面向新工科建設的計算機組成原理課程教學

張威 胡曉宏

摘?要：針對新工科背景下計算機組成原理課程教學面臨的具體問題，結合工程教育認證的要求分析了課程教學的知識、能力和素質目標，提出了“培養學生的系統思維能力”的教學理念，并詳細介紹了教學內容、教學設計、課程考核等環節的實施細節。

關鍵詞：新工科;計算機組成原理;教學模式

中圖分類號：G648.4

Teaching?of?Computer?Composition?Principle?for

the?Construction?of?New?Engineering

Zhang?Wei?Hu?Xiaohong

Department?of?Computer?Science?and?Technology，Beihua?University?JiLinJiLin?132021

Abstract：In?view?of?the?specific?problems?faced?by?the?teaching?of?computer?composition?principle?under?the?background?of?new?engineering，combined?with?the?requirements?of?engineering?education?certification，this?paper?analyzes?the?knowledge，ability?and?quality?objectives?of?curriculum?teaching，puts forward?the?teaching?concept?of?"cultivating?students'?systematic?thinking?ability"，and?introduces?in?detail?the?specific?implementation?details?of?teaching?links?such?as?teaching?content，teaching?design?and?curriculum?assessment.

Keywords：new?engineering;computer?composition?principle?course;teaching?model

計算機組成原理課程是計算機專業本科教學中承上啟下的核心專業課程，以計算機硬件系統為主線，訓練學生系統分析與設計實現能力，提高學生工程意識、工程素質和工程實踐能力，完成新工科背景下學生解決復雜工程問題能力的培養[1]。本文以課程教學的開展與創新為主題探索新工科背景下計算機組成原理課程教學的新模式。

1?課程教學面臨的具體問題

計算機組成原理課程是計算機類專業學生的一門專業基礎必修課，以培養學生“利用工程化方法解決計算機等相關領域復雜問題的開發能力”為根本目標，從硬件的角度講述計算機的工作原理，運行機制和設計方法，建立硬件軟件協同一體的整機概念。

課程的先修課程包括數字電路技術和程序設計基礎。通過數字電路技術的學習，學生具備了基本的數字電路技術基礎，但是現代計算機內部的高度集成使得其內部結構和工作過程無法直觀感受，所以很多學生感覺課程內容抽象、難度大、學習興趣不高。通過程序設計基礎的學習，學生具備了高級語言程序設計與分析的基本能力，但是組成原理課程內容以計算機主要功能部件的工作原理為主線進行硬件知識的講解，學生難以建立高級語言與硬件構造的聯系，就業中硬件系統設計的相關崗位并不多，導致許多學生認為課程的實用性不強，重視程度不夠。傳統上課程內容的組織是以早期最簡單的計算機為模型，講解計算機系統的共性特征，因此給部分學生造成了教學內容陳舊、與實際應用脫節的印象。

系統能力培養是新工科計算機類專業建設和教育提升中首當其沖的重要內容[23]。系統能力培養的目標是讓學生站在不同層面上把握不同層次上的應用，理解計算機系統的整體性、關聯性，能夠用系統化方法，掌握計算機硬軟件協同工作及相互作用機制，全面考慮系統各部分及其與外界的邏輯與聯系，完成一定規模的系統設計的能力[4]。

針對教學中反映出來的問題，依據培養學生系統能力的思想，我校計算機組成原理課程組從硬件設計者、軟件設計者、系統普通用戶三個講授視角展開授課內容，讓學生在掌握計算機系統的外部特性、硬件工作原理基礎上，理解硬件與軟件之間的聯系，提升課程的實用性。授課中穿插介紹計算機組與體系結構中所用的各種新技術及其發展趨勢，拓寬學生視野，提升學習興趣。

2?課程教學目標分析

通過行業訪談以及與校內外專家的研討等手段，我們將畢業要求指標點進行了分析拆解，確定計算機組成原理課程的教學目標有以下內容：

（1）掌握現代數字計算機硬件系統的基本構成與工作原理，理解數值的機器表示與運算、存儲系統、指令系統、中央處理器、輸入輸出系統、總線的基本內容。

（2）能夠運用數據表示和運算方法、存儲結構、指令系統和CPU原理等知識對計算機系統設計方案和模型進行推理和驗證。

（3）能夠運用計算機的層次性結構、數據表示與運算方法等基礎理論對軟件工程領域問題進行設計、分析與驗證。

（4）通過組成原理相關知識的學習和研究，進一步了解計算機組成原理課程發展、開發標準和行業規范，培養在實際的工程問題中靈活應用的能力。課程目標和教學環節的對應關系如下表。

3?課程教學改革與創新

結合專業人才培養目標，以工程教育認證理念為指導，課程進行了以下幾方面的探索：

3.1?以成果為導向反向設計課程目標

將課程的根本目標從“講授計算機系統的基本組成、工作原理”轉變為“培養學生的系統思維能力”，使其可以從系統角度綜合考慮和解決復雜工程問題，對軟、硬件功能合理劃分、對系統不同層次抽象和封裝，能夠分別從軟件和硬件的角度對計算機執行指令的機制有所了解，并能利用了解到的軟件、硬件之間的對應關系來設計高效的應用程序，針對操作系統、編譯器等系統軟件的理解，具有系統整體性能分析和調優、用戶程序性能評估和優化等能力[5]。培養自主學習和終身學習的意識，使學生及時了解計算機組成與體系結構中所用的各種新技術及其發展趨勢。

以上課程目標在落實到教學實施中可以從知識、能力、素質方面歸結如下：

（1）知識目標。掌握計算機硬件系統的工作原理與基本邏輯結構，掌握計算機系統中的信息表示與基本運算，理解計算機系統運行機制和基本設計方法。

（2）能力目標。建立計算機系統層次化概念，能夠識別和判斷應用系統中的核心問題，能利用多種資源尋求解決方案進行正確表達，掌握系統分析、抽象、表達的基本方法;能夠針對特定計算機系統需求、可復用模塊或組件完成數據結構和算法的設計/硬件單元的設計，具備利用現代工程工具和信息技術工具探索實際工程中硬件系統設計與開發能力，具備理論聯系實際能力，能夠對硬件設計方案做出恰當的評價分析。具有良好的團隊協作精神，能夠在團隊中有效溝通交流完成所承擔的任務。

（3）素質目標。提升學生的學習興趣、工程素養，培養正確的生活、學習習慣，具備良好的身心素質;把知識傳授和理想信念、價值理念有效結合，將課程內容與我國計算機事業發展融會貫通，激發學生的愛國情操;通過工程項目實例的分析講解，培養求實創新的工作作風，理性處理問題與矛盾。將學生熟悉的軟件開發設計過程與課程的知識點緊密結合，引導學生理論聯系實際，做到學以致用;通過線上線下的導學討論，提升學生的自主學習能力和知識自主應用能力，具備不斷學習及適應發展的能力。

3.2?面向系統能力培養重構教學內容

結合課程特點與教學目標，在教學內容的組織上進行調整。保留原有的從硬件設計者的角度講授各功能部件的工作原理與互聯機制，讓學生能掌握計算機系統的基本原理、運行機制與設計方法。另一方面，從軟件開發者角度引導學生分析、體驗計算機底層硬件結構與程序執行正確性及程序執行性能之間的關系，強調軟硬件關聯協同，搭建硬件軟件的橋梁。例如，在進行高速緩存內容的講解中，以如何寫出讓CPU跑得更快的代碼為主題，從數據緩存和指令緩存兩方面來分析程序，綜合運用數據的物理存儲及排序優化程序提高cache命中率，有效提升代碼的執行速度。讓學生通過課程學習理解Cache的工作原理、設計思想的同時，理解軟硬件關聯協同的理念并能在實踐中靈活應用。

3.3?以學生為中心驅動教學進程

采用“互動、開放”的課堂形式，以問題為載體，教師采用啟發式教學方法，引導學生自己完成知識點到知識鏈的關聯，形成計算機組成原理系統觀和構造觀。

例如，在進行數據表示與運算的講解時，從硬件設計的角度引入補碼表示的必要性，引導學生分析計算機的計算能力與硬件設計的關系及其對程序設計的影響，使學生能掌握運算器的構造并能真正理解數據表示對軟件、硬件系統設計的影響。

3.4?以能力為指標科學考核設計

利用多形式、分階段考核等多樣化考核形式對學生的知識掌握和能力培養進行全面綜合評價。除了傳統的客觀性考核方法以外，引入課程討論、新技術演講交流、課程小論文等具有一定主觀性的考核方式，注重考核學生的創新能力、解決問題的能力、實踐能力。

3.5?智慧教學理念的引入與實施

借鑒優質網絡資源助力智慧學習。備課時參考融合超星平臺等提供的各種相應課件、錄像、慕課，課前為學生介紹提供豐富的參考資源并做相應指導，為學生建立自主導學的環境。利用采用多樣化教學組織引領智慧教學。通過上傳課件并查看學生預習情況預估講授重點、通過“打卡”進行課堂簽到、“投票提問”課堂專注度分析等形式增加課堂管控能力。

設計面向思維培養的教學內容指導個性化培養。利用超星平臺的學習監控數據，根據學生在平臺上的預習與前測情況掌握學生學習風格與認知水平，針對課程核心內容設計不同梯度的問題，課程內容分為基礎、進階、選學，引導學生從記憶、理解層面過渡到運用分析、綜合評價層面。

采用智能化多元化評價具有思維含量的學習成果。利用網絡平臺上對學生的學習參與度、章節測驗等對學生知識掌握情況進行階段性考核。在教學平臺上傳并批改作業，一般知識性作業由平臺直接批改解析，高階問題開展限時討論并由教師總結。部分設計類題目由學生將自己的作業上傳到平臺，學生之間互評，以實現課后反思與提高。教師根據學生綜合表現形成評價結果。

4?教學設計

4.1?問題引導，激發學習興趣

在內容講授中以學生感興趣的實際問題出發，例如，在介紹緩存技術時從“U盤安全刪除”這個主題，引出緩存的概念，在講授之前就抓住學生的注意力，引起他們聽講的興趣。在講授之后提出根據緩存的特性進行程序優化以及緩存技術在操作系統和Web中的應用，讓學生在鞏固課堂學習內容的基礎上思考所學內容在應用中的轉化，實現從知識的被動學習到主動應用。

4.2?情景展開，串聯知識架構

把各個章節獨立的授課內容與計算機工作過程相聯系，從工作過程關聯到系統設計，自動形成該計算機組成的整體框架結構。按照課程內容組織，為每個章節設計主題情節。例如，在高速緩存講授中，以提高CPU執行效率為主線安排教學內容，講授cache的工作原理、讀寫過程，分析計算機中的數據表、指令執行對存儲系統的限制與關聯，使得獨立的單元授課內容統一到整機系統的大概念中。

4.3?進階任務，強化分析問題能力

為每次課程的主題設計進階式任務，引導學生自主分析、解決，創造“闖關式”教學環節的推進。例如，在提升存儲系統效率這一主題中，通過師生互動由淺入深講解，引導學生從采用高性能器件到改進存儲系統結構，分析存儲系統結構改進對CPU的設計與指令執行的關聯，逐步分級知識點，學會應用基本原理，識別表達通復雜工程問題，并設計可行的解決方案。

4.4?啟發式討論，激發創新性思維

為每個課程主題設置相關討論議題，讓學生在課后進行發散式討論，課后形成書面材料上交。選擇代表性問題在課上進行展示與辯論，培養學生撰寫報告和設計文稿、陳述發言與溝通的能力。全部課程結束后要求學生將所有討論議題和課程知識點對應，形成總結性材料。

4.5?課堂延展，完成知識到素養轉換

推薦布置與課程內容相關的影音資料等，為學有余力的學生提供閱讀參考材料。引導學生從趣味故事中學習背景知識，通過對比聯想進行思維挖掘，完成從方法到能力，從能力到思維的轉換。

結語

根據新工科理念，結合工程認證持續改進的理念，我們對計算機組成原理課程的教學內容以及教學過程的組織不斷改進。力求使學生在掌握通用的計算機基本組成和工作原理的基礎上，能識別、分析具體工程應用問題，具備基本的軟硬件協同設計、實現開發能力，為復雜工程問題的解決打好基礎。課程教學取得了一定的成效，學生對硬件課程的學習興趣有明顯提高，從課堂監控數據可以看到，學生出勤率、課堂參與度逐年提高，報名參加校級電子設計競賽、硬件比賽的學生比往年高出20%左右，兩組學生獲得了電子競賽省級一等獎，以軟硬件協同為主題的立項獲得省級以上大創項目3項。

參考文獻：

[1]李妍，孫冬璞，崔永利，董薇.新工科背景下計算機組成原理課程實踐教學的探索[J].中國現代教育裝備，2020（19）：4951+61.

[2]王志英，周興社，袁春風，等.計算機專業學生系統能力培養和系統課程體系設置研究[J].計算機教育，2013（9）：16.

[3]言十.新工科建設與系統能力培養[J].計算機教育，2018（7）：58.

[4]安鑫，胡學鋼，陳付龍，盧建良，李建華，陳田，張昱.面向系統能力培養的硬件類課程實踐體系構建[J].計算機教育，2020（05）：141146.

[5]黃嵐，呂春利，史銀雪，孫瑞志，袁剛，程新榮，劉云玲.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）：2602.

基金項目：本文得到吉林省高等教研教學改革研究課題“面向復雜工程問題的應用型本科院校計算機專業基礎課程群實踐教學體系探索”（SJXG2019033）的資助

作者簡介：張威（1974—?），女，漢族，吉林吉林人，博士，北華大學計算機科學技術學院教授，研究方向：圖像處理與模式識別、計算機教學與教育研究;胡曉宏（1969—?），女，漢族，吉林吉林人，碩士，北華大學計算機科學技術學院教授，研究方向：數字圖像處理及計算機教學與教育研究。