高職院校計算機組成原理教學改革實踐

文/廣東理工學院 韓長河

“計算機組成原理”是普通高等院校計算機科學與技術專業本科生必修的核心骨干課程之一，在先修課(數字邏輯)和后續課(計算機系統結構、微型計算機接口技術)之間起著重要的承上啟下作用。一方面，通過“計算機組成原理”(以下簡稱組成原理)課程的學習，把“數字邏輯”課程中的基本數字邏輯單元組合成具有一定獨立功能的計算機部件；另一方面，從微處理器數據通路設計角度引入指令集及軟硬件功能分界面的概念，對學生理解計算機系統的軟件和硬件設計思想產生深刻的影響，從而為后續的“計算機系統結構”分析系統性能優化提供所需硬件支持，并為系統復雜度、性能等內容提供知識準備。

當前的計算機內部結構日趨復雜、龐大和集成化，學生普遍感到組成原理難懂、概念抽象、感性認識差。在教學中，僅僅使用傳統的教學方法和手段很難實現教學目標，如何改革組成原理教學過程、吸引學生興趣、改善教學效果和效率，并緊密結合計算機技術的發展趨勢成為任課教師亟待解決的問題。經過多年的教學改革實踐，我們探索出一些激發學習興趣、提高理論知識的掌握與理解程度、增強實踐動手能力的教學改革措施。

本文剖析了當前組成原理課程教學中面臨的教與學、多樣化教材和統一考試、重實用和重基礎幾個方面的挑戰，闡述了在教學內容、方法、手段、實驗教材編寫等方面進行教學改革的思路和方法。

一、“計算機組成原理”教學面臨的挑戰

1.難教與難學的困境

計算機微體系結構的不斷發展使得新概念、新技術層出不窮，為了確保授課內容貼近本領域技術發展的前沿，任課教師需要不斷地跟蹤學習國內外相關技術文獻，以掌握微處理器設計的核心技術并滲透于教學內容中，大大增加了備課的難度。從學生的角度來說，由于組成原理中類似離散數學的證明、推導較少，也缺乏類似數據結構中的算法，學生覺得組成原理課“理論性、規律性不強”“知識點零散”“復習時無從下手”等，而且，在學習計算機各組成部分的硬件電路及其工作原理時，有時要用到數字電路、數字邏輯等先修課程的相關知識，學生對這些知識掌握得不夠深入、基礎薄弱，綜合運用時就會感到吃力，因而興趣不高。這種雙方面的困難造成了組成原理課程既難教又難學的困境，往往教師課外花費大量的時間備課，課堂教學時卻很難真正引起學生的興趣。

2.多樣化教材與全國統考的矛盾

目前，國內主流的“計算機組成原理”教材很多，側重點各有不同。自2009年計算機專業研究生入學考試改為全國統一考試以來，“計算機組成原理”成為在專業基礎綜合卷中所占比重較大的課程。經過認真分析考試大綱，我們發現其中的知識點涵蓋了多本相關教材，并不局限于某一本教材。在目前考研人數居高不下的形勢下，如何精心選擇一本適合的教材并兼顧其他，使學生廣采眾家之長，在就業和考研競爭中占有優勢，是任課教師在教學中面臨的又一個難題。

3.“重實用”與“重基礎”的矛盾

上課時經常遇到學生提問：學習本課程對以后工作有什么用處？對此，需要教育學生重視夯實專業基礎，不要為流行一時的應用技術迷惑，只有真正理解和掌握了計算科學的實質才能在今后的研究和工作中選準方向。當前國內計算機硬件人才培養弱化，軟件人才需求旺盛且待遇較高的現實情況，也造成了學生“重軟件、輕硬件”的認識。在課堂教學中，要注意糾正學生的這種偏見，強化軟件性能取決于軟件設計者對系統中硬件的理解程度，操作系統的設計者也需要有較強的計算機組成與設計的背景知識等意識。

二、教學改革與實踐

經過多年來對組成原理課程進行的教改實踐，為達到培養學生具有扎實的理論基礎和良好的動手能力的教學目的，本文從以下幾個方面對該課程的教學進行了一些有益的探索。

1.合理組織教學內容

在教學內容的安排上，將“計算機組成原理”課程的重點放在指令系統、運算器、控制器的設計上，對于重點內容講深、講透，其他部分則通過學生自學或討論課講授。對于核心教學內容，按照基本原理、簡明示例、真實計算機系統舉例3個層次逐層遞進安排。

(1)基本原理是基礎

基本原理是學習和理解計算機組成與運行機制的核心知識，具有穩定性和通用性，是學生一定要掌握的內容。例如，對于“馮·諾依曼計算機的基本組成”這一基本原理的講解，設計了如下教學步驟：首先說明計算機系統是對人腦功能的模擬；然后分析人腦具有的感知、存儲、分析、輸出和協調能力，從而引出馮·諾依曼計算機與上述功能對應的5個主要功能部件：輸入設備、存儲器、運算器、輸出設備和控制器；接下來，在后續章節的教學中，不僅分析各功能部件的組成方式，還注重介紹各部件之間的聯系和相互影響，使學生能夠牢牢抓住本課程的基本原理，不至于淹沒在繁復的細節中。通過精心設計教學步驟，將計算機的組成與人腦自身的功能形成類比，學生覺得概念和原理都鮮活了起來，理解更加深入和持久。再如，在介紹尋址方式時，強調所謂“尋址就是根據指令中的地址碼信息找到操作的對象的過程”這一基本原理，從可能的存儲位置出發分析各種尋址過程，突出尋址方式與數據通路設置的相互作用關系，從而引出計算機內部兩種主要信息流之一——“數據流”的概念。

(2)模型計算機作為簡明示例

模型計算機系統處于基本原理和真實計算機系統兩個層次之間，具有基本的計算機系統功能而刪減了性能、成本等，優化了技術細節，學生運用所學習的基本原理知識就可以完成模型機的設計和分析。通過設計實現一臺簡單的模型計算機系統，增加學生對所學知識的理解深度和應用能力。例如，在介紹尋址方式的概念后，通過擬定模型計算機指令系統、設計模型計算機數據通路的實踐，學生對指令格式與尋址方式、尋址方式與數據通路設計之間作用關系的理解更加深刻，在印證理論知識的同時加深了對基本原理的理解。

(3)以真實計算機系統作為實例

以真實的計算機系統舉例，不但可以運用課堂所學的基本原理，還可以貼近計算機硬件設計的前沿技術。在教學中，我們分別以精簡指令集(risc)和復雜指令集(cisc)兩種處理器架構的代表mips和pentium為例，說明不同的計算機系統設計理念產生了不同的寄存器設置、內部數據通路設計、時序控制方式及中斷等外設控制方式。例如，在尋址方式部分，通過x86系列計算機和mips計算機的機器指令集的具體示例，深刻揭示cisc架構和risc架構計算機的區別，為后續的系統結構課程學習打下良好基礎。一方面提高了學生的學習興趣，另一方面彌補了教材與實際系統的縫隙，既注重基礎又體現了時代特性。

2.靈活運用多種教學方法

根據組成原理課程特點，我們采用了以下教學方法，取得了較好的教學效果。

(1)課堂教學多采用問題驅動

在講授新的單元內容之前，先對上一個單元進行簡單扼要的總結，然后利用“接下來的內容將要解決的是什么問題”或者“還有什么更先進的方法”等問題引起學生興趣，導出新的教學單元。例如，在講授補碼加減法時，教師通過分析原碼加減法操作過程中需要比較操作數絕對值大小，使學生認識到原碼表示法不適合于加減運算，從而引入補碼表示法和補碼加減運算的內容；同理，在介紹乘除法器設計時，也通過設問方式，讓學生自主選擇適合的機器數表示形式及運算方法。通過提問，促使學生主動思考問題，進而比較自己的解決方法和已有方法的不同，發現好的思維方法，促進學生學習的主動性。

(2)突出理論知識的實際應用

在教學過程中，講授計算機基本組成和工作原理的同時，注意使所學的理論知識用于指導實踐操作，激發學生學習的積極性和主動性。例如，在講授控制器內容時，教師在講授完控制器的基本組成和工作原理后，可以通過一個只能執行幾條指令的最簡單模型機的示例來說明控制器設計的5個基本步驟：擬定指令系統、確定數據通路、安排時序、編寫微操作時間表和微命令序列、控制邏輯實現。然后，讓學生獨立完成對該模型機的功能擴展，通過實踐比較不同方式實現可擴展性的難易程度。

(3)合理設置課后習題

為方便學生課后復習，我們遵循驗證所學、啟發思考的選題思路，選取有代表性的習題編輯成《計算機組成原理知識要點及習題解析》。習題主要包含兩部分：一是針對理論課教學中一些比較抽象的、容易混淆的基本概念和基本原理而設計的習題；二是針對基本理論的運用而設計的習題。教師通過了解第一類習題的完成情況，可以及時發現教學中的問題，對于學生普遍掌握不好的內容采取適當的方法進行補充，以達到單元教學的目的；對第二類習題，教師組織學生討論，進行集體學習，在各種解決方案的提出、論證、分析以及評估過程中，通過解決已有問題并提出新的問題的學習活動，使學生的獨立思考能力得到很大的鍛煉和提高。

3.充分利用多種教學手段

組成原理課程中介紹的很多工作過程都發生在芯片內部，內容很抽象。本文利用計算機動畫演示各部件連接關系、數據流、控制流以及工作時序等內容，不僅能把高度抽象的知識直觀地顯示出來，而且借助于聲音、圖像的多重作用幫助學生加深理解。例如，通過動畫演示指令執行的全過程，包括取指、分析譯碼及在微命令控制下各部件執行指令流程等內容，使學生迅速地了解cpu的整個工作過程并且課下還可以反復觀看，提高了知識傳授效率。此外，還建設了組成原理課程網站，把講課的視頻、相關資料和自測系統放到教學網站上，方便學生課后學習和進行自我評價。另外，提供一些相關的硬件知識網站和論壇的鏈接，鼓勵學生通過網絡自主學習，擴大知識面。

4.加強實踐教學環節

“計算機組成原理”屬于工程性、技術性和實踐性都很強的課程，因此在開展理論教學的同時，也要非常重視實踐教學環節。

實驗教學內容可分為3個層次：基礎驗證型實驗、設計應用型實驗和綜合設計型實驗。3類實驗難度依次遞增，分別在組成原理實驗箱和仿真軟件上進行。

(1)基礎驗證型實驗

該類實驗利用計算機組成原理教學實驗箱完成，包括運算器實驗、存儲器實驗、總線傳輸實驗和微程序控制器實驗，實驗目的是讓學生掌握實驗系統單元模塊的內部結構及相關集成電路芯片的基本邏輯，理解單元模塊的工作原理及該模塊在整機系統中的作用。通過基礎驗證型實驗，學生加深了對理論課教學內容的理解。

(2)設計應用型實驗

該類實驗要求學生利用電子仿真軟件進行功能部件的邏輯設計，在計算機上功能仿真通過后，再下載到可編程邏輯器件中進行物理測試。例如，在運算器設計實驗中，學生設計并實現一個16位運算器，實現基本的算術和邏輯運算，學生對于這類實驗課的積極性很高，提出了一些獨特的設計方案。

(3)綜合設計型實驗

在前面已完成的各功能部件邏輯設計的基礎上，要求學生設計一個16位risc架構的模型計算機，并在仿真軟件上實現。該類實驗幫助學生掌握微程序控制計算機的設計方法，加深了解微程序的特點，理解指令流和數據流的流動過程，建立起整機概念。微程序設計技術是計算機組成原理理論教學中的一個難點，核心內容是理解在微程序的控制下處理器如何完成基本數據的通路操作。內容涉及時序安排、微指令編碼方式、微程序設計等許多概念，學生感覺難以理解。綜合設計實驗使學生從微觀角度分析微程序執行的整個過程，并通過親手解剖一個小小的“麻雀”來了解微程序控制單元的設計方法。

三、結語

“計算機組成原理”課程通過從底層剖析電子數字計算機的基本組成和工作原理，使學生掌握計算機硬件系統的基本設計技術并培養系統觀點，從而訓練學生的計算思維和解決數字系統實際問題的能力。通過近年來不斷探索“計算機組成原理”課程的教學改革并積極實踐，提高了課程的教學水平和教學質量，促進了課程的建設與發展，對培養學生的硬件設計能力和系統思維能力起到了積極的作用。在以后的工作中，還需注意結合社會需要，將計算機硬件技術的新成果引入到教學內容中，不斷提高教學水平。