計算機組成原理教學中培養學生解決復雜工程問題能力的探索

寧菲菲 李鵬輝

摘要：工程教育認證強調培養學生解決復雜工程問題的能力。本文以計算機組成原理課程中主存容量擴展知識點為例，首先進行了復雜工程問題的特征分析，然后從問題分析、教學方法、設計與改進以及考核評價四個方面討論以解決復雜工程問題能力為導向的教學組織與安排。文章面向培養解決復雜工程能力所進行的教學探索對提升人才培養質量具有重要作用。

關鍵詞：計算機組成原理;復雜工程問題;工程教育認證

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）35-0172-02

2006年我國開始工程教育專業認證工作，它以工程教育國際接軌為突破口，通過強化內涵發展提升質量，在促進更新教育觀念、建立標準意識和強化質量意識方面起到了重要作用[1]。2015年，中國工程教育認證協會發布了《工程教育認證標準（2015版）》。《工程教育認證標準（2015版）》所提出的12條畢業要求中有8條畢業要求共9次提到復雜工程問題，分別是工程知識、問題分析、設計/開發解決方案、研究、使用現代工具、工程與社會、環境與可持續發展、溝通[2]。

計算機組成原理課程是計算機科學與技術、軟件工程等專業的一門專業必修課，主要講解計算機硬件的工作原理和設計方案。培養解決復雜工程問題的能力需要分解、落實到課程教學等人才培養的各個環節。選取課程教學大綱中運算器設計、中斷系統設計、存儲器設計等一些具有復雜工程問題特征的課題作為理論教學的重難點，是在教學中培養學生分析、解決復雜工程問題能力的一條有效途徑。主存容量擴展課題作為存儲器一章的重難點內容，具有綜合性、應用性較強的特點，本文選取這一課題闡述面向培養學生解決復雜工程問題能力的教學探索思路。

1 復雜工程問題的特征分析

《工程教育認證標準（2015版）》中所提到的“復雜工程問題”必須具備下述特征（1），同時具備下述特征（2）一（7）的部分或全部：（1）必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決;（2）涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突;（3）需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現出創造性;（4）不是僅靠常用方法就可以完全解決的;（5）問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業工程實踐的標準和規范中;（6）問題相關各方利益不完全一致;（7）具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題[3]。

本文闡述的主存容量擴展具備復雜工程問題特征的第（1）、（2）、（7）條，具體分析如下：

（1）主存容量擴展的設計需要學生運用CPU對內存進行讀寫操作的工作原理、數字電路、系統總線的特性等理論知識，分析內存分配、內存芯片的組織、芯片引腳與系統總線的連接才可能得到解決。

（2）主存容量擴展涉及內存、主板、系統總線和CPU等多個硬部件。主存容量擴展的設計方案有位擴展、字擴展和字位擴展三種，在實際應用場景中該主要考慮哪些因素、選擇何種方案都對擴展后的內存性能有著直接的影響。

（3）主存容量擴展包含內存芯片引腳結構、系統總線的構成與工作特性、內存的讀寫操作、內存容量分配4個相互關聯的子問題，具有較高的綜合性。

2 復雜工程問題能力培養的教學實踐

2.1問題分析

根據問題場景首先需要分析內存容量與芯片容量的關系以選定擴展方案，如果芯片的存儲單元字長不能滿足內存容量需求則應該采用位擴展方案;若是內存芯片的存儲單元個數不能滿足內存容量需求則采用字擴展方案;如果內存芯片的存儲單元個數和存儲單元字長兩方面均不能滿足內存容量需求則采用字位擴展方案。在確定擴展方案后需要分析芯片的地址引腳、數據引腳和控制引腳以及系統總線的構成，再設計內存芯片與CPU引腳的連接圖，最后分析CPU對內存的讀寫工作。

2.2教學方法

為了讓學生更好地掌握理解該部分內容，在授課過程中主要采用案例教學、對分課堂和線上線下混合式教學等教學方法。針對主存容量擴展的三種擴展方案選取三個項目案例，結合案例對比分析三種主存容量擴展方案分別適用的問題場景及特點。采用對分教學將課堂時間一半交由教師講授理論知識重難點，一半交由學生結合項目案例進行分組討論交流，各小組代表講解項目設計方案，通過分組匯報教師能夠及時根據學生對知識的掌握情況進行答疑解惑[4]。學生可以通過該課程的網絡教學平臺隨時隨地查看學習資源、發起問題討論、在線自我測評，線上教學的開展對培養學生的自主學習能力具有重要意義。

2.3設計與改進

主存容量擴展技術是由多片存儲芯片組織在一起構成指定容量的存儲器，在根據問題場景確定擴展方案后需要設計存儲芯片的組織連接圖。存儲芯片與CPU芯片連接時，要特別注意芯片與芯片之間的數據引腳、地址引腳、控制引腳的連接。CPU芯片的讀/寫引腳通常可直接與存儲芯片的讀/寫控制引腳相連。存儲芯片的片選引腳CS的連接是CPU與存儲芯片正確工作的關鍵，CS與CPU的訪存控制信號MREQ和CPU地址線的位數有關，當CPU的地址線多于存儲芯片的地址線時，將未連接在存儲芯片地址引腳上的CPU地址線高位和MREQ-起用于生成片選信號CS。存儲芯片的數據引腳與CPU的數據線相連，當存儲芯片的存儲單元字長小于CPU數據線的數目時需要對芯片擴位[5]。

2.4考核評價

計算機組成原理課程通過平時考核、實驗考核及期末考試三部分綜合評價學生對課程核心知識的掌握情況，以及運用計算機組成原理知識解決相關復雜工程問題的能力。主存容量擴展部分的平時成績主要由學生在對分課堂上的課堂表現和網絡課程學習情況兩部分構成;實驗考核成績則由內存擴展實驗課上實驗方案的設計、實驗完成度和實驗報告三部分構成。注重在教學過程中進行全程化、多形式的考核，強調對學生認知過程和解決復雜工程問題能力形成進行評價[6]。

3 結束語

工程教育認證對復雜工程問題提出了明確要求，本科工科教育可以基本定位在解決復雜工程問題[1]。本文面向工程認證，圍繞培養學生解決復雜工程問題的能力，對計算機組成原理課程所涉及的主存容量擴展這一復雜工程問題的理論教學組織與考核評價進行教學探索。教學實踐表明，在課程教學中積極挖掘并合理利用課程中隱含的具有復雜工程問題特征的課題對培養、提升學生解決復雜工程問題的能力具有積極作用。

參考文獻：

[1]蔣宗禮.本科工程教育：聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養[J].中國大學教學，2016（11）：27-30.

[2]趙鵬.聚焦復雜工程問題的軟件工程專業建設探索——以安徽大學軟件工程專業為例[J].高教學刊，2019（15）：22-23+27.

[3]中國工程教育認證協會.工程教育認證通用標準[S].http：//ceeaa.heec.edu.cn/coloumn.php？cid=17

[4]寧菲菲，李真.“對分課堂”教學模式在計算機組成原理教學中的應用[J].電腦知識與技術，2018，14（04）：96-97.

[5]唐朔飛.計算機組成原理第二版[M].北京：高等教育出版社，2008.

[6]黃嵐，呂春利，史銀雪，等.面向工程認證的計算機組成原理課程建設探索[J].教育教學論壇，2018（12）：260-262.

【通聯編輯：王力】

收稿日期：2019-09-10

作者簡介：寧菲菲（1985-），女，河南省平頂山人，講師，碩士，主要研究方向為自然語言處理、機器學習;李鵬輝（1999-），男，河南省平頂山人，平頂山學院2018級軟件工程專業學生。