題，老師再引導學生自己解決自己提出的各種問題。學生在自己提出問題，進而解決問題的過程中可以達到知識的升華和鞏固，也進一步鍛煉了學生提問題和解決問題的能力。

3.2.3 授課中結合行業，激發學生的學習熱情

多數老師在第一次課上進行簡單的自我介紹后直接就進行課程內容的講解，這就導致了學生根本就不知道這門課程對后續的學習和工作有什么作用。因此老師有必要在第一次課和后續適當的時機告知學生計算機組成原理這門課程的作用。該課程的內容是電子信息行業的核心基礎，物聯網、智能交通、智慧城市等等中的信號傳輸模型和控制模型都與計算機組成原理這門課程息息相關，例如：在物聯網中的控制部分大多是采用ARM系統構架的MCU，而計算機組成原理中講解的8086和擴展講到的ARM 指令集就是其控制原理的基本闡述。

3.2.4 植入翻轉課堂、微課

傳統教學模式下學生的在課堂的參與度不高；教師可以對課程中的一些與實際問題相關的知識模塊采用翻轉課堂的形式，以問題的形式拋給學生，讓學生深入的通過圖書館或者網絡資源來解決并制作成課件或者微課，課上讓學生來講授。

3.3 實踐內容

應用型本科與教學型、科研型的區別是偏向于實際的應用環節，其突出應用，突出技術，故實踐教學體系對于應用型本科的人才培養至關重要。計算機組成原理作為傳統的理論+實踐的課程，這門課程傳統的實踐環節是以單純的驗證性實驗為主，這導致了多數同學對課程的認同度不高，動手能力較差，所以應該建立以驗證性實驗為輔，設計性實驗為主，加之以綜合性實驗的實踐模式，可以適當引入實際一些實際產品的小模塊，以增強學生的學習興趣和動手能力。

（1）驗證性的實驗。應用于教學的初始階段，主要設置在概論的知識部分；以加深學生從宏觀上對相關知識的理解。

（2）設計性實驗。主要設置于運算器、指令系統、外存與I/O系統和輸入輸出設備部分，引入一些實際的產品模塊，讓學生模仿進行一些簡單的設計或者思考如何用軟件編程來實現，例如：對于補碼的加減法，可以讓學生用C語言或者匯編語言來實現功能，加深學生對運算器的理解。對于存儲器，可以給學生一款實際的存儲器，讓學生用Visio或者Protel繪制簡單的存儲器原理圖；增加學生的興趣。

（3）綜合性的實驗。綜合性的實驗可作為課程結束后，以分組的形式進行，例如：講解完這門課程后可以給學生幾周的時間，讓學生課下查閱相關資料完成具有中斷功能的模擬機的設計。學生通過此綜合性的實驗可以從系統的角度掌握計算機組成原理這門課程的整個知識系統構架。

4 結語

人工智能的大背景下，給計算機專業的學生創造了更多的契機，智能硬件作為人工智能中一個非常重要的應用方向，也給《計算機組成原理》這門課程的教學帶來的新的機遇和挑戰；結合行業背景，探索更適合于應用型本科的教學內容、教學方法和教學模式，努力引導學生積極參與到教學活動中，是值得每一位課程教師深思的事情，這是一個長期的過程，我們應以行業作為課程教學和改革的推動力。

參考文獻

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