以計算機組成原理為核心的計算機硬件課程的建設與研究

陳 梟 譚慧敏

沈陽師范大學 遼寧沈陽 110034

1 概述

我國由于缺乏高端光刻機技術,在芯片制造領域短時間內還很難實現突破,特別是近些年在經濟全球化背景下,各國科技競爭加劇,高端芯片研發以及制造的競爭尤為激烈,我國在這一領域面臨的形勢更加嚴峻,迫切需要取得重大突破。高校作為相關專業人才的主要培養單位,需要為學生在校學習期間開設計算機硬件相關課程,幫助學生建立完整的計算機硬件知識體系和扎實的硬件知識基礎,為學生在以后的學習深造或從事相關工作做好準備[1]。

計算機組成原理是計算機相關專業的核心課程之一,該課程系統地介紹計算機的組成結構及各組成部分的工作原理,以培養學生硬件分析和設計的基本技能和方法為目標。這門課作為本科教學中計算機硬件相關課程中的重要核心課程,是學生建立完整硬件知識體系的關鍵,也是計算機相關專業學生考取碩士研究生全國統一命題或院校自主命題考試的必考科目。相較于其他專業課程,計算機組成原理課程內容更加側重于計算機底層結構和整體架構,對學生硬件先導課知識儲備以及綜合運用相關知識的能力要求也更高,這都使得學生很難在計算機組成原理課程學習過程中獲得成就感,乃至進一步失去了學習該課和其他硬件課程的興趣和動力。因此,如何調動學生學習積極性,打破當前計算機硬件課程學習的困境,是每一名從事相關課程教學工作的教師都應該深刻思考的問題[2-3]。

2 地方高校本科計算機硬件課程教學現狀分析

筆者作為地方高校一名計算機相關專業的專任教師,多年從事計算機專業基礎課教學工作,長期為軟件工程專業、計算機科學與技術專業本科生講授計算機組成原理、模擬電子技術、數字電子技術、電路等多門計算機硬件相關課程。為了更好地開展這些課程的教學工作,筆者在課下深入學習和調研了多所省內地方高校計算機和軟件工程相關專業的培養方案和課程的教學大綱,發現大多數高校都開設以下計算機硬件基礎課程中的一門或者幾門,這些課程包括:模擬電子技術、數字電子技術、計算機組成原理,但每所高校相關專業都至少開設了計算機組成原理這門課;也發現不同高校同一專業或者同一高校不同專業開設的課程數量存在差異,即使開設了同一門課程,為課程設置的教學學時也各有不同。下面以筆者工作單位——沈陽師范大學為例,詳細介紹當前本科相關專業培養方案中計算機硬件課程設置的現狀。

沈陽師范大學開設計算機相關專業的下級學院僅有軟件學院,學院開設的專業有軟件工程、網絡工程、計算機科學與技術三個專業,其中計算機科學與技術專業又在專業內部細化出三個專業方向,分別是嵌入式應用、商務數據分析、計算機師范。在這三個專業的培養方案中,軟件工程專業開設的硬件相關課程僅有計算機組成原理一門,網絡工程專業開設了模擬電子技術、數字電子技術、計算機組成原理三門硬件基礎課程,計算機科學與技術專業所有專業方向都開設了與網絡工程專業相同的三門硬件基礎課程,其中的嵌入式應用方向又為學生開設了其他幾門與嵌入式開發有關的專業方向課。這就使軟件工程專業的學生缺少模擬電子和數字電子技術這兩門先導課的有關知識,給該專業學生學習計算機組成原理這門課帶來很大的困擾。為了達到預期的教學效果,學校要求同一門課的學時設置必須是統一的,所以計算機組成原理這門課的總學時、理論授課學時、實踐授課學時在所有開設專業的培養方案中都是一樣的,這就使軟件工程專業學生很難在有限的學時獲得與其他專業相同的教學效果。解決這一問題的最簡單方法就是在軟件工程專業培養方案中加入模擬電子和數字電子技術兩門課,而這又會帶來新的問題。當前高校學生學習普遍采用學分制,每位學生達到本科畢業要求需要學習的學分是一定的,但不同專業之間需要學習的課程體系有很大的不同。軟件工程專業在開設專業必要的課程后,剩余可供硬件相關課程分配的學分極其有限。當然這樣的課程設置方式也是學院廣泛調研同層次高校軟件工程專業培養方案后確立的,所以其存在的問題也具有一定的典型性,在其他同層次高校軟件工程專業中也同樣存在這一問題。網絡工程和計算機科學與技術兩個專業將這三門硬件基礎課分別安排在了連續三個學期進行學習,時間跨度較大,學生很難獨立建立計算機硬件基礎知識體系。

基于以上計算機硬件課程教學現狀的分析,本文提出整合模擬電子技術、數字電子技術、計算機組成原理三門課程的內容,創建一門以計算機組成原理為核心的計算機硬件專業基礎課。該課程內容以計算機組成原理課程知識點為核心,輔以模擬電子技術和數字電子技術相關內容,打造全方位立體本科計算機硬件基礎知識體系。新課程的設立不但有利于學生打破傳統硬件課程間的邊界,將所學硬件知識融會貫通,也有利于學校和學院對計算機相關專業計算機硬件課程統一管理。本文接下來從理論教學設計、實踐教學設計、評價體系設計三個方面詳細闡述新課程的建設方案。

3 以計算機組成原理為核心的計算機硬件課程建設方案

3.1 理論教學設計

篇幅所限,本節以計算機組成原理課程重點章節——存儲系統一章中的半導體存儲器和存儲器的擴展兩個知識點為例,詳細介紹新課程理論教學設計內容。

3.1.1 半導體存儲器

半導體存儲器包括以靜態MOS存儲元為基本單元的靜態MOS存儲器、以動態MOS存儲元為基本單元的動態MOS存儲器和采用多種制造工藝的只讀存儲器。在這一小節的理論教學設計中,加入模擬電子技術課程中半導體基本概念、二極管和三極管的結構特性、電路特性;數字電子技術課程中半導體二極管、三極管、MOS管的開關特性,特別是含有電容器件的電路開關特性。通過以上先導課知識的講授,學生能夠更加透徹地理解和熟練掌握不同類型存儲器的讀寫操作方式及其重要特性。

3.1.2 存儲器的擴展

由于存儲芯片的容量及字長與目標存儲器的容量及字長之間可能存在差異,應用存儲芯片組成一定容量與字長的存儲器時,一般可采用位擴展、字擴展、字位同時擴展等方法。存儲器的擴展作為存儲系統這一章的重點和難點,在擴展過程中需要使用大量存儲芯片、基本邏輯門、譯碼器等相關元器件,其中涉及的基本邏輯門和譯碼器都是數字電子技術課程中的重要基礎知識。在新課程的實際教學過程中需要加入對這些知識的講解,而且最好在介紹基本邏輯門的同時進一步展開介紹復合邏輯門、集成邏輯門等;在介紹譯碼器時適當加入邏輯代數及其基本運算、邏輯函數代數化簡法和卡諾圖化簡法以及譯碼器的其他應用等相關內容。學生在學習完這些內容后,可以從根本上理解存儲器擴展中每個元器件的作用和設計原理。

通過對計算機組成原理課程所有知識點采用以上教學設計方式開展教學,學生可以對計算機硬件知識掌握得更加全面,也可以更好地將計算機硬件知識融會貫通,建立起跨越傳統硬件課程邊界的立體知識體系。

3.2 實踐教學設計

目前地方高校計算機硬件課程實踐教學普遍采用的方案主要有兩類:以硬件實驗箱為代表的硬件仿真和以logisim為代表的軟件仿真。其中硬件仿真被國內高校實踐教學采用的時間較早,該方案讓學生利用實際硬件完成所學理論知識的驗證和設計創新,通過實踐與理論相結合達到良好的學習效果,但也存在一些弊端,首先就是由于學生都是計算機硬件知識的初學者,在實踐教學過程中經常會由于一些誤操作導致硬件實驗箱元器件損壞,有時一個輪次的實踐教學就會有相當比例的硬件實驗箱損壞。如果不能及時更新維護,就會影響之后的教學實踐活動,較高頻次的更新維護也給辦學單位增加了人力和物力成本。軟件仿真被采用的時間相對較晚,其對實驗環境要求僅為普通計算機,仿真軟件的安裝和使用簡單,允許使用者反復修改硬件設計方案,特別是對學生來說試錯的成本很低,很快就得到大范圍的使用。

近年來,隨著教育部及省級有關部門提出在高等院校建設以“金課”為代表的高質量課程,線上線下混合教學模式這一新穎的教學模式由于兼顧二者的優勢在高校教學中被廣泛使用。傳統的線下教學模式中師生面對面進行教學活動,師生溝通及時順暢,本節討論的硬件仿真實踐教學非常適合采用這種教學模式,這是因為由于辦學成本、實踐場地、需要專業人員指導等因素的限制,學生很難在課下使用類似硬件實驗箱這類的實踐教學器材;而軟件仿真所需實驗條件要求不高,采用線上和線下教學模式都可以取得良好的教學效果,但線上教學模式可以使學生從時間、空間兩個方面更為靈活地完成實踐學習任務[4-5]。

通過以上對硬件課程中軟硬件仿真實施方案的利弊及其與線上線下教學模式結合的詳細分析,在以計算機組成原理為核心的計算機硬件課程理論教學設計的基礎上,提出在新課程的實踐教學環節中采用軟硬件仿真線上線下教學混合式實踐教學方法,即首先在線上平臺布置實踐任務,學生使用仿真軟件完成實踐任務的初設計,任課教師使用線上平臺指導學生反復修改并最終確定實驗方案,之后在線下實踐教學環節中利用硬件實驗設備對已有實驗方案進行驗證,這一教學方法基本符合實際硬件設計工作的實施流程,極大地提升學生在硬件相關專業領域的動手能力和創新能力。另外該方法充分利用已有的軟硬件仿真資源,也有利于辦學單位在短時間內快速實施。

3.3 評價體系設計

以計算機組成原理為核心的計算機硬件課程評價體系的評價指標由兩個部分組成:過程性評價和終結性評價,分別占總課程評價結果的40%和60%,過程性評價的組成可以包括但不限于學生的出勤情況、作業情況、課堂表現情況等,通過這樣的評價比重設置可以充分考查學生在整個學習過程中的總體情況,全面客觀地對學生課程學習成果給予評價,提升學生參與課程教學的積極性,有利于學生融入課堂、掌握知識,避免一次考試定成績的偶然性和片面性,盡量兼顧學生平時表現與考試結果兩個方面[6-7]。在參照已有課程理論教學和實踐教學設計的基礎上,評價體系又對應增加了以下幾個方面的設計:

(1)由于新課程的教學內容包含模擬電子技術、數字電子技術、計算機組成原理三門課程,那么需要根據以上三門課程中的每一門內容講授學時占新課程的百分比確定理論作業和實踐作業的數目以及相關內容在期末試卷考查題目所占分值。

(2)基于實踐教學內容的變化,將實踐教學考查內容細分為軟件仿真實踐環節和硬件仿真實踐環節兩部分,各占實踐教學環節過程性評價的50%。

以上的課程評價體系設計中涉及的相關數值不是一成不變的,可以根據每個輪次授課的具體內容和學時靈活設置。

在過去幾年的教學活動中,線上教學輔助平臺被廣泛應用,線上教學輔助平臺應用于課程評價相關環節可以將教師從簡單常規的日常統計工作中解放出來,節約有限的課堂教學時間,提升教師的工作效率,而平臺對于日常評價各個環節的記錄結果也有利于在課程結束時對學生進行過程性評價結果的計算、歸納和總結。評價結果在平臺上向學生全面公開,可以使學生直觀了解到自己的每一項過程性評價結果,有利于提升評價結果的公平性和可信度。線上平臺的數據統計功能幫助任課教師快速及時地獲得教學反饋,方便教師對接下來的教學過程進行調整[8]。本課程評價體系將線上教學平臺評價方式與傳統線下教師評價方式相結合,形成線上線下混合式課程評價體系,對適用于線上平臺布置完成的教學內容比如課前預習內容、課上小測驗、課后作業和實踐題目的布置,課堂上的出勤簽到等采用平臺和教師在線上結合評價的方式,而類似于學生課堂表現這類主觀性比較強的評價指標采用教師線下記錄的方式[9]。本課程評價體系包含線上教學平臺、任課教師、學生多個主體,過程性評價和終結性評價多個評價指標,兼顧線上線下評價方式,可為上文提出的理論教學和實踐教學創新提供有力的輔助和支撐。通過為學生的學習過程給出一個全面客觀的評價結果,有效促進課程教學工作的開展。

結語

本文針對地方高校計算機相關專業計算機硬件課程設置中存在的一些問題提出了以計算機組成原理課程為核心的新硬件課程,并分別從課程的理論教學、實踐教學、評價體系三個方面進行了創新性的教學改革和研究,希望通過該課程的實際教學幫助學生打造一個完整立體的計算機硬件知識體系,提升學生在計算機硬件方面的專業素養,為學生今后的學習深造以及實際工作打下良好的基礎。該課程的實際教學過程和學生反饋結果表明,學生對于課程知識的理解和掌握有了明顯的改善和提升,激發了學生學習相關課程的興趣,學生課堂參與度大幅提升,獲得了令人滿意的教學效果。