“新工科”背景下《計(jì)算機(jī)組成原理》教學(xué)改革探索

李忠金，汪啟航

（杭州電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，浙江 杭州)

一 引言

《計(jì)算機(jī)組成原理》課程是一門計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生必須掌握的核心基礎(chǔ)課程，并且是一門偏低層硬件的課程。不僅需要學(xué)生學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)，還需要學(xué)會(huì)實(shí)踐操作，理解計(jì)算機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、各部件功能以及怎樣協(xié)調(diào)整體運(yùn)作，這樣才能對(duì)計(jì)算機(jī)整體體系有充分的理解。本文針對(duì)目前《計(jì)算機(jī)組成原理》課程的一些教學(xué)問題進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。使得老師可以更好地把握教學(xué)重難點(diǎn)，展開高效合理的教學(xué)，也更能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，更好掌握課程內(nèi)容，增強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手能力。

二 《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教學(xué)現(xiàn)狀

（一） 課程內(nèi)容多

課程內(nèi)容展開介紹整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并且不同結(jié)構(gòu)如運(yùn)算器和存儲(chǔ)器的原理以及設(shè)計(jì)思路又完全不同，而且整個(gè)知識(shí)體系龐大，涉及知識(shí)范圍廣，這也讓老師和學(xué)生都難以把握教學(xué)的重點(diǎn)[1]。此外《計(jì)算機(jī)組成原理》以數(shù)字電路、模擬電路的偏硬件知識(shí)作為基礎(chǔ)[2]，而這些前導(dǎo)課程難度也是比較大的，學(xué)生掌握程度往往也沒有那么理想，這也是讓學(xué)生畏懼該門課的原因之一。

（二） 課程難度大

該課程介紹的是計(jì)算機(jī)底層硬件的知識(shí)，比如指令系統(tǒng)、微程序控制、硬布線等知識(shí)都比較抽象。教師在授課時(shí)往往很難以形象生動(dòng)地表達(dá)方式讓學(xué)生理解，加之其邏輯性、思維性要求高，有許多的知識(shí)點(diǎn)又需要識(shí)記。所以很容易讓學(xué)生覺得該課程枯燥無趣、晦澀難懂，從而產(chǎn)生畏懼心理[3-4]。

（三） 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)薄弱

《計(jì)算機(jī)組成原理》除了理論知識(shí)的講解，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是其必不可少的環(huán)節(jié)[5]。在該課程內(nèi)容紛繁復(fù)雜、抽象難懂的情況下，學(xué)生們通過自己實(shí)際動(dòng)手實(shí)踐操作、驗(yàn)證、設(shè)計(jì)流程和觀察結(jié)果，以此能激發(fā)自身學(xué)習(xí)興趣，與課堂上所學(xué)的理論基礎(chǔ)相結(jié)合，從而更好地掌握該課程的知識(shí)點(diǎn)[6-7]。但是當(dāng)下教學(xué)由于課時(shí)緊張、實(shí)驗(yàn)設(shè)備問題，老師通常只設(shè)計(jì)了幾個(gè)簡(jiǎn)單的小實(shí)驗(yàn)并且通常配有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，讓學(xué)生照貓畫虎完成即可。這不僅使學(xué)生難以理解其中原理，而且弱化了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐創(chuàng)新能力。

（四） 教材沒有與時(shí)俱進(jìn)

計(jì)算機(jī)是一門飛速發(fā)展的學(xué)科，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也在時(shí)代發(fā)展中與之前有所不同。然而，目前大多數(shù)高校所用的《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教材還是多年以前所撰寫的，如果完全按照教材進(jìn)行教學(xué)，那可能在有些地方會(huì)與時(shí)代脫節(jié)，給學(xué)生造成困惑。

三 《計(jì)算機(jī)組成原理》教學(xué)改革方案

（一） 教學(xué)過程中突出重點(diǎn)、講透難點(diǎn)

由于《計(jì)算機(jī)組成原理》的內(nèi)容非常多，如果老師在教學(xué)過程中面面俱到，羅列知識(shí)點(diǎn)，那么不僅課時(shí)不允許，學(xué)生也把握不了重點(diǎn)，理解也不夠深刻，只能為了考試去死記硬背。然而對(duì)于像《計(jì)算機(jī)組成原理》這樣邏輯性強(qiáng)的工科課程，死記硬背是掌握不了的。

《計(jì)算機(jī)組成原理》課程的重點(diǎn)在于計(jì)算機(jī)的基本組成部件的構(gòu)成、組織方式以及工作原理。此外還應(yīng)注重讓學(xué)生理解部件單元設(shè)計(jì)思想以及如何構(gòu)成完整的整機(jī)的原理。難點(diǎn)也在于此，需要幫助學(xué)生理解如何以控制流和數(shù)據(jù)流為主線，將計(jì)算機(jī)的各大部件聯(lián)系起來，建立整機(jī)概念。如何將難點(diǎn)講清楚，讓學(xué)生理解可能是我們遇到最大的難題了。在平時(shí)的理論課堂上，不要光按照教材講原理，可以通過生活中的例子，比如在講尋址方式時(shí)，可以類比成生活中的找東西，直接尋址是你知道放在哪里、可以直接找到，間接尋址是你只知道某個(gè)人知道東西的位置，你得去找那個(gè)人獲取位置信息，再根據(jù)這個(gè)位置信息去找。再如數(shù)據(jù)通路越寬則數(shù)據(jù)傳輸率越高[8], 但成本也會(huì)越高，可類比為馬路寬度越寬，能通行的車輛也就越多，但是馬路造價(jià)也更高。這樣來啟發(fā)學(xué)生，可以加快學(xué)生理解，并且記憶也更加深刻。

（二） 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力

對(duì)于《計(jì)算機(jī)組成原理》這門課只有實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)相輔相成，共同實(shí)施才能有利于學(xué)生真正掌握。目前大多數(shù)高校對(duì)于《計(jì)算機(jī)組成原理》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不夠重視，弱化實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，甚至將答案事先告訴學(xué)生，學(xué)生只需依樣畫瓢走個(gè)過程，實(shí)驗(yàn)的分?jǐn)?shù)就拿到了。然而這樣并不足以讓學(xué)生深入了解計(jì)算機(jī)組成原理的內(nèi)在邏輯，還會(huì)弱化學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，慢慢地使學(xué)生不善于實(shí)踐，不善于思考，最后懶于去實(shí)踐思考。

實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)將計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)部件原理貫穿始終，遵循由易到難的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)置。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)采用啟發(fā)式教學(xué)方式，而不應(yīng)該直接演示告知答案。目前的《計(jì)算機(jī)組成原理》教學(xué)實(shí)驗(yàn)均是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，甚至很多老師直接將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書發(fā)給學(xué)生，只要設(shè)備沒問題，跟著步驟做，實(shí)驗(yàn)基本都能完成，雖然實(shí)驗(yàn)在一定程度上對(duì)理解計(jì)算機(jī)各功能部件的工作原理有所幫助。但是依葫蘆畫瓢是很難掌握這些硬件的設(shè)計(jì)及其原理的，尤其是有些實(shí)驗(yàn)的硬件是固定設(shè)計(jì)好的，就像黑匣子一樣，光是按著指導(dǎo)步驟是很難掌握內(nèi)在結(jié)構(gòu)的。此外由于每次實(shí)驗(yàn)時(shí)間緊張，導(dǎo)致稍微復(fù)雜一點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)少有學(xué)生能夠完成，比如：微程序控制器實(shí)驗(yàn)和基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。這樣的實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生了解計(jì)算機(jī)內(nèi)部件的原理以及分析問題、解決問題能力收效甚微[9]。所以老師應(yīng)在平時(shí)課堂上與學(xué)生們將實(shí)驗(yàn)原理大致思路共同理清，并讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前先做好準(zhǔn)備，自己寫下大致的實(shí)驗(yàn)邏輯步驟，這樣在實(shí)踐教學(xué)中才能讓學(xué)生有所收獲。此外還應(yīng)根據(jù)學(xué)生掌握情況，改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，可設(shè)計(jì)一些綜合性、開放性的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)然這類實(shí)驗(yàn)難度通常較大，可以讓學(xué)生組隊(duì)完成，并且加以指導(dǎo)和幫助。

（三） 建立與其它計(jì)算機(jī)課程的聯(lián)系

《計(jì)算機(jī)組成原理》是高校計(jì)算機(jī)專業(yè)課程中為數(shù)不多偏向硬件的課程，但這并不意味著它應(yīng)該與其他計(jì)算機(jī)課程相分離。為了幫助學(xué)生建立起完整的計(jì)算機(jī)學(xué)科體系架構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)綜合分析能力，在授課過程中應(yīng)將該課程與其他計(jì)算機(jī)課程相聯(lián)系，體現(xiàn)軟硬件協(xié)同思想[10]。

與程序語言相結(jié)合：學(xué)生在編寫高級(jí)程序語言時(shí)應(yīng)注意數(shù)據(jù)類型、存儲(chǔ)方式等等這些都是計(jì)算機(jī)組成原理的相關(guān)知識(shí)，兩者結(jié)合起來學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生更好地理解，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生軟硬件結(jié)合能力。

與操作系統(tǒng)相結(jié)合：兩門課程都會(huì)介紹存儲(chǔ)系統(tǒng)的知識(shí)：Cache、TLB、地址轉(zhuǎn)換等等。此時(shí)這兩門課就不可能分離開，應(yīng)讓學(xué)生清楚哪些功能是由計(jì)算機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)的，哪些功能是由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。

與編譯原理相結(jié)合：程序編譯是將高級(jí)的程序語言轉(zhuǎn)化為機(jī)器能夠執(zhí)行的代碼，稱為機(jī)器級(jí)代碼。《計(jì)算機(jī)組成原理》的課程就是涉及計(jì)算機(jī)底層硬部件，與如何處理機(jī)器級(jí)代碼有關(guān)，而編譯原理所涉及的就是將高級(jí)程序性語言翻譯成機(jī)器語言，兩門課均與程序在計(jì)算機(jī)中如何執(zhí)行息息相關(guān)，且呈上下對(duì)接關(guān)系，所以在課程中可以適當(dāng)將兩門課結(jié)合起來，讓學(xué)生有整體的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概念。

（四） 課程導(dǎo)學(xué)，翻轉(zhuǎn)課堂

如果一味地在平時(shí)課堂上老師講課、學(xué)生在下面聽課，這樣很多學(xué)生其實(shí)并不能夠理解消化課程知識(shí)，尤其是一些比較難懂的知識(shí)點(diǎn)。而《計(jì)算機(jī)組成原理》這門課程前后知識(shí)點(diǎn)連接緊密，前面的知識(shí)不理解就會(huì)影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，慢慢地很多學(xué)生就失去了上課的興趣，從而形成惡性循環(huán)，那這門課自然也就學(xué)不好了。所以在當(dāng)下的教學(xué)中我們還需要對(duì)課堂的教學(xué)模式進(jìn)行改進(jìn)。

在當(dāng)今的信息時(shí)代下，網(wǎng)絡(luò)上也有許多教學(xué)資源，當(dāng)然，老師需要對(duì)此進(jìn)行篩選，或者自己錄制教學(xué)視頻保證網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的質(zhì)量。我們可以利用這些教學(xué)資源，在課前給學(xué)生一到兩個(gè)有關(guān)下堂課的問題，讓學(xué)生先利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源去了解學(xué)習(xí)。這樣的導(dǎo)向性學(xué)習(xí)可以解決學(xué)生在課堂上只能迷茫聽課的問題，在課堂上學(xué)生可以根據(jù)自己課前所學(xué)對(duì)不懂的知識(shí)點(diǎn)向老師提問，這樣老師就能對(duì)癥下藥，知道哪些內(nèi)容是學(xué)生難以理解，需要在課上重點(diǎn)講解的。在課后，可以適當(dāng)?shù)刈寣W(xué)生完成有關(guān)本節(jié)課核心知識(shí)點(diǎn)的一些習(xí)題，習(xí)題設(shè)置要帶有啟發(fā)性、思考性，針對(duì)理論課教學(xué)中一些比較抽象的或者容易混淆的基本概念和基本原理設(shè)計(jì)課后習(xí)題；或者根據(jù)由一些理論而延伸的應(yīng)用設(shè)計(jì)習(xí)題。如果學(xué)生在課上對(duì)某些知識(shí)點(diǎn)不理解，可以回看教學(xué)視頻進(jìn)行鞏固。這樣的教學(xué)模式增加了課堂互動(dòng)，使課堂以學(xué)生為主導(dǎo)，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，相比以前的滿堂灌式的教學(xué)一定能取得更好的效果。

（五） 聯(lián)系實(shí)際，與時(shí)俱進(jìn)

課程除了要注重以馮·諾依曼計(jì)算機(jī)模型為主線展開教學(xué)，還要注意聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用，融入當(dāng)代的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。雖然馮·諾依曼結(jié)構(gòu)是經(jīng)典模型，但計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展并不是一成不變的，現(xiàn)在許多計(jì)算機(jī)內(nèi)部功能部件都已經(jīng)做了改進(jìn)，與教材有所不同了，所以教學(xué)要與時(shí)俱進(jìn)，讓學(xué)生在將來的實(shí)際應(yīng)用中能真正運(yùn)用所學(xué)知識(shí)。

（六） 課程成績(jī)考核

目前高校該門課程的考核通常由三大部分組成：平時(shí)上課情況、實(shí)驗(yàn)成績(jī)、期末考試成績(jī)。但是到了最后，學(xué)生成績(jī)高低主要還是來源于期末考試高低，而最后期末考試很多學(xué)生通常突擊復(fù)習(xí)，背八股文來應(yīng)付考試。長(zhǎng)此以往學(xué)生會(huì)忽視平時(shí)的學(xué)習(xí)，這樣不利于該門課程的教學(xué)。在平時(shí)上課老師可以適當(dāng)布置作業(yè)或者小測(cè)驗(yàn)來檢測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，讓學(xué)生在平時(shí)上課重視起來。此外可以適當(dāng)降低期末考試成績(jī)占比，比如增加課程大作業(yè)，讓學(xué)生完成一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，以此來考核學(xué)生，這樣可以促使學(xué)生在平時(shí)重視該門課程的學(xué)習(xí)，更好地掌握好課程內(nèi)容，這樣也就自然而然能取得好成績(jī)了。表1給出了具體的考核方式。

表1 課程考核方式

（七） 學(xué)生教學(xué)反饋評(píng)價(jià)

教學(xué)改革的道路肯定是曲折前進(jìn)的，所以在這過程中肯定還是存在很多問題的，如果只是教師不斷對(duì)教學(xué)進(jìn)行改革探索，那必然是不夠的，這是需要學(xué)生參與進(jìn)來的。我們可以在學(xué)期末，讓學(xué)生匿名填寫一份教學(xué)反饋評(píng)價(jià)，由學(xué)生來指出教學(xué)中值得肯定以及需要改進(jìn)之處。這樣才能在一步步教學(xué)改革中做到取其精華，去其糟粕。

四 結(jié)語

教學(xué)是老師與學(xué)生雙方的事情，老師不能只是一味按照教材講課，不管學(xué)生掌握情況，只有了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，才能更好地展開教學(xué)。針對(duì)《計(jì)算機(jī)組成原理》這門課程，老師應(yīng)把握課程重難點(diǎn)，翻轉(zhuǎn)課堂，多與學(xué)生互動(dòng)，了解學(xué)生掌握情況，對(duì)學(xué)生掌握不足之處重點(diǎn)講解。同時(shí)需要將理論與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，與時(shí)俱進(jìn)，與其它計(jì)算機(jī)專業(yè)課程相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)的動(dòng)手能力以及綜合能力。