應用型本科院?！队嬎銠C組成原理》課程改革的思考

劉毅文　米春橋　劉佳

摘要：《計算機組成原理》課程作為高校計算機相關專業(yè)的通識專業(yè)課，對于培養(yǎng)學生的深入理解現(xiàn)代計算機系統(tǒng)和解決數(shù)字系統(tǒng)復雜工程問題都具有舉足輕重的作用。在實際課程教學中往往會出現(xiàn)學生對課程重要性認識不足、缺少學習動力、缺乏前導課程基礎，課堂所學理論不能很好地用于社會實踐等現(xiàn)象。文章圍繞如何引導學生學好計算機組成原理這門課程，從改進教學內(nèi)容和方法、教學手段以及考核方式改革等方面提出相關的思考。

關鍵詞：計算機組成原理；深入理解現(xiàn)代計算機；課程教學改革；匯編程序設計；計算機專業(yè)統(tǒng)考科目

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）05-0095-03

Abstract： Principles of computer organization course， as a general course of computer related majors， plays an important role in both of cultivating students' understanding of modern computer system and solving complex engineering problems of digital systems. In the actual teaching， students often lack the awareness of the importance of the curriculum， learning motivation，the basis of the leading curriculum and can not used classroom theory for social practice. Based on the above problems，the reflection is put forward on how to improve from the teaching contents and methods， teaching methods and assessment methods.

Key words： principles of computer organization； understanding of modern computer system； course teaching； assembly； computer professional examination subject

1 引言

隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日新月異的發(fā)展，各式各樣的計算機智能設備層出不窮，豐富著人類的日常生活。早期的程序員需要了解硬件架構(gòu)特點進行編程，同時也要掌握計算機的工作原理。隨著計算機復雜度、專業(yè)度越來越高，人與計算機的交流也逐步交給操作系統(tǒng)和專業(yè)軟件，除了少數(shù)底層硬件架構(gòu)專家之外，普通人群和學生很難接觸到計算機硬件的設計和制造，無法完整理解計算機系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理。

計算機組成原理是計算機相關專業(yè)本科生必修的一門核心專業(yè)通識課程，2009年開始列入全國碩士研究生計算機專業(yè)統(tǒng)考科目之一。它不僅從底層視角為學生展現(xiàn)單處理機系統(tǒng)的基本組成和工作原理，培養(yǎng)學生著手研究數(shù)字系統(tǒng)復雜工程的能力。在學習和掌握各部件功能結(jié)構(gòu)的基礎上，學生可以發(fā)揮主觀能動性，去自主、系統(tǒng)地分析、設計、解決實際問題，在整個過程中數(shù)字系統(tǒng)的設計、研發(fā)和動手等能力逐步獲得提升。它在計算機學科的教學體系中，起著承上啟下的作用，扮演著極其重要的角色。上接高級程序設計（C語言）、匯編語言程序設計、數(shù)字電路設計以及數(shù)字邏輯等先導課程；下連操作系統(tǒng)原理、嵌入式系統(tǒng)應用與開發(fā)、計算機體系結(jié)構(gòu)等后續(xù)核心專業(yè)課程。

然而，通過實際教學發(fā)現(xiàn)一些存在的問題，例如：學生對學習該課程的重要性認識不足，缺少學習動力，缺乏前導課程基礎，課堂所學理論不能很好地運用于社會實踐。圍繞以上問題提出一些思考與想法。

2 課堂教學現(xiàn)狀

2.1 學生對課程的認識不足，自主學習性不強

不少畢業(yè)就想從事工作的學生認為現(xiàn)今互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的主要工作是研發(fā)上層應用軟件——寫程序、敲代碼，有成熟的操作系統(tǒng)和開發(fā)框架的幫助，不用關心計算機內(nèi)部各部件的基本組成和工作原理，對今后的崗位競爭沒有多大幫助，所以學習動力不足；還有一部分想繼續(xù)深造的同學，僅僅把該課程當作一門課程來學，知識點死記硬背，應付考試即可。如何在教學過程中作積極、有效的引導，對課本內(nèi)容作有必要的取舍是教師需要思考的首要問題。

2.2 學生基礎薄弱，硬件接觸少，知識點難消化

計算機組成原理課程中主要講授底層硬件的結(jié)構(gòu)和工作原理，在計算機多級存儲結(jié)構(gòu)章節(jié)中，會涉及寄存器，鎖存器，緩存的概念和工作方式，這些知識在匯編語言、數(shù)字邏輯等課程中就是個難點，很多內(nèi)容在當時提出來就是一篇高水平的論文，難度大，學生吃不透，在腦海中只有一個模糊的概念；學生接觸硬件的機會少，普通存在“吃軟怕硬”的現(xiàn)象。在心理上首先敗下陣來，甚至有抵觸心理，更不用去要求學生理解透徹，掌握深入了。學生基礎沒打好，課程消化不了，在綜合運用知識去解決實際問題時會感到學習很吃力，無從下手，興趣不高。事實上，我院其他專業(yè)如網(wǎng)絡工程、軟件工程的學生已經(jīng)沒有開設匯編程序設計課程，跨度更大。

2.3 課程內(nèi)容抽象

課程中的不少知識和內(nèi)容都是圍繞CPU芯片內(nèi)部的處理，操作展開講述的，例如數(shù)值在計算機中的表示、存儲、算術(shù)運算、溢出、邏輯運算，CPU的控制器是如何取指令、分析指令、執(zhí)行指令的，數(shù)字信息、地址信息和控制信息的傳遞是如何沿著總線進行的，這些都是看不見，摸不著的，課程內(nèi)容很抽象。學生在沒有掌握的前提下往往會把各部件孤立起來學習，抓不住主線，對計算機系統(tǒng)沒有整體概念。

2.4 課程定位模糊

課程的內(nèi)容廣泛，包括計算機系統(tǒng)概論、計算機系統(tǒng)的基本組成、各部分組件的功能、結(jié)構(gòu)、設計方法，CPU的工作機制和高性能計算機的新技術(shù)，學校的電氣工程專業(yè)、數(shù)學專業(yè)與計算機專業(yè)的本科生都在使用。根據(jù)學生培養(yǎng)方案的不同，教學內(nèi)容應有所側(cè)重，有所取舍。照著一套講義與不同需求的學生講課，顯然違背了教師“因材施教”的原則。此外，教材還是按照學術(shù)性人才培養(yǎng)模式編寫，不能很好地順應我校從研究型向應用型轉(zhuǎn)型的理念。

2.5 課本知識結(jié)構(gòu)滯后，教學方法不夠靈活

隨著計算機技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度大規(guī)模集成化，云計算、物互聯(lián)、大數(shù)據(jù)正在快速地改變?nèi)祟惖纳罘绞健Ｄ壳按蠖鄶?shù)教材介紹舉例的機型還是8086系列，相比其他機型8086結(jié)構(gòu)簡單原理清晰，但與現(xiàn)實生活使用的機型還有很大的距離。在應用型本科院校的學生培養(yǎng)模式上，引導學生了解現(xiàn)代計算機系統(tǒng)最新發(fā)展，了解的最新發(fā)展技術(shù)，在利用新技術(shù)的基礎上加入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，符合時代的需要。

3 教學改革與探索

3.1 合理組織教學內(nèi)容，以趣導學

計算機組成原理課程組的老師圍繞教學內(nèi)容開展過數(shù)次研討，在完成教學大綱的基本要求上，兼顧專業(yè)與應用的需求，將課程重點放在補碼基本運算、存儲器分層與Cache設計原理、指令系統(tǒng)、運算與控制器、總線的設計上，重點內(nèi)容力爭講深、講透，再結(jié)合當前熱門技術(shù)云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)中涉及的一些關鍵點，激發(fā)和培養(yǎng)學生的學習興趣，用理論闡述技術(shù)背后的原理。如云計算中虛擬節(jié)點與物理處理機的映射、虛擬存儲和物理存儲間的映射、物聯(lián)網(wǎng)通信同步與異步的處理方式等。我們按照從設計背景、設計思路著手，以通用基本原理、真實計算機舉例原理抽取、簡單原理示例3個層次來逐層講解。計算機的部件發(fā)展受人類社會物質(zhì)發(fā)展的制約，從圖靈機到ENIAC，到8086機器，再到現(xiàn)在的云計算，一次次計算機軟硬件的飛躍，都有歷史背景的烙印和實際需求。在課堂上我們可以從背景、意義、設計思路入手，開拓學生視野，引起學生共鳴，再切入正題，做到水到渠成，沒有為講知識而講知識的突兀感。

通用基本原理是基礎，最重要的是要講清每個原理的穩(wěn)定性、通用性、思想性，這是學習與理解計算機組成與運行機制的核心知識。穩(wěn)定性是指原理不隨時間變遷而改變，通用性是指不隨具體機型而變化，思想性是指原理抓住一定的規(guī)律，通過思考，反復歸納總結(jié)才設計出的，這些都是學生一定要掌握的內(nèi)容。例如從1946年至今計算機的設計依然沿用馮諾依曼架構(gòu)，講清楚它的架構(gòu)特點，并帶領學生去思考設計思路。

在具體的計算機終端設備舉例方面，不同樣式的計算機系統(tǒng)，不同部件的設計，概括最基本結(jié)構(gòu)和工作原理，更多強調(diào)了解計算機當前的技術(shù)水平和發(fā)展現(xiàn)狀，主要以Pentium機、移動終端為主，甚至以計算機網(wǎng)絡、云計算為例；從典型案例中提取出所學原理，這樣既提高了學生的學習興趣，又彌補了教材與實際的脫節(jié)，提高了這門課的使用價值。簡明原理示例來自實驗計算機系統(tǒng)，這個層次處在基本通用原理和真實計算機系統(tǒng)實例這兩個層次之間，強調(diào)運用學習到的基本原理知識，設計實現(xiàn)一臺簡單（易學、價廉）實例計算機系統(tǒng)的方法與過程，以增加學生對所學知識的理解深度和應用能力，把學習知識和增長能力結(jié)合起來。

3.2 采用多種教學方法

3.2.1 貫徹以問題驅(qū)動課堂教學，以實例講解原理知識

講授每一個新內(nèi)容之前，教師針對上一節(jié)內(nèi)容簡單扼要的總結(jié)，歸納出重要知識點，然后承上啟下地誘導出新內(nèi)容。提出“解決這樣的問題該怎么辦”或者“既然用這一種方法來解決問題存在著這樣缺點，那么，還有什么更先進的方法”，或者“學了這幾種方法后，對比下哪個方法好，哪種方法差呢”等問題，用問題激發(fā)學生學習的興趣，再引出原理。如果學生認為這些問題依然很抽象，教師可以適當從生活中舉例，請學生自己考慮如果解決生活中的實際問題。通過提問，讓學生主動去思考解決的方法，對比自己思考的方法和書中提供的方法，再引導學生在不同的場景下選用不同的方法，從而形成良好的思維方式和思維方法。

3.2.2 綜合性的知識點采用翻轉(zhuǎn)課堂

課下提出精心準備的問題，課上放手讓學生自學或討論，既培養(yǎng)了學生的自學能力，又能培養(yǎng)學生思考問題解決問題的能力。例如 20世紀90年代Sun公司首席執(zhí)行官Scott McNealy曾提出了“網(wǎng)絡計算機”的概念，結(jié)合課程中所講到的馮諾依曼計算機結(jié)構(gòu)特點，讓學生討論這樣的問題“網(wǎng)絡究竟是計算機嗎？你是如何理解的？”，會加深學生對計算機各組件的結(jié)構(gòu)和工作方式的理解。

3.2.3 使用軟件仿真硬件功能

教師課堂講授計算機各部件的基本組成原理和工作原理時，也要注意理論知識的實現(xiàn)環(huán)節(jié)，結(jié)合專業(yè)學生的學科特點，使學生的感性認識與理性認識結(jié)合起來，使用C語言模擬內(nèi)存、運算器、指令系統(tǒng)的工作方式，仿真硬件功能，以激發(fā)學生學習的積極性和主動性，體會硬件工作的機理和復雜性。例如在運算器教學環(huán)節(jié)，教師在講授完補碼，浮點數(shù)和定點數(shù)的溢出與運算等后，可以要求學生思考如何用C語言編程來實現(xiàn)這些功能，指導學生設計編寫程序，讓學生獨立完成整個設計過程，然后再講解書中使用硬件方法是如何來實現(xiàn)的。這樣一種理論與實際相結(jié)合的教學過程，讓學生親身體會過全過程，切身感受到硬件設計者的聰明才智，能夠極大地激發(fā)學生的學習興趣，達到較好的教學目的。

3.2.4 習題引導應遵循循序漸進、檢驗所學、啟發(fā)思考的原則

選題時應該注意題不一定要多，但需要具有代表性，使學生能舉一反三。習題一般應由兩部分構(gòu)成，一是針對一些比較抽象、容易混淆的基本概念和基本原理而設計的習題；二是針對基本理論的操作和應用而設計的習題。針對第二類習題通過組織學生討論、集體學習提出、不斷鍛煉學生的獨立思考問題的能力。在適當?shù)臅r機可從研究生入學真題中抽取應用性強、適用性強的題進行專題講解，幫助學生查漏補缺。教師在教學過程中也能及時發(fā)現(xiàn)教學中的問題，以達到單元教學的目的。

3.3 充分利用多樣教學手段

計算機組成原理課程中很多工作過程都是發(fā)生在芯片內(nèi)部，是黑盒過程——看不見摸不著，內(nèi)容很抽象，而且電路圖、時序圖也非常多。為了提高課堂教學效果，遵循“動比靜好，圖比字好”的設計思想進行多媒體課件的制作。除了傳統(tǒng)的PPT文檔，靜態(tài)圖解之外，還可以采用flash動畫、視頻動畫、課程網(wǎng)站、教學APP、微課視頻制作等。動態(tài)展現(xiàn)抽象知識，其較強的刺激作用有助于學生理解概念的本質(zhì)屬性，促進學生知識的建構(gòu)。

3.4 改革考試方法，以考促教

目前計算機組成原理考試仍然采用閉卷考試，以期末成績作為最終結(jié)果。這種考試評價方式導致學生在課程學習過程缺少動力，在期末去找題做題背題，以此通過課程考試。這種學習方式是為了考試而學習，沒有達到課程開設的目的。作為一所應用型大學，學習原理性的課程應該重在應用，用所學的原理去闡述計算機系統(tǒng)中遇到的各類問題，而不是盯在概念的定義和原理的描述上。

計算機組成原理考試評價體制可采用過程化評價，重視課堂表現(xiàn)。在課堂上選取適當?shù)漠斍盁狳c引發(fā)學生的思考和討論，或者對比書上介紹方法的優(yōu)缺點，何時應用，你還有其他方法嗎？在課后布置一些學術(shù)熱點，利用學習的知識去分析它，或可設計編程題，用軟件編程模擬硬件功能。期末考試選擇開卷的方式，開了卷教師出題也更自由，會傾向綜合性更強，應用性更強的題，“一題考一本書”的方式可以有機結(jié)合計算機系統(tǒng)各個部件的功能，不再像之前只將各個知識點孤立開來學習。通過考試，促進教師在教學過程和出題過程中不斷有了新的思考，同樣也要求教師的視野更加開闊，平時需要留心收集學術(shù)熱點和社會熱點，以及鍛煉系統(tǒng)整合能力；同樣也要求學生對知識點靈活運用，融會貫通。

4 結(jié)語

計算機組成原理是一門理論抽象、偏底層硬件架構(gòu)、實踐性很強、承上啟下的專業(yè)課程。要提高本課程的教學質(zhì)量，需要在理論和實踐課堂教學中下工夫、在教學內(nèi)容、教學方法、教學手段、考核方式上不斷研究和調(diào)整，結(jié)合社會實踐需要積極引導學生參與教學過程，將計算機軟硬件技術(shù)的最新發(fā)展、高性能計算技術(shù)引入到教學過程中。

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