基于自主可控需求的計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)踐

黃敏 陳沅濤

[摘 要] 文章從修訂人才培養(yǎng)方案、改進(jìn)課程的教學(xué)內(nèi)容、方法與考核方式、強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)、增加集中實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面，培養(yǎng)學(xué)生具有計(jì)算機(jī)各部件的設(shè)計(jì)方法、邏輯實(shí)現(xiàn)、建立系統(tǒng)概念及思維的能力，最后達(dá)到信息系統(tǒng)自主可控的需求。

[關(guān)鍵詞] 自主可控;人才培養(yǎng)方案;課前練習(xí);實(shí)踐環(huán)節(jié)

[基金項(xiàng)目] 2018年湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（湘教通〔2018〕436號(hào) No.193）;2019年長(zhǎng)沙理工大學(xué)工程教育專業(yè)認(rèn)證示范工程建設(shè)項(xiàng)目（高等教育研究所〔2019〕5號(hào) No.11）

[作者簡(jiǎn)介] 黃 敏（1968—），女，重慶江津人，碩士，長(zhǎng)沙理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)與應(yīng)用。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）42-0194-03? ? [收稿日期] 2020-03-04

一、研究背景

隨著近幾年中美貿(mào)易摩擦在科技領(lǐng)域愈演愈烈，國內(nèi)對(duì)信息系統(tǒng)自主可控的需求也越來越強(qiáng)烈。計(jì)算機(jī)組成原理作為計(jì)算機(jī)及其相關(guān)專業(yè)的一門核心硬件課程，對(duì)信息系統(tǒng)自主可控的作用就越來越重要，其教學(xué)重點(diǎn)從以前的掌握“計(jì)算機(jī)各組成部件的工作原理、建立整機(jī)概念”，逐漸過渡到掌握“計(jì)算機(jī)各部件的設(shè)計(jì)方法、邏輯實(shí)現(xiàn)、建立系統(tǒng)概念及思維”[1]。為此，長(zhǎng)沙理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)從修訂人才培養(yǎng)方案開始，改進(jìn)課程的教學(xué)內(nèi)容、方法與考核方式，增加集中實(shí)踐環(huán)節(jié)，加強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，取得了較好的效果。

二、修訂人才培養(yǎng)方案

表1所示是2016級(jí)以前與2017級(jí)培養(yǎng)方案的對(duì)比。由表可知，2017級(jí)的培養(yǎng)計(jì)劃在計(jì)算機(jī)組成原理及其先修、后續(xù)課程中，都增加了實(shí)驗(yàn)課時(shí)，而且在理論和實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后，增加了2周的集中實(shí)踐環(huán)節(jié)系統(tǒng)能力綜合實(shí)訓(xùn)。如此修改的目的就是要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，尤其是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件部件直至系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，最終實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)軟硬件的自主可控的目的。

三、改進(jìn)理論課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與考核方式

為實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)自主可控的目的，計(jì)算機(jī)組成原理的教學(xué)內(nèi)容[2]必須增加各部件的設(shè)計(jì)方法、邏輯實(shí)現(xiàn)，最后獲得整機(jī)系統(tǒng)，為此，各部分的內(nèi)容調(diào)整見表2。

在2016級(jí)以前的培養(yǎng)方案中，計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)重點(diǎn)是掌握“計(jì)算機(jī)各組成部件的工作原理、建立整機(jī)概念”。采用傳統(tǒng)的老師課堂講授為主的教學(xué)方法，考核方式以期末考試為主，占總成績(jī)的80%;輔以課堂提問加作業(yè)，占總成績(jī)的10%;實(shí)驗(yàn)占總成績(jī)的10%。這樣的比例分配導(dǎo)致大部分學(xué)生在臨近考試前才開始背題目、背概念，真正掌握計(jì)算機(jī)工作原理的人并不多。

在2017級(jí)的培養(yǎng)方案中，計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)重點(diǎn)是掌握“計(jì)算機(jī)各部件的設(shè)計(jì)方法、邏輯實(shí)現(xiàn)、建立系統(tǒng)概念及思維”。計(jì)算機(jī)組成原理課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、概念多，僅靠老師講、學(xué)生記都很難理解，而且與軟件類課程不一樣，可以通過編程來驗(yàn)證自己的理解是否正確，硬件類的概念只能通過做題和大量實(shí)踐來驗(yàn)證理解是否正確。為此，理論課程的教學(xué)采用學(xué)生課前練習(xí)加老師課堂講授的方式，即每次課均有課前練習(xí)，主要采用考研真題中的選擇題為主，運(yùn)用已學(xué)習(xí)過的理論知識(shí)來解決一些實(shí)際問題，而且每個(gè)題目都涉及多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的綜合應(yīng)用。學(xué)生做完之后，老師公布答案，并給予解釋。對(duì)學(xué)生理解原理和概念有很大幫助。比如這個(gè)題目：“某字長(zhǎng)為8位的計(jì)算機(jī)中，已知整形變量x、y的機(jī)器數(shù)分別為[x]補(bǔ)=1 1110100，[y]補(bǔ)=1 0110000。若整形變量z=2*x+y/2，則z的機(jī)器數(shù)為多少?！鄙婕皺C(jī)器字長(zhǎng)、數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼、移位運(yùn)算、溢出判斷等多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，而且與軟件編程相結(jié)合，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到硬件知識(shí)對(duì)軟件編程是非常有用的，而不是純粹、枯燥的概念。課前練習(xí)是針對(duì)已學(xué)過的內(nèi)容來出題的，一方面督促學(xué)生課后復(fù)習(xí)以提高答題準(zhǔn)確率;另一方面也將計(jì)算機(jī)組成原理很多難于理解的概念、原理分散到每節(jié)課，減輕學(xué)生期末考試的負(fù)擔(dān)，讓學(xué)生不再認(rèn)為這門課是最難學(xué)的課程。課前練習(xí)在學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)完成，客觀題可以自動(dòng)評(píng)閱并記錄成績(jī)，作為平時(shí)成績(jī)占總成績(jī)的20%，課后作業(yè)占總成績(jī)的15%，課堂提問占總成績(jī)的5%，期末考試占總成績(jī)的60%。期末做了問卷調(diào)查，100%的學(xué)生都認(rèn)可課前練習(xí)，對(duì)理解枯燥的概念、原理有很大的幫助[3-6]。

四、強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

2016級(jí)以前的實(shí)驗(yàn)是課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，10學(xué)時(shí)，采用SLJZ-1型計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，共開設(shè)5個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別是：靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)、算術(shù)邏輯運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)通路實(shí)驗(yàn)、微程序控制器實(shí)驗(yàn)和基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，均是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，配有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，只要設(shè)備沒問題，跟著步驟做，實(shí)驗(yàn)基本都能完成，對(duì)理解各功能部件的工作原理有一定幫助。但實(shí)驗(yàn)箱的硬件設(shè)計(jì)已固定，初學(xué)的學(xué)生難以在短時(shí)間內(nèi)熟悉設(shè)計(jì)及其原理，且設(shè)備老化后故障也比較多。每個(gè)實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí)，設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，學(xué)生很難排除，導(dǎo)致稍微復(fù)雜一點(diǎn)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)（微程序控制器實(shí)驗(yàn)和基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)），只有少數(shù)學(xué)生能完成。而且部分學(xué)生因?yàn)樵O(shè)備陳舊和老化而難以完成，索性就不去做實(shí)驗(yàn)，最后也能獲得這門課程的學(xué)分，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)成績(jī)只占總成績(jī)的10%。這樣的實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)收效甚微。

2017級(jí)的實(shí)驗(yàn)獨(dú)立設(shè)課，單獨(dú)考核，0.5學(xué)分，16學(xué)時(shí)。采用Logisim仿真平臺(tái)，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及成績(jī)比例見表3。

通過這種考核方式得到的學(xué)生成績(jī)，超過90%的學(xué)生都認(rèn)為是合理的，認(rèn)可實(shí)驗(yàn)有收獲，掌握了計(jì)算機(jī)各部件的工作原理和邏輯設(shè)計(jì)方法。

針對(duì)2周的集中實(shí)踐環(huán)節(jié)系統(tǒng)能力綜合實(shí)訓(xùn)，要求每個(gè)學(xué)生選取8條以上的MIPS指令，設(shè)計(jì)微程序或硬布線的多周期CPU，需設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路，劃分時(shí)序，設(shè)計(jì)各階段各部件的控制信號(hào)，用微程序或硬布線的方式在Logisim仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，最后用冒泡排序或選擇排序的程序給予驗(yàn)證?？己朔绞绞牵侯}目完成情況的演示與答辯占50%，報(bào)告占50%。如果演示沒通過，不管報(bào)告如何都不能及格。

五、結(jié)語

針對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程對(duì)信息系統(tǒng)自主可控需求的重要性，從修訂人才培養(yǎng)方案，改進(jìn)課程的教學(xué)內(nèi)容、方法、考核方式，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行教學(xué)改革和嘗試，得到了學(xué)生的認(rèn)可，獲得了較好效果。能夠培養(yǎng)學(xué)生具有從計(jì)算機(jī)部件到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，對(duì)其他專業(yè)課教學(xué)也具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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Teaching Practice of Computer Composition Principle Based on Autonomous and Controllable Demand

HUANG Min，CHEN Yuan-tao

（School of Computer and Communication Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha，Hunan 410114，China）

Abstract：From the aspects of revising the talent training plan，improving the teaching content，teaching methods and assessment methods of the course，strengthening the practice teaching，and increasing the concentration of practice links etc.，we try to train the students to have the ability of designing the computer components，establishing system concept and thinking ability，and finally meet the needs of autonomous and controllable information system.

Key words：autonomous and controllable;talent training plan;practice before class;practice link