計算機組成與結構課程教學的改革與研究

趙森嚴，汪步云，劉三民

摘要：針對《計算機組成與結構》理論性強，內容抽象，學生學習難度較大的問題，對傳統的計算機組成與結構課程教學行了相應的改革。把傳統授課與目前流行的在線課堂授課模式結合，增強教師與學生的互動，提高學生學習興趣。同時對教學中的其他環節以及硬件實驗的教學進行研究與實踐，提出一些改進方法。實踐證明，教學中采用這些方法取得了良好的效果，全面提升《計算機組成與結構》課程的教學質量。

關鍵詞：計算機組成與結構;云課堂;硬件實驗;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）34-0211-02

1 引言

《計算計組成與結構》是物聯網專業的一門重要的專業基礎課，其教學內容依托已學相關課程如《微型計算機接口技術》《電工學》等課程基礎之上，同時也是后續學習的基礎，具備承上啟下功能，要求學生具有較高的硬件理論知識和實踐能力。然而，實際情況卻是學生雖然學習了先序課程，但是對硬件的知識依然一知半解，模糊不清，更別提分析一些電路的硬件原理圖了。究其原因有如下幾點：

（1）計算機組成與結構的核心是CPU，圍繞CPU的相關知識有運算器、指令系統、控制器等，學生在學習過程覺得相關概念、原理抽象難懂，因此對課程學習缺乏興趣，最后以死記硬背方式應付考試。

（2）教學方法單一，由于概念抽象，學生已經對課程學習缺乏興趣，再加上傳統教學以 “灌輸式”為主，學生更加沒有興趣學習。

（3）實驗的開展以驗證為主，學生按照實驗指導書的連接方法按部就班地做，做完后按照指導書的格式抄一份實驗報告，寫上實驗結果，不管結果是否正確，更不去思考電路連接圖的原理。

因此，為了學生對計算機CPU、總線、存儲系統等硬件知識有一定的認識了解，激發學生的學習興趣，讓學生找到理論與實踐的結合點，提高教學質量，計算機組成與結構的課程改革迫在眉睫。

2 教學內容和方式的改進

2.1 注重第一堂課的講述

計算機組成與結構課程理論性較強，學生在接受該課程的知識傳授時往往感覺枯燥，為了激發學生的學習興趣，在第一章概論中授課教師可以額外向學生講授CPU制作的簡單流程，以及與CPU制作息息相關的光刻機、刻蝕機。例如，對光刻機的介紹可以和學生聊聊荷蘭ASML公司的發展過程，浸潤式光刻機和干刻式光刻機之爭等精彩的故事。還可以繼續讓學生了解我國刻蝕機的發展狀況，從而提高學生的民族自豪感。在第一次課就引入生動的事例作為教學內容，豐富了課程的內容，使得學生認為該課程并不是像傳聞那樣枯燥無味。為該課程后續的教學內容開展起了一個良好的開端，提高了學生學習興趣。

2.2傳統課堂引入云授課模式

手機等通信設備已經成為大多數學生生活中的一部分，傳統的多媒體教學已經不能吸引學生的注意，學生上課不再專注傾聽老師的講授，這就要求教師將互聯網等先進的信息技術引入課堂，將板書逐步向手機轉換。上課前，教師通過“云”平臺發布學習任務，通過這種方式的推送，學生節省了在大量的學習視頻和資料信息中甄選自己需要的課前學習資料的時間。直接學習教師已經選擇好的學習資料，在這一過程中雖然需要教師在平時花去一些時間幫助學生尋找合適他們學習的資料信息，但這種方式顯然提高了學生的學習效率。學生可以自學 “云”平臺上的各種教學資源例如教師自制的微課視頻或者其他學校的教學視頻等，學完后學生提交學習效果反饋，包括學習過程中遇到的問題。課后，學生完成教師在課程平臺上布置的作業、討論和測試等內容，對本次課進行知識鞏固并將結果反饋給教師。

傳統的課堂教學中，授課教師往往喜歡采用“任務驅動”的方式進行授課，因為“任務驅動”是實現理論與實踐相結合的手段，較好地體現課程“應用性”的特色。但是《計算機組成與結構》理論性強，內容抽象，造成學生對上課缺乏興趣，更不愿意進行更深層次思考。即便是教師采用了一些好的教學方法，例如“基于任務驅動的教學方法”或“基于CDIO模式的教學方法”等等，部分學生還是專注于非課堂教學內容，如玩手機、聊天等，使得教師的教學效果收效甚微。既然無法讓學生放棄用手機的習慣，那么可以把在線課堂與計算機組成與結構的課堂教學相結合，把那些重要且晦澀難懂內容的講授用手機或平板給學生呈現出來，以一種全新的方式授課。例如，在講授操作數尋址方式的內容時，學生往往對存儲器直接尋址、寄存器直接尋址、儲器間接尋址、寄存器間接尋址等各種尋址方式弄不清楚，初學者極易混淆。為了讓學生深刻理解這些晦澀的知識，授課教師可將尋址的過程以動畫的形式投屏到學生的手機或平板上，同時配上講解。在知識講授前，設定該堂課的學習目標以及任務，當知識點講授結束后，提出問題，讓學生在線討論交流和在線測試。對積極思考回答問題的學生，可以給予相應的平時分數的獎勵，甚至用“發紅包”的形式讓回答問題前幾名的學生來“搶紅包”，這樣不僅可以活躍課堂氣氛，還可以激發其他學生學習的興趣，同時根據學生的反饋信息及時進行課程內容的調整。當學生對《計算機組成與結構》有了學習的興趣，授課教師這時可以將“基于任務驅動的教學方法”或“基于CDIO模式的教學方法”這些新的教學方法應用于課堂教學，有利于提升教學的效果。

2.3實驗課程的改進

2.3.1 實驗設備選擇

由于《計算機組成與結構》課程的實驗開展主要是進行驗證性實驗。例如，在做“基本運算器實驗”，學生只需按照指導書給出的實驗接線圖接線，按照運算器邏輯功能表撥動相應開關即可完，這一組其他學生只是進行簡單的觀察和記錄，根本不會考慮數據的流向，實驗效果不理想。為了更好理解《計算機組成與結構》的理論知識，對計算機各部分硬件的基本工作原理以及指令的數據流向有一個感性的認識，為下一步設計性和綜合性實驗打下基礎，學生在做基本的驗證性實驗時，每撥動一次開關就應該在電腦端顯示數據流向動態過程，經過了哪些寄存器，數據暫時保存在哪些寄存器，而不是簡單地讓LED燈亮滅，當實驗箱脫機工作時，電腦端則不會顯示數據的流向。這就需要選購符合有利于提高學生實驗興趣的、有利于提高學生的動手設計能力以及創新能力的儀器。

2.3.2 綜合實驗的開展

為了培養學生綜合實驗能力，很多學校采用 FPGA 方案來開展計算機組成原理實驗。作為物聯網專業的學生要想完成綜合性實驗必須先學習VHDL語言，但是物聯網專業的培養方案上沒有列出這門課程，修改已定的培養方案難度較大。如果讓學生完全自學的方式學習 VHDL硬件語言也是不符合實際情況的。在開始的綜合性實驗，授課教師可以利用“云”平臺，把自己寫好的實驗代碼和步驟上傳到平臺，在線給學生詳細講解。在后續的實驗中，逐步地讓學生動手寫代碼，自己調試，發現錯誤，糾正錯誤，進而培養他們的自主學習能力。

3 教學效果及反饋

《計算機組成與結構》課程與“云”平臺融合的教學方法改革已在本科生中實踐了2個學期，為了體現教改的效果，我們將改革前的2018-2019學年2個學期的期末試卷成績與教改后2019-2020學年2個學期期末試卷成績對比，其對比結果見表1。從表1可以看出，教學改革后的成績明顯高于改革前，在改革的2個學期內學生平均成績均穩定在80分，說明教學方法改革成效比較明顯且穩定。同時，通過對2個學期的《計算機組成與結構》授課學生的問卷調查，絕大多數學生還是接受認可這種混合式的教學和實驗方式。調查結果見表2。

4 總結

將“云”教學平臺引入《計算機組成與結構》的課程教學，改變了傳統的以“教師為中心”學生被動學習的方式，使得學生對《計算機組成與結構》課程知識體系了解更加清楚，明確了學習目標。多樣化的教學方法使課堂教學更加生動，氣氛活躍，充分體現了以“學生為中心”的主導地位，也使學生課前和課后學習的積極性和主動性更強。這次《計算機組成與結構》的教改把協作式學習、混合式學習與“云“教學緊密結合，教師借助信息化平臺開展教學活動、學習效果評價及動態管理，優化教學生態，提升了教學效果與質量。課程中如何更好地將數字平臺融入教學設計和線下的課堂教學，仍需要進一步的研究與實踐。總之，在《計算機組成與結構》課堂中采用多種教學方式的傳授模式使得學生的學習狀態向有益的方向變化。

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【通聯編輯：王力】