面向工程教育認證的計算機組成原理課程改革的探索

謝從華+++徐文彬

摘 要： 為了滿足工程教育認證對計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)的要求，針對計算機組成原理課程，探討了改革的必要性。從課程教學(xué)目的、教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容三個方面提出了一些適合工程教育認證的課程改革措施。該課程改革措施實施后，取得了較好的教學(xué)效果，值得計算機專業(yè)的其他課程參考。

關(guān)鍵詞： 工程教育認證； 教學(xué)目的； 教學(xué)方法； 教學(xué)內(nèi)容

中圖分類法：G642 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）05-97-03

Abstract： In order to meet the requirements of engineering education accreditation for computer professionals， the necessity of reform is discussed against the principles of computer organization course. This paper puts forward some course reform measures suitable for engineering education accreditation from three aspects of the teaching purpose， teaching methods and teaching contents of the course. After the implementation of the course reform measures， good teaching effect has been achieved， which is worthy of reference to other courses in computer relative majors.

Key words： engineering education accreditation； teaching purpose； teaching methods； teaching contents

0 引言

計算機組成原理是計算機科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的一門核心課程，是很多高校研究生入學(xué)考試中的專業(yè)科目之一。它以先修課程計算機導(dǎo)論、程序設(shè)計、匯編語言和數(shù)字邏輯為基礎(chǔ)對計算機專業(yè)知識進行拓展[1]，并為后續(xù)課程計算機體系結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)、單片機原理與應(yīng)用等課程提供知識基礎(chǔ)。通過學(xué)習(xí)該課程，學(xué)生可以了解計算機硬件的基本組成及其工作原理，掌握計算機的工作過程及其各部分硬件之間的聯(lián)系，最終建立起整機的系統(tǒng)概念[2]。

目前，已有較多該課程教學(xué)改革方面的研究[1-6]，涉及到教材選擇、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)模式研究、教學(xué)方法創(chuàng)新、實驗教學(xué)運用等方面，這些研究為該課程教學(xué)提供了很多可供參考的新思路。

工程教育認證對不同教育背景的人才受教育的實質(zhì)等效性提出了認證的要求，符合國際慣例。工程教育認證是時代發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物， 2013年6月，我國工程教育成功加入華盛頓協(xié)議。近年來，常熟理工學(xué)院積極探索工程教育認證的工作，包括計算機類專業(yè)圍繞2015版工程教育專業(yè)認證標(biāo)準(zhǔn)開展專業(yè)建設(shè)。在此背景下，課題組針對計算機組成原理課程如何滿足工程教育認證進行了改革探索。

1 教學(xué)目標(biāo)研究

工程是人們綜合運用科學(xué)理論和技術(shù)手段去改造客觀世界的實踐活動，是一種創(chuàng)造性的活動。面對當(dāng)今世界的工程學(xué)科相互交叉與融合日益明顯的現(xiàn)狀，現(xiàn)代工程作為多學(xué)科的綜合體，越來越依賴社會、政治、經(jīng)濟、環(huán)境、法律和文化背景。事實證明，工程技術(shù)人才對于國家的科技水平及國際地位有著決定性的影響，重視學(xué)生工程能力的培養(yǎng)已經(jīng)成為世界各國高等工程教育的共識和新的趨勢。在工程認證體制中專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)中，要明確指出學(xué)生畢業(yè)時需達到的要求，其中除了對專業(yè)知識掌握程度的要求外，還有對學(xué)生能力的發(fā)展程度的具體要求。由于在專業(yè)的新評價模式上，學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的具體化和可評估化，對人才培養(yǎng)的要求不僅體現(xiàn)在專業(yè)知識要求上，還體現(xiàn)在各種能力和技術(shù)上。

課程目標(biāo)主要體現(xiàn)在培養(yǎng)方案中總培養(yǎng)目標(biāo)對于課程類型、課程的深度和廣度上的具體要求。結(jié)合國際工程認證的要求，在企業(yè)和行業(yè)專家的參與下，修訂了計算機組成原理課程目標(biāo)。具體如下：

⑴ 具有較強的社會責(zé)任感和良好的計算機工程職業(yè)道德，能正確認識計算機系統(tǒng)工程對于客觀世界和社會的影響，理解計算機系統(tǒng)工程專業(yè)及其服務(wù)于社會、職業(yè)和環(huán)境的責(zé)任；

⑵ 學(xué)習(xí)計算機的基本概念、基本組成及基本功能，掌握計算機的各個基本組成部件及控制單元的工作原理，具有運用物理科學(xué)基礎(chǔ)知識解釋計算機系統(tǒng)工程問題的基本能力；

⑶ 掌握計算機組成的基礎(chǔ)理論知識和專業(yè)知識，了解計算機組成的核心概念、知識結(jié)構(gòu)和典型方法，了解計算機組成的前沿發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢；

⑷ 掌握計算機組成的基本理論和基本知識，熟悉計算機體系結(jié)構(gòu)等基本原理，特別是能夠掌握計算機組成系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)能力；

⑸ 使學(xué)生掌握有關(guān)軟、硬件的基本知識，尤其是各基本組成部件有機連接構(gòu)成整機系統(tǒng)的方法，使學(xué)生具有一定的計算機系統(tǒng)的分析、設(shè)計、開發(fā)能力；

⑹ 具有適應(yīng)發(fā)展能力以及終身學(xué)習(xí)能力，掌握通過圖書館、搜索引擎等獲取計算機組成相關(guān)信息的基本方法；

⑺ 培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生掌握計算機組成原理的實驗方法，具有運用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊和查閱有關(guān)技術(shù)資料的能力。

2 教學(xué)內(nèi)容研究

根據(jù)工程教育認證體制下的人才培養(yǎng)特點，探討計算機組成原理課程可以為工程專業(yè)人才培養(yǎng)提供哪些知識點和能力培養(yǎng)。

首先，掌握計算機組成的知識點，如存儲元器件、存儲單元、存儲地址、存儲字長、存儲空間、存儲器分類及特征、高速緩存、地址映射、時序、讀、寫、刷新、存儲位擴展、存儲地址擴展、存儲器的校驗、總線特征、總線分類、總線結(jié)構(gòu)、總線控制、定點小數(shù)和整數(shù)的真值、原碼、補碼、反碼和移碼、機器零、溢出、移位運算、邏輯運算、算術(shù)運算、機器指令、操作數(shù)、操作碼、指令字長、陷阱、中斷、尋址、寄存器、控制信號、指令周期、指令流水、機器周期、時鐘周期、節(jié)拍、微操作、微程序、接口、通道等。

其次，工程實踐能力的培養(yǎng)。如實驗設(shè)計、實驗數(shù)據(jù)處理、實驗團隊協(xié)作能力、實驗文檔總結(jié)及動手能力。根據(jù)計算機相關(guān)元器件和文檔的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊和圖冊完成如下幾個工程實驗項目：

⑴ TEC-XP16教學(xué)實驗系統(tǒng)監(jiān)控命令、指令系統(tǒng)、匯編程序設(shè)計；

⑵ PLD器件GAL20V8芯片實現(xiàn)2-4譯碼器線路功能的簡單組合邏輯電路；

⑶ CPLD器件MACH芯片實現(xiàn)簡單組合邏輯電路以及時序邏輯電路實驗；

⑷ AM2901運算器的功能與具體用法；

⑸ 理解TEC-XP16教學(xué)計算機的功能部件MACH的組成和線路邏輯關(guān)系的29條基本指令并設(shè)計幾條擴展指令的組合邏輯控制；

⑹ 比較RAM（6116）、EEPROM（28 系列芯片）EPROM（27 系列芯片）在讀寫上的異同并實現(xiàn)位擴展和字?jǐn)U展實驗；

⑺ 利用串行通信接口芯片8251實現(xiàn)PC機和Tec-XP16之間的COM1和COM2串口的I/O擴展等。

最后，系統(tǒng)分析能力培養(yǎng)，解決計算機系統(tǒng)的軟硬件工程能力。根據(jù)計算機相關(guān)元器件和文檔的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊和圖冊完成如下幾個系統(tǒng)工程項目：①根據(jù)給定的元器件分析并設(shè)計存儲器的字位擴容的電路；②根據(jù)給定的主存和Cache設(shè)計并分析地址映射方案；③設(shè)計并實現(xiàn)快速加法器或乘法器的軟硬件系統(tǒng)；④根據(jù)給定的指令機器和指令類型分析并設(shè)計指令系統(tǒng)；⑤根據(jù)給定的元器件設(shè)計并實現(xiàn)微程序控制或組合邏輯控制系統(tǒng)等。

3 教學(xué)方法研究

首先，以面向解決復(fù)雜的存儲、運算和輸入輸出等工程問題為背景，運用先進的工程化方法、技術(shù)和工具分析、設(shè)計、開發(fā)計算機系統(tǒng)的軟硬件，在解決工程問題中融入計算機組成的基本知識點與技術(shù)理論，通過多媒體課件中的動畫模擬仿真，縮短教學(xué)和計算機硬件和軟件工程的距離，學(xué)生能夠具備工程技術(shù)人才的基本素質(zhì)。

其次，理論和實踐能力的培養(yǎng)需要提高與工程行業(yè)的結(jié)合度。計算機組成原理課程中的理論教學(xué)內(nèi)容、實驗儀器設(shè)備、環(huán)境和內(nèi)容需要及時更新，關(guān)注計算機工程行業(yè)的最新發(fā)展情況。聯(lián)合幾家大型的計算機公司，聯(lián)合制定教學(xué)大綱、聯(lián)合編著專業(yè)課程教材、聯(lián)合建立實驗室，每隔3年調(diào)整實驗內(nèi)容和實驗儀器設(shè)備。

最后，增加學(xué)生工程實踐學(xué)習(xí)的機會。實驗教學(xué)中盡可能創(chuàng)造學(xué)生動手實踐的機會，主動學(xué)習(xí)，積極探索。學(xué)生在熟悉實驗內(nèi)容、實驗操作過程，掌握儀器設(shè)備的操作步驟和方法，完成基本的實驗。此外，自行研制實驗教學(xué)平臺，輔導(dǎo)學(xué)生開展課外科技活動，提升學(xué)生的工程能力。自行研制的實驗教學(xué)設(shè)備與市面上一般的教學(xué)儀器相比，最大的優(yōu)點在于將所有的底層硬件和端口都開放給學(xué)生，讓學(xué)生真正理解計算機系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，從而進行設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗。

4 結(jié)束語

工程教育認證是未來工程教育質(zhì)量評價的發(fā)展趨勢，工程教育質(zhì)量的提升迫切要求高校專業(yè)課程做出更多的改革與創(chuàng)新。適合工程教育認證的計算機組成原理課程教學(xué)改革是一項長期而又艱巨的任務(wù)，需要長期地研究、探索和實踐。本文通過分析計算機組成原理課程性質(zhì)和工程教育認證的必要性，提出了計算機組成原理課程教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等改革措施，提高學(xué)生創(chuàng)新能力，使本課程的工程教育質(zhì)量得到了一定程度的改善和提高。但是教師和學(xué)生對工程教育認證的理解和掌握需要有一個適應(yīng)過程，教學(xué)環(huán)節(jié)還有許多與工程教育認證不適應(yīng)之處。在教學(xué)中需要突破系統(tǒng)的教學(xué)方法，引入工程教育認證的理念，進行深入研究，最終培養(yǎng)出國際認可的高素質(zhì)計算機類工程師。

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