面向系統能力培養的計算機組成原理教學改革探索

張文宇，王 睿，趙洪華，唐艷琴

（陸軍工程大學指揮控制工程學院，江蘇南京 210007）

0 引言

隨著新工科建設的不斷深入，高等院校人才知識結構和創新能力培養有了更高要求，更加聚焦于對學生科技素養、創新能力、實踐能力及工程思維的培養［1］。如何在教學中強化工程教育理念，培養學生的系統能力，是計算機類專業教學所面臨的重要課題。系統能力是指依據確定的系統功能，設計系統結構、實現工程目標的能力，其具有突出的工程特征，是解決復雜工程問題的基本能力［2］。計算機組成原理課程是計算機及相關專業的核心專業基礎課程，通過課程的學習使學生掌握計算機組成結構和工作原理，構建軟/硬件協同的整體系統概念。該課程的教學更是讓學生建立系統認知，培養系統分析與設計能力不可或缺的重要環節。

1 教學中存在的問題

目前陸軍工程大學計算機組成原理課程教學在系統能力培養方面存在如下問題：

（1）原有教學體系以X86 系統為主線，重原理、輕實現。因X86 指令系統過于復雜，學生難以開展X86 CPU 設計，導致其無法深入理解CPU 的組織結構和工作原理。

（2）與其它課程關聯度不夠緊密，學生往往忽視硬件視角下編譯優化的基本技術，不能理解從硬件角度出發編制高效程序的基本原理，因而難以提高利用硬件知識進行程序調試的能力，也難以勝任復雜的涉及軟/硬件協同設計的任務。

（3）實驗任務重，課時少，原有課程實驗在X86 實驗箱平臺開展，包含驗證性和設計性實驗。驗證性實驗受限于呈現結果，設計性實驗受限于硬件體系，學生僅能完成部分硬件設計，不能構建完整的硬件系統。系統綜合實踐環節的缺乏，使得學生系統分析與設計能力較差。

在計算機組成原理課程教學研究中，更多地是強調對學生“解決問題”、“創新思維”能力的培養［3］，而對于系統能力培養的具體方法及實施過程缺少細致研究。

2 教學改革理念

CDIO 是當前國際上實施高等工程教育的一種創新模式。CDIO 代表構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運行（Operate）［4］。CDIO 倡導“做中學”和“基于項目的教育和學習”，其以工程項目從研發到運行的生命周期為載體［5］，通過項目設計將整個課程體系系統、有機地結合起來，促使學生以主動、實踐的方式參與到課程各個教學環節中，培養其工程實踐能力［6］。

基于對課程現狀的分析，在課程教學中引入CDIO 教學模式，以提高學生的系統分析與設計能力為目標，對計算機組成原理課程教學進行改革。課程改革理念為“基于CDIO 教學模式構建系統觀，培養系統設計能力”，從教學內容、教學模式、教學方法和教學組織等方面開展教學改革：①優化教學內容，建立計算機系統整體觀；②改革實驗體系，培養系統設計能力；③改進教學模式，激發學生學習動力；④改革評價方式，強化能力導向。

3 教學改革主要工作

3.1 教學內容重塑

3.1.1 以MIPS 處理器為主線，貫通課程知識體系

以MIPS 處理器為主線重塑教學內容，圍繞處理器設計，將MIPS 指令體系、存儲系統、處理器、I/O 系統等知識串聯起來，從系統結構和硬件設計者角度理解軟硬件協同的計算機系統設計思想，構建計算機組成原理的知識框架。課程知識體系組織與設計如圖1 所示。

圖1 課程知識體系組織與設計

處理器設計部分在傳統內容基礎上大幅增加了流水線技術、并行處理技術等先進技術，依照“數據通路→單周期處理器→多周期處理器→五段流水線處理器→流水線冒險及解決方法→超標量、超流水線處理器”的次序，以MIPS 處理器為主線，循序漸進地讓學生了解CPU 設計技術發展過程。

3.1.2 建立與其它課程之間的緊密關聯，體現軟硬件協同思想

計算機組成原理課程在整個計算機系統相關課程鏈中起到承上啟下的作用，而在以往的課程教學中，往往忽略了課程之間的知識關聯，學生學到的很多知識點是孤立的。在教學改革中將計算機軟件與硬件進行有機結合，幫助學生從程序執行的角度理解計算機組成與系統結構，建立計算機系統觀，培養學生對計算機系統的綜合分析能力。

（1）與程序設計類課程的關聯。學生學習高級語言程序設計時，往往會忽視硬件視角下的編譯優化基本技術，不能理解從硬件角度出發編制高效程序的基本原理，從而難以提高利用硬件知識進行程序調試的能力。因此，教學改革從教學內容上建立高級語言中各種數據類型與底層硬件機器數據表示及存儲的關聯、高級語言中指針與內存地址的關聯、高級語言語句實現與指令系統設計的關聯、高級語言程序性能與存儲結構的關聯。在涉及到與程序設計課程有關內容（如數據表示、存儲方式、指令尋址方式、Cache 工作原理等）時，通過舉例和編程調試練習讓學生理解硬件設計與程序設計的關系，使學生建立“從程序員視角理解計算機系統結構和硬件設計，從系統結構和硬件設計者視角理解程序執行”的軟、硬件密切相關的設計思想，在提高學生硬件設計能力的同時，也增強了學生進行高效、系統化程序設計的能力。

（2）與電子技術基礎課程的關聯。電子技術基礎課程是在計算機組成原理課程之前開設的硬件基礎課程，兩個課程關聯度較高，例如計算機組成原理中的行波進位加法器、超前進位加法器設計需要用到電子技術基礎課程中學到的半加器、全加器等器件，但本課程教學重點在于讓學生理解如何快速實現加法器，而不像數電的重點在于芯片級聯。計算機組成原理課程的處理器設計與電子技術基礎課程中組合邏輯電路和時序電路的各類器件更是密切相關，在教學改革中通過增加必要的過渡內容，令學生加深對相關知識的理解，學會運用所學知識進行硬件系統設計與應用。

（3）與操作系統課程的關聯。操作系統是計算機組成原理的后續課程，強調操作系統對計算機資源的關聯，而計算機組成原理課程介紹的正是這些資源。例如，兩門課程都會介紹3 種虛擬管理方式：地址轉換、頁表和頁表項、TLB，如果不特別強調硬件和操作系統在虛擬存儲機制中的角色，會給學生帶來困惑，不知道哪些功能是由硬件實現的，哪些功能是由操作系統實現的。在教學內容方面，將虛擬存儲管理與指令執行相關聯進行講解，具體說明計算機系統中硬件與操作系統之間協調完成特定任務的過程，幫助學生理解硬件與操作系統的作用。

（4）與編譯原理課程的關聯。編譯原理也是計算機組成原理的后續課程，編譯器的功能是將高級語言程序轉換為機器級代碼，而機器級代碼相關內容就是計算機組成課程講解的主要內容。在改革后的課程內容中，強調經過編譯后得到的機器級程序，以及匯編程序設計與編譯處理的關系，以強化編譯程序與計算機組成原理內容之間的關聯，潛移默化地加強學生對計算機系統整體概念的理解。

3.2 實驗體系改革

（1）設計“點面結合，遞進綜合”的實驗內容，實現理論實踐一體化。課程概述及基礎知識部分理論性較強，因此作為前期基礎內容由教師主講，以問題引導和啟發式教學方式開展。為了更好地引導學生深入理解硬件部件的組織結構和工作原理，在實驗中設計相應實驗項目，并以CDIO 教學模式組織實驗教學，讓學生在完成實驗項目的過程中通過“一講一做”構建理論知識，以實驗項目促進課程教學，提高學生的實踐能力。

以系統能力培養為目標設計實驗，實驗內容緊扣理論教學重難點，課程內容覆蓋率達到100%，從而為理論教學提供有效支撐。按照布魯姆認知分類法中的運用、分析、綜合3 個層次，將實驗內容也劃分為3 個層次。

第1 層次：基礎設計。主要通過對1 位全加器、4 位行波進位加法器和先行進位加法器、可控加減法器等電路的構建，熟悉實驗平臺及電路設計流程。

第2 層次：進階設計。分析運算器、存儲器、控制器、寄存器堆等部件的工作機制，設計各個部件并測試電路功能。

第3 層次：綜合設計。構建數據通路，設計單周期處理器及五段流水CPU。

實驗的推進過程是將處理器設計的高難度任務分解成若干難易度遞進的子任務和單元實驗，將問題分析與知識點應用融為一體，圍繞計算機系統設計與實現的系統能力培養目標，讓學生從簡單組合邏輯電路開始，難度遞進地設計加法器、ALU、存儲器、寄存器堆、控制器、單周期處理器，直至流水線處理器，一步步深入理解計算機硬件系統工作原理，以及指令在硬件中的執行過程。

圖2 實驗項目層次遞進關系

（2）設計規范化的實驗用例，編寫配套實驗教程。前期通過調研分析各高校實驗實施情況和教學儀器廠家的教學儀器情況，最終采用跨平臺開源的Logisim 虛擬仿真平臺。該平臺易上手、易調試且無實驗成本，突破了傳統實驗中因使用實驗箱產生的時間與空間限制，解決了因實驗學時縮減，不適合選用學習周期長的硬件描述語言進行硬件開發的問題。每個實驗項目均設計了標準化的外圍框架提供輸入和輸出，學生可在外圍框架內自行設計實驗電路。

編寫配套實驗教程，內容涵蓋實驗平臺使用說明、新手入門案例，以及各個實驗項目的實驗原理、實驗步驟和課后思考等。硬件設計過程中需要查找元件庫，了解器件的引腳說明和參數設置等，過程較為繁瑣。所編寫的實驗教程解決了這一問題，學生可查閱實驗教程，熟悉實驗平臺，快捷查找所需的元件說明，了解實驗要求及相關原理，并參照實施步驟開展實驗，通過完成課后思考題加深對硬件設計及相關知識的理解。

3.3 CDIO 教學模式設計

課程教學采用CDIO 教學模式開展項目驅動的教學，教學流程如圖3 所示，教學設計體現在“任務設置”、“任務實施”和“任務評價”3 個階段。

圖3 CDIO 教學流程設計

3.3.1 任務設置階段

首先對課程結構和教學大綱進行分析，羅列出各章節教學主題，根據教學主題提出符合整個課程知識體系的教學計劃，并設計任務驅動方案。任務設置階段的要點包括：

（1）將教學內容與具體任務相結合，學生帶著項目設計任務進行學習。

（2）設計任務循序漸進，先易后難，有層次遞進的內在聯系，難度隨著教學內容的深入逐漸增大。促進學生一步步深入學習，直至掌握難度較大的知識點。

（3）設置任務時設計思考題，帶著問題進行設計，有助于培養學生自主分析與解決問題的能力，達到更好的教學效果。例如在布置單周期數據通路設計任務時，設置如下問題：控制信號產生的依據是什么？單周期CPU 中的時鐘周期如何確定？

3.3.2 任務實施階段

在理論課堂上，引導學生思考、消化和吸收知識；在實踐課堂上，留給學生充裕的操作時間，當涌現出新問題時，發揮教師的主導作用，引導學生思考解決方案，并在最后作總結回顧。課外布置思考題，學生查找資料并進行交流學習。例如在開展單周期數據通路設計任務時，以小組為單位對如下問題開展課后討論：在單周期CPU 執行指令過程中，各組件并發情況是怎樣的？計算單周期和多周期CPU 執行同一程序段，哪個花費時鐘周期更多，是否多周期性能更差，為什么？

改革任務實施階段組織形式如下：

（1）將學生按4～5 人劃分為學習研討小組，基于課程重難點問題以及對課堂知識的擴展，設計課前預習、課堂研討、實驗設計、小組匯報等環節，每組學生課后查閱資料，并進行討論交流。通過小組分工的方式使學生取長補短、共同進步，培養團隊合作能力。

（2）實施CDIO 小組合作，以組內協作、組間競爭、自主探究的方式推動學生學習，從構思→討論→修正→設計→實施一步步完成計算機硬件系統設計。

3.3.3 任務評價階段

成績評定以學生在全過程的實際表現及學習成果為依據，其中理論考試占60%，平時成績占10%，實驗成績占30%。平時成績包括平時作業、課堂表現、小組匯報等，實驗成績包括綜合設計答辯、設計成果、實驗文檔等。實驗環節注重過程性考核，采用進度跟蹤、項目匯報等多種形式對實驗進行考核，引導學生初步建立系統分析與實踐能力。

4 教學改革實施情況

4.1 教改對象

以陸軍工程大學2019 年秋季學期的計算機組成原理課程為教學改革對象，學習周期為20 周，采用小班化教學，分為兩個班次，A 班次17 名學生，B 班次27 名學生，共44 名學生參加教改課程學習。

4.2 教改效果

（1）學生自主學習與自主思考能力提升。CDIO 教學體系按照認知規律，將知識的傳遞、內化、鞏固與拓展過程分別放在課前、課中和課后完成，借助交流互動、節點任務和匯報答辯等手段，引導與促進學生自主學習。如今需要學生討論及設計的任務更多，學生自主學習的積極性也得到了提高。在課程實施初期，有些學生還習慣性地遇到問題就向教師求教，或在教師提問時翻書查找答案。隨著CDIO任務驅動教學模式的開展，學生能在教師的引導下主動提出解決方案，根據自身理解詮釋知識要點，并提出自己的見解。各個小組能在研討課開始前積極準備資料，在課上積極發言、搶答，甚至進行比賽。

（2）學生系統分析與設計能力明顯提升。表2 為教改前（2018 秋季學期）后（2019 秋季學期）學生完成實驗項目情況對比，可看出實施教改后，學生在有限的學時內完成的設計實驗項目更多，而且能夠完成完整的硬件系統設計，培養了良好的系統分析與設計能力。

表1 教改前后實驗項目完成情況對比

（3）學習滿意度提升。學習滿意度主要通過問卷調查的形式反饋學生對整個教學實施過程的體驗，如圖4 所示。數據表明，教改前（2018 秋季學期）和教改后（2019 秋季學期）學生對教學實施和教學組織的滿意度相差不是很明顯，但其教改后的學習體驗、學習效果以及對教學內容的滿意度較教改前有明顯提升。

5 結語

圖4 學習滿意度調查

基于CDIO 教學理念，以構建系統觀、培養系統設計能力為目標，提出計算機組成原理課程改革措施，并在兩個班次的課程教學中進行實證檢驗。結果表明，基于CDIO模式開展計算機組成原理課程教學改革，將學習過程分為構思、設計、開發及實施4 個階段，能有效培養學生的自主學習、團隊協作、系統設計等多種能力，符合當下新工科教育發展的趨勢。后續研究將進一步探索CDIO 與其它教學模式的融合，以及在線課程實施中如何運用CDIO 教學模式等。