《計(jì)算機(jī)組成原理》課程建設(shè)的改革與探索

呂強(qiáng)++葛桂萍+++李云+++羅家奇

摘 要： 本文針對在《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教學(xué)實(shí)踐中存在的問題，圍繞教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、硬件實(shí)踐教學(xué)等分析了《計(jì)算機(jī)組成原理》課程建設(shè)的目標(biāo)，從整合教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化課程體系、加強(qiáng)理論學(xué)習(xí)和硬件實(shí)踐的融合貫通，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)和工程化硬件實(shí)踐教學(xué)等方面對《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教學(xué)的改革做了深入的分析和探討，并對今后的理論和實(shí)踐教學(xué)進(jìn)一步改革進(jìn)行了思考。

關(guān)鍵詞： 《計(jì)算機(jī)組成原理》 硬件實(shí)踐教學(xué) 課程體系 教學(xué)方法 工程化實(shí)踐教學(xué)

在我國大多數(shù)高校的計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中，《計(jì)算機(jī)組成原理》作為一門重要的理論和硬件基礎(chǔ)課程，其中的實(shí)踐環(huán)節(jié)（硬件實(shí)踐實(shí)驗(yàn)）占較大的比重。目前，不少高校的計(jì)算機(jī)專業(yè)在《計(jì)算機(jī)組成原理》的理論教學(xué)和實(shí)踐實(shí)驗(yàn)中普遍存在“重軟輕硬”現(xiàn)象[1]，使得學(xué)生對計(jì)算機(jī)組成的理論和硬件的結(jié)合理解流于表面，特別是在理論和硬件實(shí)踐教學(xué)中，教學(xué)內(nèi)容和硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備嚴(yán)重落后于當(dāng)前工業(yè)界的最新技術(shù)發(fā)展，使得培養(yǎng)出的學(xué)生嚴(yán)重不符合社會企業(yè)的需求，即無論是在理論理解方面，還是在硬件實(shí)踐方面，都不足以承擔(dān)計(jì)算機(jī)硬件方面的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。因此，如何適應(yīng)工業(yè)界對畢業(yè)生理論和實(shí)踐能力不斷增強(qiáng)的需求，改革《計(jì)算機(jī)組成原理》及相關(guān)課程體系，提高計(jì)算機(jī)理論和硬件教學(xué)水平，提高學(xué)生對理論的理解和實(shí)踐動手能力已成為當(dāng)前高校計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)面臨的重要課題。

1.當(dāng)前《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教學(xué)存在的主要問題

當(dāng)前，我校在計(jì)算機(jī)類、電子類、物聯(lián)網(wǎng)類、軟件工程類專業(yè)均開設(shè)了《計(jì)算機(jī)組成原理》課程，理論教學(xué)內(nèi)容、目標(biāo)基本一致，但硬件實(shí)踐教學(xué)存在問題，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（1）偏重理論教學(xué)，忽視或輕視硬件實(shí)踐教學(xué)，硬件實(shí)踐課時(shí)被迫刪減。

在《計(jì)算機(jī)組成原理》課程中，理論是基礎(chǔ)，但是要深入理解計(jì)算機(jī)基本原理及體系結(jié)構(gòu)等理論必須結(jié)合硬件實(shí)踐[1]。但是硬件實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)方案、教學(xué)大綱及硬件實(shí)踐教學(xué)設(shè)備等，很多高校普遍在計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)中輕視硬件實(shí)踐教學(xué)的建設(shè)，理論教學(xué)占很大比重，總學(xué)時(shí)確定后，硬件實(shí)踐教學(xué)課時(shí)只能被迫刪減，以至于無法保證硬件實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)硬件知識和動手實(shí)踐的積極性不高，最終的結(jié)果就是理論和實(shí)踐相分離，理論知識沒有深入的理解，實(shí)踐能力沒有得到很好的培養(yǎng)。

（2）理論和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容陳舊，課程計(jì)劃沒有與時(shí)俱進(jìn)。

當(dāng)前，大多數(shù)國內(nèi)高校的計(jì)算機(jī)類專業(yè)，硬件系列課程均包含如下課程：《數(shù)字邏輯電路》、《計(jì)算機(jī)組成原理》（《計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》）、《微機(jī)原理及接口技術(shù)》、《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》等。這些課程開設(shè)選用的教材大多內(nèi)容相近，部分理論仍停留在5年甚至10年以前，知識陳舊，與當(dāng)前工業(yè)界的實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，和現(xiàn)代快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件研究和開發(fā)技術(shù)形成明顯的差距。比如有的硬件課程教學(xué)中以74181等淘汰的部件芯片為教學(xué)模型，即使學(xué)會也只能在課堂上用到，對將來的工作沒有什么作用，直接導(dǎo)致對學(xué)生缺少吸引力，教學(xué)效果不甚理想。另外，這一系列硬件相關(guān)課程之間重復(fù)的知識點(diǎn)較多，在課程系列安排計(jì)劃上缺乏統(tǒng)一性和合理性。

（3）硬件實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)不夠重視，缺少工程化設(shè)計(jì)和開發(fā)能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)和研發(fā)均已采用軟件和硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式，并大量使用優(yōu)秀的工具軟件進(jìn)行開發(fā)和仿真，以及使用硬件開發(fā)板進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。在實(shí)際教學(xué)中，由于硬件實(shí)踐教學(xué)比理論和軟件仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)要復(fù)雜得多，因此很多教師在教學(xué)過程中仍沿用過時(shí)的軟件仿真和硬件實(shí)驗(yàn)方法，并且學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中除了進(jìn)實(shí)驗(yàn)室外，在日常學(xué)習(xí)中無法進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)或?yàn)橛布?shí)驗(yàn)做足夠的準(zhǔn)備。另外，目前大多數(shù)高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備仍停留在“插線板”時(shí)代，只能讓學(xué)生手動連接銅線進(jìn)行簡單的驗(yàn)證性和基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，如要進(jìn)行相關(guān)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)，其復(fù)雜度過高，絕大多數(shù)學(xué)生無法完成。

2.《計(jì)算機(jī)組成原理》課程建設(shè)和改革的具體措施

（1）引進(jìn)計(jì)算機(jī)硬件的現(xiàn)代設(shè)計(jì)和研發(fā)技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的工程化研發(fā)能力。

《計(jì)算機(jī)組成原理》課程一大部分教學(xué)內(nèi)容圍繞CPU的各個(gè)部件展開，但現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容嚴(yán)重落后于現(xiàn)代工業(yè)芯片研發(fā)技術(shù)。為跟上時(shí)代的步伐，我們引進(jìn)當(dāng)下大多數(shù)企業(yè)采用芯片研發(fā)流程和設(shè)計(jì)語言和工具。具體而言，針對CPU的各個(gè)部件教學(xué)，我們引進(jìn)Logisim[2]和Verilog[3]教學(xué)，以仿真的方式向?qū)W生展示如何設(shè)計(jì)選擇器、加法器、寄存器、存儲器、控制器等部件，以及這些部件間如何組合及連接。在此基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步加入單周期MIPS[4]CPU工程化設(shè)計(jì)方法的教學(xué)，介紹如何組合選擇器、加法器、寄存器、存儲器、控制器等部件以構(gòu)成簡單但功能完善即能完成基本加減、移位、分支、跳轉(zhuǎn)等功能的單周期CPU。

為進(jìn)一步提高學(xué)生的工程化硬件實(shí)踐能力，還引進(jìn)Xilinx公司的FPGA開發(fā)板，加入如何使用FPGA開發(fā)板的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，并指導(dǎo)學(xué)生把已完成的MIPSCPU設(shè)計(jì)下載到FPGA上，以真實(shí)的硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)，并對現(xiàn)有的設(shè)計(jì)做相應(yīng)的優(yōu)化。

（2）加強(qiáng)理論和硬件實(shí)踐教學(xué)的結(jié)合，提高學(xué)生對理論的理解和對硬件實(shí)踐的能力。

在《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教學(xué)中，理論和硬件知識是相輔相成的，但目前計(jì)算機(jī)教學(xué)中普遍偏重理論講解，硬件實(shí)踐僅僅是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，其對理論的深入理解并無多大幫助。特別是理論知識對學(xué)生來說是一個(gè)個(gè)單獨(dú)的知識點(diǎn)，彼此之間不能夠貫通起來加深對計(jì)算機(jī)整體硬件系統(tǒng)的理解[5]。比如，學(xué)生學(xué)習(xí)了選擇器、寄存器、加法器、存儲器等理論知識，但不知道如何使用Verilog等硬件編程語言在FPGA等開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)這些部件。另外，學(xué)生在學(xué)習(xí)CPU控制部件理論后，無法用現(xiàn)有的老舊芯片如74181等把CPU各個(gè)部件組合起來，只能依賴現(xiàn)成的已把CPU各個(gè)部件組合連接好的硬件開發(fā)板，不了解如何用Verilog等硬件編程語言直接把CPU的各個(gè)部件組合以構(gòu)成完整可運(yùn)行的CPU。因此，在《計(jì)算機(jī)組成原理》教學(xué)中應(yīng)注意理論和硬件實(shí)踐開發(fā)間的結(jié)合，使學(xué)生掌握更完整的理論知識和硬件實(shí)踐能力，通過硬件實(shí)踐提高其對理論的理解，通過理論學(xué)習(xí)指導(dǎo)硬件實(shí)踐實(shí)驗(yàn)，提高其計(jì)算機(jī)系統(tǒng)理論和硬件協(xié)同能力。

（3）調(diào)整計(jì)算機(jī)硬件系列課程的教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課程體系和課程間的銜接。

為適應(yīng)新加入的Logisim、Verilog、XilinxFPGA開發(fā)板等教學(xué)內(nèi)容，我們適當(dāng)調(diào)整計(jì)算機(jī)硬件系列課程之間的教學(xué)內(nèi)容。比如對《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程，經(jīng)過學(xué)院硬件教學(xué)團(tuán)隊(duì)的協(xié)商溝通，適當(dāng)加入Logisim，Verilog等硬件編程語言的教學(xué)內(nèi)容，并在部分實(shí)驗(yàn)中加入Logisim和Verilog語言實(shí)現(xiàn)部分電路。在《匯編語言程序設(shè)計(jì)》課程教學(xué)中，針對MIPSCPU設(shè)計(jì)，加入MIPS匯編語言的學(xué)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)安排中，加入適當(dāng)?shù)腗IPS匯編練習(xí)?？偠灾瑸榱诉m應(yīng)新的教學(xué)內(nèi)容和方法，加強(qiáng)硬件系列課程體系結(jié)構(gòu)建設(shè)，完善教學(xué)計(jì)劃，對硬件系列課程如《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《微機(jī)原理及應(yīng)用》和《匯編語言程序設(shè)計(jì)》等課程進(jìn)行融合、優(yōu)化，既避免知識點(diǎn)的重復(fù)教學(xué)，又加強(qiáng)課程間教學(xué)內(nèi)容的銜接，保證計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)的連續(xù)性和完整性[6]。

（4）探索硬件系列課程教學(xué)方法，提高教師團(tuán)隊(duì)的整體教學(xué)水平。

為加強(qiáng)計(jì)算機(jī)硬件系列課程教師團(tuán)隊(duì)的協(xié)調(diào)溝通和建設(shè)，使相互關(guān)聯(lián)課程的授課教師有更多的合作和協(xié)作，定期開展硬件系列課程的教研活動，從整體上協(xié)商計(jì)算機(jī)硬件系列課程的教學(xué)，逐步形成一支由具有較高教學(xué)科研水平的教授領(lǐng)銜，并搭配有一定數(shù)量的副教授和講師的計(jì)算機(jī)硬件系列課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)[5]，從而保證計(jì)算機(jī)硬件系列課程建設(shè)的連續(xù)性。

為了充分發(fā)揮青年教師的主觀能動性，我們積極改革傳統(tǒng)的教學(xué)方法，借助揚(yáng)州大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，積極探索研究性教學(xué)，利用“任務(wù)驅(qū)動”的教學(xué)方法，將實(shí)際教學(xué)內(nèi)容分成一個(gè)個(gè)具體的任務(wù)，并引導(dǎo)學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上參與討論和解決任務(wù)，使得學(xué)生在討論和交流中解決問題，并逐步引導(dǎo)學(xué)生深入理解和掌握教學(xué)內(nèi)容。該教學(xué)方法可以大大提高大部分學(xué)生的主動性、積極性及團(tuán)體合作能力。此外，在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中注重和學(xué)生的在線交流和互動，通過論壇交流和答疑、在線任務(wù)測試等多種手段，促進(jìn)學(xué)生的彼此交流和學(xué)習(xí)，提高課堂教學(xué)效率。

（5）豐富教學(xué)資源建設(shè)，引進(jìn)企業(yè)培訓(xùn)和提高教師實(shí)踐教學(xué)能力。

在引進(jìn)新的教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，依托揚(yáng)州大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，對《計(jì)算機(jī)組成原理》課程的教學(xué)資源如Logsim、Verilog參考資料、教學(xué)課件、教學(xué)視頻、硬件實(shí)踐實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)資料、習(xí)題等全部加入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，構(gòu)建豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源[6-7]，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)不受時(shí)間和空間的限制，在課堂教學(xué)以外的時(shí)間根據(jù)自己的實(shí)際情況合理安排課程學(xué)習(xí)。

另外，圍繞課程建設(shè)和教學(xué)內(nèi)容的改革，我們積極聯(lián)系相關(guān)硬件研發(fā)企業(yè)，邀請其到學(xué)校直接對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。例如Verilog硬件編程語言學(xué)習(xí)和使用經(jīng)驗(yàn)分享、XilinxFPGA開發(fā)板的使用講解和現(xiàn)場指導(dǎo)，并且根據(jù)企業(yè)實(shí)際研發(fā)需求，向?qū)W生進(jìn)行針對性的授課和指導(dǎo)。

3.結(jié)語

《計(jì)算機(jī)組成原理》課程具有很強(qiáng)的理論性、實(shí)踐性和實(shí)用性，其中CPU相關(guān)的知識涉及本科和研究生各個(gè)層次，如何讓該課程不再僅僅停留在理論知識的學(xué)習(xí)是該課程建設(shè)和改革必須解決的問題。通過引進(jìn)符合工業(yè)界當(dāng)前流行技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容和方法，積極引導(dǎo)學(xué)生通過自學(xué)和合作，接觸當(dāng)前最新的硬件編程語言、硬件設(shè)計(jì)軟件和FPGA開發(fā)技術(shù)，并嘗試調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，培養(yǎng)實(shí)踐動手能力，讓學(xué)生更好地協(xié)作、溝通，從而提高學(xué)生對理論知識的理解和硬件實(shí)踐的能力。另外，近幾年我院通過對計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件系列課程進(jìn)行優(yōu)化和改革，解決硬件系列課程之間缺乏溝通、相互獨(dú)立、知識點(diǎn)重復(fù)或者缺乏銜接等一系列問題[4]，加強(qiáng)硬件系列課程間的聯(lián)系，保證計(jì)算機(jī)硬件系列課程間的連續(xù)性和完整性。

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基金項(xiàng)目：

國家自然科學(xué)基金青年基金（編號：61502412），項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，01/2016-12/2018。

江蘇省自然科學(xué)基金青年基金（編號：BK20150459），項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，07/2015-06/2018。

江蘇省高校自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（編號：15KJB520036），項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，07/2015-06/2017。

揚(yáng)州大學(xué)高層次人才科研啟動基金（編號：5013/137010725），項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，10/2014-10/2017。