以學生為中心的計算機組成原理課程教學改革探索

張策 李劍雄 呂為工 華棟

摘 要：計算機組成原理課程教學存在原理性內容抽象晦澀、知識內容更新進度緩慢、教學難度大等制約學習效果的問題，該課程是培養設計與實現完整計算機系統綜合性能力的基礎性核心課程，需不斷面向時代發展改革課程教學。提出以學生為中心的教學綜合改革方案。在教師教學“過三關”的基礎上，即基本功夫關、教學改革關與信息化教學關，從3個層面實施改革方案。從理論知識到物理實現層面，注重開展將理論內容轉換為物理實現的教學，做到理論聯系實際;從經典模型到現實構造層面，注重開展將經典馮·諾依曼計算機模型轉換為現實計算機構造的教學;從線下教學到混合式教學層面，注重開展基于MOOC的混合式教學。

關鍵詞：計算機組成原理;以學生為中心;教學綜合改革;混合式教學

DOI：10. 11907/rjdk. 192039 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：G434文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）002-0198-04

英標：Computer Organization Course Teaching Reform Based on Student-centered Perspective

英作：ZHANG Ce1，2， LI Jian-xiong2，LV Wei-gong2， HUA Dong2

英單：（1. Deans Office， Harbin Institute of Technology（Weihai）;2. School of Computer Science and Technology， Harbin Institute of Technology（Weihai）， Weihai 264209， China）

Abstract：Aiming at the problems of abstract and obscure principled content， slow update of knowledge content and difficult teaching in the teaching of computer organization， this paper puts forward a comprehensive reform plan of teaching from the student-centered perspective. Firstly，it points out that teachers teaching needs to go through three levels， namely， basic kung fu， teaching reform and information-based teaching. From the level of theoretical knowledge to physical realization， we should pay attention to the teaching of transforming theoretical content into physical realization， so as to combine theory with practice. From the level of classical model to the reality construction， we pay attention to the teaching of transforming the classical Von Neumann computer model to the reality computer construction， from offline teaching to mixed teaching， focus on developing mixed teaching based on MOOC. “Computer composition principle” is a basic core course to cultivate the comprehensive ability of designing and realizing a complete computer system.

Key Words：computer organization;student-centered perspective;comprehensive reform of teaching;blended learning

0 引言

1946年2月14日誕生于美國賓夕法尼亞大學的人類第一臺電子數字積分計算機（Electronic Numerical Integrator And Computer，ENIAC）距今已超過70年，其發展形態經歷了17世紀手搖臺式計算裝置、1944年哈弗大學與IBM聯合研制的MARKI，再發展至圖靈機、ENIAC、馮·諾依曼的EDVAC方案。由其歷史可知，計算機基礎是數學家提出的模型和二進制數據，物理學家和機械學家再據此創造和發展。1964年Amdahl提出計算機體系結構，促進了計算機科學家和計算機專業人才發展。歷經3次信息化浪潮，即計算機、互聯網，到今天的物聯網、云計算、大數據、移動物聯網及互聯網+，計算機知識和技術呈現爆炸式增長。

計算機組成原理課程主要講授計算機基本組織結構與運行原理，內容抽象、講授和學習難度大[1-5]。課程教學中，如果不能結合實物計算機進行講授，難以講清計算機的物理實現，很容易落入“照本宣科”的窠臼。教學還面臨著“經典與流行的矛盾”、“歷史與實現的矛盾”、“理論與實際的矛盾”、“線上與線下的矛盾”。針對以上問題，本文提出以學生為中心的課程教學綜合改革方案。

本課題組從學生視角開展課程教學改革，在以培養學生創新能力與解決實際問題的能力為主的思想指導下，形成由理論課、實驗課、在線課堂、計算機設計與實踐構成的課程體系，使學生系統理解計算機硬件系統組織結構與工作原理，掌握計算機硬件系統基本分析與設計方法，建立計算機系統整體概念。

1 課程教學改革總體思路

計算機組成原理課程改革是計算機類專業核心課程改革重點，是教育者關注焦點。文獻[1]對該課程教學實施方案總體框架進行論述，指出了目標與定位、教學內容組織、重點難點、教學實驗等方面的關注點，為教學改革提供了較好的指導。本文在此基礎上，進一步提煉出教學實施過程中的3個維度，聚焦學生學習效果的提升;劉旭東等[2]改進了課程教學內容設計，闡述了課程能力培養定位與啟發式教學方法的應用。相比之下，文獻[3]側重于激發學生學習興趣，從創新教學方法與改善實驗教學提高教學質量;文獻[4]側重于課程教學改革思路的探索，在內容、方法和手段等方面進行改革，取得了一定效果。這些前期工作為課程教學改革提供了很好的借鑒，推動了課程教學不斷優化。本文以學生為中心視角，對教師提出3項具體教學要求，并從綜合改革的3個維度，論述課程教學改革實施內容。

課程教學改革的首要條件是課程組教師需要“過三關”，即基本功夫關、教學改革關和信息化教學關：①基本功夫關指能講解清楚課程原理、知識，形成條理清晰的授課脈絡;②教學改革關指能提出課程教學改革思路，形成至少一個層面（例如內容體系層面、教學方法層面）的系統化教學改革思路;③信息化教學關指能開展基于MOOC的線上教學，或運用智慧教學輔助工具開展課堂教學等，形成信息化教學改革的自我見解。

本文提出以學生為中心，從3個層面實施改革。

（1）從理論知識到物理實現層面。注重把原理性和知識性的教學內容，轉化為物理實現層面的講解，幫助學生更加透徹地理解和掌握課程內容。

（2）從經典模型到現實構造層面。注重把課程中以經典的馮·諾依曼計算機模型為線索的講授，融入至當代多種計算機的現實構造中，幫助學生更清晰地理解和掌握計算機組成與運行原理。

（3）從線下教學到混合式教學層面。注重把基于MOOC的優質教學資源融合到課堂教學中，開展混合式教學，幫助學生有效提升問題解決思維與能力。

教學改革目標從培養學生的視角出發，要求學生掌握通用計算機基本組成、運行原理，具備識別、分析生活與科研中各類計算機的基本能力，可基本設計、實現和開發基于FGPA或開源硬件的實驗機，具有軟硬件協同開發與調試的系統性能力，為解決復雜工程問題打下堅實基礎。

2 從理論知識到物理實現層面

把CPU、內存、I/O接口等描述成框架，以邏輯形式講述有屏蔽的內部細節，便于學生從整體上把握課程內容，但也存在很大弊端，如學生不知曉具體原理，理論根基不牢，尤其是偏向物理層面的原理，無法做到理論聯系實際，難以靈活變通運用。下文通過具體教學案例進行闡釋。

2.1 總線通信

目前通用教材更多地從理論層面、邏輯層面闡述知識。例如，很多教材關于總線通信唯一性的描述為：“在某一時刻，只允許有一個部件向總線發送信息，而不允許有多個部件同時向總線發送信息”。深入思考后，學生會有兩個問題：①某一時刻，為什么只允許一個部件向總線上發送信息？②部件如何向總線上發送信息？

對于第一個問題，常規解釋是多個部件同時向總線上發送信息會導致“信息碰撞”（如圖1-a所示），但該解釋沒有清楚、具體地闡述原因;對于第二個問題，常見解釋是總線上的主設備具有該能力。主設備指能夠改變總線電平值的設備，如果多個主設備同時改變總線上的電平值，則總線上的電平值顯然是不確定的，當然其表示的數據也是不確定的，這就是“信息碰撞”。

2.2 總線、插槽、板卡與接口的關系

以系統總線為例，它指“CPU、主存、I/O設備（通過I/O接口）各大部件之間的信息傳輸”[6]，在講解該基本功能的基礎上，需闡述清楚4個重要問題。

（1）總線的三大功能：連接計算機各大部件，并實現相互之間的通訊，以及由此衍生出相互連接的總線標準（ISA總線、EISA總線、PCI總線等）。

（2）總線本身不具備存儲能力，只能用來通信，即總線上主設備只有持續地向總線發送數據，總線上才有數據，否則總線數據不確定（因總線數據由電平值確定）。

（3）總線通信的唯一性。學生知曉不允許有多個主設備同時向總線發送數據，但不理解如何確保或實現這種唯一性。此時，教學中需講透三態相關內容，特別是用三態實現總線通信的唯一性，如圖1（b）所示。當三態門斷開時，經由三態門掛在總線上的設備自然處于高阻狀態;當三態門連通時，設備可向總線發送數據，也可以接收數據，可以是高電平也可以是低電平，因而具有3種狀態。

（4）總線、插槽、板卡的關系。總線（例如系統總線）在主板上對外暴露出來的插槽供板卡（目前很多板卡已演變為集成芯片的形式）插進去，如圖1（c）所示。

理解“總線+接口”至關重要。例如，在嵌入式系統設計與實現中，嵌入式CPU通常有很多內置接口和對外暴露出的引腳（總線），用戶也可自行設計和實現總線，對接口的操作常體現在驅動程序的開發中。

2.3 二進制數據表示方法

二進制代碼是由兩個基本字符0、1組成的代碼，但大多數教材對二進制代碼是如何構成的卻甚少進行系統性解釋。計算機不同部件可表示0與1的不同，表征為計算機組成原理的一種解釋，如表1所示。

2.4 海明碼與CRC碼應用

在講授信息校驗相關內容時，需講解海明碼（漢明碼）與CRC碼（循環冗余校驗碼）。一般教學通常從數學原理出發指出兩種編碼用于發送與接收，尤其是網絡設備通信之間。這種教學具有局限性，使學生對問題的理解僅停留在網絡設備上。事實上，兩種信息校驗方法并不僅限于位于網絡上A、B兩個計算機設備，在單獨一臺計算機和日常生活中也經常使用。例如，等效于信息發送（編碼）的過程還有寫入文件存硬盤、壓縮、刻錄光盤、復制等，均為編碼;等效于信息接收（解碼驗證）的過程還有從硬盤讀出文件、解壓縮、讀光盤、粘貼等，均為解碼校驗。

2.5 其它

在計算機組成原理課程教學中有較豐富的內容可從書本中的理論聯系到物理實際。例如，總線工作時序圖與嵌入式開發中編寫接口的驅動程序緊密相關;內存數據存儲的大端模式、小端模式與程序跨平臺（CPU+操作系統）移植緊密相關;系統接口芯片，如中斷控制器8259A、DAMA控制器8237與電腦主板的南北橋芯片，到現在的集成芯片組緊密相關;CPU對進程的管理與操作系統內核移植緊密相關;RISC、CISC與當前流行的ARM嵌入式處理器、MIPS處理器緊密相關。

在計算機組成原理課程教學中，只有通過理論聯系實際教學方法，才能把抽象的、不容易理解和掌握透徹的原理性內容闡述清楚，幫助學生從根本上掌握計算機組成與工作原理，提升學生創新能力。

3 從經典模型到現實構造層面

從馮·諾依曼計算機模型到具體的計算機實現，存在一定差距。現代計算機總體上是按照經典馮·諾依曼計算機模型設計和實現的，但在物理現實布局上已有所不同，這種不同表現為臺式機、筆記本、嵌入式計算機、超級計算機等的構造均存在差異。

3.1 計算機組成

在計算機組成原理課程教學中，要把抽象的計算機組成（CPU+內存+I/O接口+總線）映射到具體的計算機中，包括臺式機（包括品牌機和組裝機）、筆記本、各種嵌入式計算機（從簡單的微控制單元MCU“單片機”到以ARM嵌入式CPU為核心的嵌入式計算機）、工控機、PLC，甚至包括超級計算機——“天河二號”、“神威·太湖之光”，進而引申出下一代量子計算機等。

多數教材關于計算機組成的教學內容通常指出，微型計算機由微處理器、主存儲器、I/O接口和系統總線組成，還包括支持微計算機基本運行的BIOS等，該類講述缺少歷史到現實的映射，學生在購買組裝計算機時，依然搞不清楚Intel 酷睿i7處理器、主板、集成芯片組（包括早前的北橋芯片組、南橋芯片組）、DDR4內存條、二級Cache、固態硬盤等具體的當代計算機構成。

3.2 系統接口、端口與驅動程序

計算機組成原理、計算機接口技術等課程均含有對中斷的定義、原理和過程講解等，后者還特別對8259A芯片進行介紹。很多學生不明白二者的關聯。因此需為學生講解清楚系統接口在當代計算機的實現：在“我的電腦”右鍵彈出菜單中直接或間接找到“設備管理器”，再找到“系統設備”，可以找到“可編程中斷控制器（Programmable Interrupt Controller）”。此處可以看到中斷控制器需要驅動程序的驅動才能工作（驗證硬件在軟件控制下的工作原理），也能看到其作為接口設備內部有大量端口，如圖2所示。

Zhang[7]還提出類似的教學，如虛擬內存VM（Virtual Memory）的講解。

3.3 主機講解

計算機由多種部件構成，其中關于“主機”的理解在課程學習中至關重要，為了方便教學，制作如表2所示的內容以便進行對比。

關于CPU功能的理解，考慮到教學進度與學生的理解情況，需在不同章節有不同詳細程度的講解，如表3所示。

特別注意的是，有時看似合情合理的比喻或形象的說法，實際上會帶來負面效果。例如，“CPU到內存去讀數據和寫數據”的說法雖比較形象，但卻掩蓋了很多過程和細節，使學生難以正確理解目標內容。CPU需要按照總線讀寫周期與內存進行通信，二者按照規定的讀時序和寫時序共同完成一次讀操作及寫操作。因此，抽象需恰到好處，合理運用。

4 線上線下相結合的混合式教學

開展基于“國家首批精品在線開放課程”計算機組成原理MOOC混合式教學研究與實踐，是適應互聯網時代教育教學新要求、探索信息技術與教育教學深度融合的重要嘗試，是課堂教學實施參與式、互動性研討型教學改革的具體內容。

哈爾濱工業大學（威海） 計算機科學與技術學院是中國高校計算機教育MOOC聯盟在全國遴選出的13所試點學院之一，以該校計算機學院開展MOOC教學建設為抓手，基于前期研究成果[8-10]，本課程在試點學院的統一要求與指導下開展各項工作，重點是專業核心課程大班化混合式教學改革。為了改革教學模式與教學方法，引領課程教學整體創新，從2016年秋季學期開展，課程組已連續開展了3年基于SPOC的混合式教學，初步探索出線上線下相結合的混合式教學范式，特別是在大班化啟發式、互動性研討型教學改革上取得了重要進展，為MOOC時代專業課程教學改革提供了先例。在3年混合式改革的基礎上，將進一步完善以大班化啟發式、互動性研討型教學為核心的線上線下混合式教學模式，提出成熟可行的、完整的教學改革實施方案，探索基于MOOC的計算機教學新模式，為計算機專業教學與人才培養進行更多探索。

5 結語

計算機組成原理課程是一門專業核心課程，對于提高軟硬件協同開發與調試能力至關重要。本文針對該課程教學現狀，提出以學生為中心的教學綜合改革方案，從理論知識到物理實現、從經典模型到現實構造、從線下教學到混合式教學3個層面對模型進行闡釋，以期為課程教學改革提供參考。下一步將結合基于MOOC/SPOC/翻轉課堂教學，深入研究課程線上線下混合式教學模式改革與實踐措施。

參考文獻：

[1] 唐朔飛， 劉旭東， 王誠，等. “計算機組成原理”課程教學實施方案[J].? 中國大學教學， 2010（11）：42-45.

[2] 劉旭東，熊桂喜. “計算機組成原理”的課程改革與實踐[J]. 計算機教育， 2009（7）：74-76.

[3] 王麗芳. 計算機組成原理教學研究與實踐[J]. 計算機教育， 2006（12）：39-40.

[4] 姚愛紅，武俊鵬，李麗潔，等. “計算機組成原理”教學改革實踐[J]. 計算機教育， 2013（2）：9-13.

[5] 唐朔飛.? 計算機組成原理[M].? 北京：高等教育出版社，2008.

[6] ZHANG C，BAI J，LI J X，et al. Analysis of computer organization technology to enhance practice ability[C]. 2014 Asia-Pacific Management and Engineering Conference， 2014： 918-924.

[7] ZHANG C，LI JX，BAI J，et al. Comprehensive experiment reform of computer organization principles under the new situations[C].? International Conference on Education Science and Human Development， 2014： 15-20.

[8] 張策， 徐曉飛， 張龍， 等. 利用MOOC優勢重塑教學 實現線上線下混合式教學新模式[J]. 中國大學教學， 2018（5）： 79-83.

[9] 張策，谷松林，徐曉飛，等. MOOC教學試點學院探究——以哈爾濱工業大學（威海）為例模式[J]. 中國大學教學，2018（11）： 38-42.

[10] ZHANG C，CHU D H，GU S L，et al. Research and practice of blending teaching based on “MOOC + SPOC + flipped classroom” for software engineering[J]. Computer Education， 2018（12）： 108-113.

（責任編輯：江 艷）