董再秀,溫衛(wèi)敏,趙 亮

（滁州學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系,安徽滁州 239000）

“計算機(jī)組成原理”課程教學(xué)改革與實踐

董再秀,溫衛(wèi)敏,趙 亮

（滁州學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系,安徽滁州 239000）

針對“計算機(jī)組成原理”課程教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問題,結(jié)合教學(xué)實際,圍繞教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實驗教學(xué)幾個環(huán)節(jié)的改革措施做了深入研究。實踐表明,這些措施提高了“計算機(jī)組成原理”課程教學(xué)質(zhì)量,順應(yīng)了應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求,收到了良好教學(xué)效果。

計算機(jī)組成原理;教學(xué)效果;創(chuàng)新能力

1 引言

計算機(jī)組成原理是計算機(jī)及相關(guān)專業(yè)本科生的主干核心課程,是專業(yè)必修的基礎(chǔ)課,它在專業(yè)教學(xué)計劃中起著承上啟下的作用。同時,作為計算機(jī)硬件課程體系中鋪路的基石,需要為后續(xù)課程如微機(jī)原理、接口技術(shù)、單片機(jī)開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)以及計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等課程打?qū)嵒A(chǔ)。

2 計算機(jī)組成原理課程教學(xué)現(xiàn)狀和存在問題

課程講授的是計算機(jī)組成中運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入輸出系統(tǒng)五大主要功能部件的結(jié)構(gòu)、工作原理及其互連構(gòu)成整機(jī)的方式。課程在大學(xué)二年級上學(xué)期為學(xué)生開設(shè),采用3課時/周（理論）+1課時/周（實驗）形式,共需16周完成教學(xué)任務(wù)。從幾年教學(xué)情況來看,課程教學(xué)中遇到了一些問題,如:

（1）課程理論性較強(qiáng),覆蓋范圍廣,知識點難度大;

（2）計算機(jī)內(nèi)部高度集成化,所講授的電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都封裝在集成芯片內(nèi)部,很抽象,不容易接收;

（3）計算機(jī)的新知識新技術(shù)不斷推陳出新,變化很快,課程講授的基本理論知識點離新技術(shù)有很大距離,讓學(xué)生感覺所學(xué)知識過于陳舊;

（4）實踐教學(xué)相對落后,達(dá)不到設(shè)計計算機(jī)部件的目的,更談不上實踐創(chuàng)新;

（5）高校的計算機(jī)教育中又普遍存在“重軟件、輕硬件”的傾向,學(xué)生對硬件類課程不是很感興趣、不重視等等。

隨著以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的課程群建設(shè)發(fā)展,這些問題就暴露的更加明顯,課程教學(xué)改革已經(jīng)迫在眉睫。本文就筆者在課程教學(xué)過程中的實踐心得,從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實驗教學(xué)幾個方面進(jìn)行了分析,提出了教改建議和方法。

3 計算機(jī)組成原理課程教學(xué)改革方案

3.1 準(zhǔn)確定位教學(xué)目標(biāo)

調(diào)研課程學(xué)習(xí)重要性,修訂教學(xué)大綱,準(zhǔn)確定位教學(xué)目標(biāo)。通過廣泛調(diào)查,聽取專業(yè)課教師意見,研究專業(yè)教學(xué)計劃,跟蹤調(diào)研學(xué)生學(xué)習(xí)過程后得出學(xué)習(xí)本門課程任務(wù)。一是打好專業(yè)基礎(chǔ)知識,為后續(xù)課程做鋪墊;二是準(zhǔn)備參加研究生入學(xué)考試;三是在計算機(jī)硬件方向發(fā)展,從事硬件方面工作。因此要求教學(xué)做到理論和實踐相結(jié)合,不僅要將理論知識解釋透徹,而且還要能解決實際問題。在教學(xué)大綱中就要提出如下目標(biāo):

（1）理解單處理器計算機(jī)系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)以及相互連接方式,具有完整的計算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念。

（2）理解計算機(jī)系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)概念,熟悉硬件與軟件之間的界面,掌握指令集體系結(jié)構(gòu)的基本知識和基本實現(xiàn)方法。

（3）能夠運(yùn)用計算機(jī)組成的基本原理和基本方法,對有關(guān)計算機(jī)硬件系統(tǒng)中的理論和實際問題進(jìn)行計算、分析,并能對一些基本部件進(jìn)行簡單設(shè)計[1]。

接下來的教學(xué)內(nèi)容圍繞教學(xué)目標(biāo)來開展,著重培養(yǎng)學(xué)生計算機(jī)硬件系統(tǒng)方面的3種能力:即計算機(jī)硬件系統(tǒng)的認(rèn)知能力、設(shè)計能力與創(chuàng)新能力[2]。

3.2 合理組織教學(xué)內(nèi)容

依據(jù)教學(xué)大綱,對教學(xué)內(nèi)容分類,把握重點,突破難點。哪些內(nèi)容應(yīng)當(dāng)精講、哪些內(nèi)容應(yīng)該細(xì)講、哪些應(yīng)當(dāng)擴(kuò)展,授課教師一定要熟練,做到心中有數(shù)。以計算機(jī)五大部件內(nèi)容為主線,重點講述運(yùn)算器的運(yùn)算方法及組成;主存儲器和高速緩沖存儲器的構(gòu)成及工作原理;I/O接口和I/O設(shè)備與主機(jī)信息傳送的控制方式;CPU中微程序控制器的機(jī)理和設(shè)計方法。在有限的課時內(nèi),通過重點知識的講解,就能夠掌握計算機(jī)功能部件結(jié)構(gòu)、組成,在整機(jī)中的作用,以及被分配的任務(wù),達(dá)到對計算機(jī)系統(tǒng)認(rèn)知的能力。

除此之外,像計算機(jī)發(fā)展與應(yīng)用,磁盤存儲器的記錄格式、磁帶存儲器和I/O設(shè)備的自身結(jié)構(gòu)等內(nèi)容都安排學(xué)生通過自學(xué)的形式完成;有部分內(nèi)容如循環(huán)冗余校驗碼,定點運(yùn)算中原碼和補(bǔ)碼兩位乘法,以及浮點乘除運(yùn)算中階碼采用移碼運(yùn)算規(guī)則等等,鼓勵學(xué)生先自己學(xué)習(xí)再以課后討論的形式進(jìn)行;還有部分內(nèi)容如ALU電路和進(jìn)位鏈在前修課程數(shù)字邏輯中已出現(xiàn),指令系統(tǒng)中尋址方式和指令種類在匯編語言程序設(shè)計課程中學(xué)習(xí)過了,就可以讓學(xué)生自己總結(jié),記錄在筆記中。

3.3 改進(jìn)教學(xué)方法

3.3.1 優(yōu)選教材及配套的教學(xué)資料

涉及計算機(jī)硬件的第一門課程,懷著對計算機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理神秘又好奇的同時,也帶有很大的畏難情緒。所以要選一本好的教材來陪伴他們學(xué)習(xí)本門課程。這個教材應(yīng)該具有一定的權(quán)威性,內(nèi)容貼近教學(xué)大綱;邏輯順序安排合理既能總領(lǐng)系統(tǒng)又能落實到細(xì)節(jié),適合初學(xué)者由淺入深、循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí);最好還要有完善的教輔配套,便于課后學(xué)習(xí)。據(jù)此,選擇了高等教育出版社唐碩飛主編的《計算機(jī)組成原理》。這本書比較適合教與學(xué),采用從整體框架入手,自頂向下、由表入里、層層細(xì)化的敘述方法;突出介紹計算機(jī)組成的一般原理,不結(jié)合任何具體機(jī)型,采用自頂向下的分析方法,詳述計算機(jī)組成原理,使讀者更容易形成計算機(jī)的整機(jī)概念[3],同時它也是碩士研究生入學(xué)統(tǒng)考的專業(yè)參考書目。

為學(xué)生選一本好教材,其實也是為教師選了一本好教材,讓教學(xué)內(nèi)容通過教材先傳遞給了學(xué)生,拉近了教與學(xué)的關(guān)系。配套的教材課件、習(xí)題庫、實驗指導(dǎo)等材料及時通過教學(xué)網(wǎng)站發(fā)布,讓學(xué)生能第一時間從網(wǎng)絡(luò)上下載和學(xué)習(xí)。

3.3.2 引導(dǎo)和理順課程脈絡(luò)

在開始課程內(nèi)容之前,先為本門課程講授一次本課程的“導(dǎo)論”,選擇在第一節(jié)課。增加“導(dǎo)論”目的是引導(dǎo)學(xué)生理順課程脈絡(luò)。在第一節(jié)課上要向?qū)W生講解本門課的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)任務(wù)、先修和后續(xù)課程的關(guān)系以及學(xué)習(xí)方法。前導(dǎo)的硬件課程學(xué)習(xí)使同學(xué)們了解計算機(jī)硬件最底層的物理結(jié)構(gòu)、基本的電子元件和數(shù)字電路;“計算機(jī)組成原理”是站在一個較高的角度講授各種計算機(jī)共同的基本原理,為學(xué)習(xí)具體機(jī)型打好基礎(chǔ);而后繼課程“微機(jī)原理與接口技術(shù)”、“單片機(jī)開發(fā)”講的是某種具體機(jī)型的工作原理和應(yīng)用開發(fā)。課程知識之間的銜接和過渡,知識之間的貫穿、聯(lián)系給學(xué)生講清楚,為他們理清思路,省去云里霧里的混亂,只有這樣同學(xué)們才能在大腦里形成一個嚴(yán)密完整、一環(huán)扣一環(huán)的硬件體系[4]。

3.3.3 開展拓展性教學(xué),調(diào)動學(xué)習(xí)積極性

教學(xué)內(nèi)容要結(jié)合新技術(shù),不能僅僅局限于教材。要開展拓展性教學(xué),不斷更新知識結(jié)構(gòu),把新知識融合到要講授的課程中。只有這樣才能改變傳統(tǒng)教學(xué)弊端,才不會讓學(xué)生覺得所學(xué)知識陳舊,離現(xiàn)實很遠(yuǎn)。在教學(xué)的每一環(huán)節(jié),都盡可能的補(bǔ)充一些當(dāng)前最新技術(shù)和產(chǎn)品的介紹,解決實際問題。讓學(xué)生不但能在該課程中學(xué)習(xí)到理論知識,還能開闊眼界并學(xué)習(xí)到實用的知識,從而有效提高學(xué)習(xí)積極性[2]。同時還要繼續(xù)引導(dǎo)發(fā)揮學(xué)生自身能動性,培養(yǎng)科學(xué)研究精神,使其主動學(xué)習(xí)、主動思考、主動探索、主動實踐,實現(xiàn)將學(xué)習(xí)、研究、實踐有機(jī)結(jié)合。

3.4 提高實驗效果,培養(yǎng)創(chuàng)新能力

因?qū)嶒灄l件限制,以前開設(shè)的計算機(jī)組成原理實驗內(nèi)容大部分為驗證型。教師先講解實驗內(nèi)容和原理,然后學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書連線,完成搭建電路,最后進(jìn)行調(diào)試驗證結(jié)果。教學(xué)用的實驗箱,實驗環(huán)境封裝較好,設(shè)備操作簡單,很容易做出結(jié)果。做完實驗,學(xué)生卻有很多困惑,不太明白“為什么要這樣連線”、“連的到底是什么部件”、“為什么要撥這個開關(guān)鍵”等等,所有實驗器件都封裝在了實驗箱里,里面用到的每個芯片的功能及工作邏輯都不能深究,他們要做的只關(guān)心最后的實驗結(jié)果。實驗教學(xué)體系的落后,起不到配合理論教學(xué)的作用,也談不上培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計能力、創(chuàng)新能力了。

3.4.1 引入EDA技術(shù)豐富實驗內(nèi)容

EDA即電子設(shè)計自動化,在電子設(shè)計領(lǐng)域有著非重要的應(yīng)用。近年來各高校逐漸將EDA技術(shù)引入計算機(jī)組成原理實驗課教學(xué)中。學(xué)生要先掌握VHDL硬件描述語言,然后利用FPGA廠商提供的軟件設(shè)計和綜合工具進(jìn)行計算機(jī)部件的設(shè)計、仿真和調(diào)試,完成計算機(jī)組成部件的設(shè)計任務(wù)。例如,做一個8位ALU設(shè)計實驗,支持基本的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。最好能夠再結(jié)合開發(fā)板或可以進(jìn)行 EDA設(shè)計的實驗箱,可以下載到硬件上測試,做到真正的軟硬結(jié)合。將EDA仿真引入到組成原理的設(shè)計性實驗中不僅豐富了實驗內(nèi)容、方法和手段,提高了實驗效率,而且也使學(xué)生接觸到現(xiàn)代電子設(shè)計的新方法、新手段,更能激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性[5]。

3.4.2 因材施教,開展多樣化實踐形式

每個學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實踐能力以及創(chuàng)新能力都是不相同的。實驗內(nèi)容如以簡單基礎(chǔ)的驗證和設(shè)計為主的話,不利于能力較強(qiáng)的同學(xué)發(fā)展;實驗內(nèi)容偏難、綜合性偏強(qiáng)的話,可能有大部分同學(xué)都完成不了,這樣的實驗效果不太好。要針對不同的學(xué)生開展多樣的實驗教學(xué)。打破以往“計算機(jī)組成原理”課程理論講授配合少量實驗的單一形式,增加課程設(shè)計、開放實驗項目和畢業(yè)設(shè)計等多個實踐環(huán)節(jié),實現(xiàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的多樣化[6]。

課堂實驗教學(xué)分三個階段。第一階段以所有同學(xué)參與的部件操作實驗為基礎(chǔ),培養(yǎng)基本技能。第二階段為部件設(shè)計,為課程設(shè)計做準(zhǔn)備。第三階段,完成計算機(jī)系統(tǒng)整機(jī)設(shè)計的課程設(shè)計。參考實驗內(nèi)容如下表1所示。

表1 參考實驗項目

同時對學(xué)有余力的同學(xué)再鼓勵參加開放性實驗項目,并在教師引導(dǎo)下進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí),像進(jìn)一步學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、機(jī)器人控制技術(shù)等。以組織參加比賽和大學(xué)生實踐創(chuàng)新項目的形式開展,效果非常好,近兩年來開展此項活動,連續(xù)在省單片機(jī)比賽、機(jī)器人比賽中獲得好成績。在畢業(yè)設(shè)計中也在慢慢摸索,希望學(xué)生能夠做結(jié)合 EDA、計算機(jī)組成原理、計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)字電路、硬件描述語言等學(xué)科知識的題目。

4 結(jié)束語

作為應(yīng)用型本科院校,關(guān)注的是培養(yǎng)的人才在社會發(fā)展洪流中的競爭力。從目前就業(yè)市場來看,計算機(jī)軟件方面人才比較多,硬件方面人才很缺乏,所以掌握計算機(jī)硬件的理論與實踐應(yīng)用將有很好的就業(yè)前景。計算機(jī)組成原理作為計算機(jī)系列教學(xué)中的核心課程,作為硬件發(fā)展方向的基石,提高課程教學(xué)質(zhì)量,真正培養(yǎng)學(xué)生對計算機(jī)硬件系統(tǒng)的認(rèn)知能力、設(shè)計能力與創(chuàng)新能力。

[1] 教育部考試中心.全國碩士研究生入學(xué)統(tǒng)考計算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)綜合考試大綱解析[M].北京:高等教育出版社,2010.

[2] 王丁磊.統(tǒng)考下的“計算機(jī)組成原理”教學(xué)方法探討[J].計算機(jī)教育,2010（6）:91-93.

[3] 唐碩飛.計算機(jī)組成原理[M].北京:高等教育出版社,2008.

[4] 楊振華.計算機(jī)組成原理課程改革探索[J].中國電力教育,2008（23）:119-120.

[5] 李麗萍,盛琳陽.基于EDA技術(shù)的計算機(jī)組成原理實驗課開放性教學(xué)模式研究[J].計算機(jī)教育,2010（10）:55-57.

[6] 白 媛,張 興.“計算機(jī)組成原理”課程階梯化教學(xué)研究[J].計算機(jī)教育,2007（20）:50-52.

The Reforms in Teaching of the Course "Computer Composition Principle"

Dong Zaixiu ,Wen Weimin , Zhao Liang
（Department of Computer Science and Technology , Chuzhou University , Chuzhou 239012 , China）

In view of t he existing sit uation and problems of teaching the cour se " Comp uter Composition Principle" , we made an in - depth st udy of t he reforms in teaching objectives , teaching content , teaching methods and experiment teaching. It is proved t hat these measures have improved t he teaching quality of t he cour se , suited t he requirement s for cultivating application - oriented talent s , and achieved agood teaching effect .

Comp uter Composition Principle ; teaching effect ; innovative ability

G642

A

1673-1794（2011）02-0094-03

董再秀（1981-）,女,講師,主要從事計算機(jī)硬件方向教學(xué)。

滁州學(xué)院教研項目“計算機(jī)組成原理課程建設(shè)”（2008jy039）

2010-11-25