計算機組成原理課程教學改革與探討

李 銳，婁樹勇

(安徽科技學院 信息與網(wǎng)絡工程學院，安徽 蚌埠 233030)

計算機組成原理課程是計算機類專業(yè)的專業(yè)核心課程，也是教育部列為計算機類專業(yè)七門公共核心基礎課程之一，同時也是高等院校計算機類碩士研究生入學考試專業(yè)課之一[1-2]。它的先導課程有模擬電子技術、數(shù)字邏輯、匯編語言等，后續(xù)課程有單片機技術、計算機接口技術、微型計算機原理、嵌入式系統(tǒng)技術等，因此“計算機組成原理”具有較高的專業(yè)地位和作用，在計算機類專業(yè)課程中具有承上啟下的功能[3]。隨著計算機硬件制造技術的不斷發(fā)展，電子計算機功能越來越強，主要呈現(xiàn)兩極化發(fā)展趨勢：微型機和巨型機，其中微型機領域主要以Intel(Integrated Electronics Corporation) 或AMD (Advanced Micro Devices)處理和搭配微軟(Microsoft Windows)的Windows操作系統(tǒng)為主，但在巨型機領域我國超級計算機如神威系列、天河系列目前一直處于世界頂級水平。當前，各國都在進行新一代非馮諾依曼體系計算機的研發(fā)，其中以美國Google公司和中國科技大學潘建偉院士團隊的量子計算機為代表，其計算能力與現(xiàn)有計算機相比呈幾何級數(shù)增加。高校人才培養(yǎng)目標的內(nèi)在要求促使學校對計算機組成原理課程的教學內(nèi)容、教學方法、教學手段和評價體系進行改革和調(diào)整，從而培養(yǎng)出具有解決實際問題能力的應用型人才。計算機組成原理作為一門研究計算機系統(tǒng)的基本組成和工作原理的專業(yè)基礎課，涉及到存儲器、處理器組成原理和邏輯結(jié)構等，因此探討計算機組成原理課程教學改革與研究是十分必要的。

1 計算機組成原理課程教學現(xiàn)狀與分析

計算機組成原理課程是研究單個計算機完整硬件組成的基本原理和運行原理，通常包括五大部分存儲器、運算器、控制器、輸入設備、輸出設備[4-6]。在計算機類專業(yè)課程培養(yǎng)體系中，計算機組成原理課程概念、算法、專業(yè)術語較多，邏輯性強，對任課教師、學生而言存在一定的難度，許多學生對這門課產(chǎn)生強烈厭學情緒。目前大多數(shù)高校選用清華大學出版社蔣本珊老師編寫的《計算機組成原理(第4版)》或高等教育出版社唐朔飛教授編寫《計算機組成原理(第2版)》作為教材，這些教材都是采用計算機組成五大部分進行內(nèi)容的組織以及采用自頂向下方式進行編寫，五大部分之間的關系如圖1所示。

圖1 教學內(nèi)容之間的聯(lián)系

實驗教學一般采用西安唐都科教儀器公司開發(fā)的CMA實驗平臺，主要包括存儲器實驗、運算器實驗、控制器三個驗證性實驗以及一個簡單模型機設計型實驗。

綜上所述，目前計算機組成原理課程的先行課程基礎薄弱、實驗教學手段單一、新工科內(nèi)涵不足等，導致學生學習這門課主動性差、興趣低。

2 計算機組成原理課程教學內(nèi)容改革

計算機組成原理課程主要涉及到概述、存儲器、運算器、控制器和外部設備5個方面。課程概述方面主要涉及計算機的發(fā)展歷程和趨勢、實驗平臺軟硬系統(tǒng)認知實驗；存儲器這部分主要涉及存儲器系統(tǒng)、主存儲器、高速緩沖存儲器和虛擬存儲器等；控制器部分主要涉及指令系統(tǒng)、微指令設計和微控制器原理，這部分安排理論學時16學時，實驗學時2學時；外部設備部分主要講解輸入輸出系統(tǒng)、控制方式和總線系統(tǒng)，安排理論課時8學時。另外為提高學生對中央處理(CPU)工作原理的深入了解，安排16課時設計性實驗課。綜上所述，改革后的計算機組成原理課程理論學時52學時，實驗課設置為28個學時，其中包括4個驗證性實驗項目以及20學時的課程設計，具體安排如表1、表2和表3所示。

表1 計算機組成原理理論課教學安排

表2 計算機組成原理實驗課教學安排

表3 計算機組成原理課程設計安排

3 計算機組成原理課程教學方法改革

傳統(tǒng)的計算機組成原理課程使用板書和PPT演示向?qū)W生傳授專業(yè)知識，教學活動以任課教師為中心、學生被動式地學習，從而導致學生學習積極性低、參與度不高。為此，在計算機組成原理課程教學中采用當前主流的OBE(Outcomes-Based Education)教學模式，即基于學習的成果導向教育模式[7-8]，在教學組織形式上采用線上線下混合式教學，即在線上利用網(wǎng)絡渠道向?qū)W生進行授課和在線下使用傳統(tǒng)課堂教學方式相結(jié)合的教學形式[9-10]。改革后的計算機組成原理課程理論教學采用嵌入思政元素的教學大綱和教學內(nèi)容，采用啟發(fā)式教學模式，課堂上鼓勵學生走上講臺講解一些與專業(yè)知識相關的科技前沿，既改變學生由被動學習為主動自覺學習，又激發(fā)學生的學習熱情和培養(yǎng)學生樹立為國家計算機技術發(fā)展做貢獻的遠大理想。計算機組成原理實驗課傳統(tǒng)教學實驗利用計算機組成原理綜合實驗箱，首先讓學生理解實驗項目的知識原理，然后根據(jù)實驗指導書對實驗箱進行簡單的連線，最后根據(jù)實驗步驟進行機械式的操作，因此在實驗課教學中學生很難掌握硬件基礎知識。改革后的計算機組成原理實驗課以設計CPU為核心內(nèi)容，軟件方面采用EDA設計軟件并使用硬件描述語言VHDL或Verilog HDL、硬件方面采用可編程邏輯器件FPGA或CPLD作為實驗平臺[11-12]。學生使用硬件描述語言在可編程邏輯器件中對計算機核心組成部件進行設計和驗證，極大地提高了對理論知識的理解與應用，改變了以往實驗箱為主的驗證性實驗。在實驗過程中可以讓學生了解工業(yè)設計軟件EDA以及可編程邏輯單元FPGA在目前工業(yè)生產(chǎn)中的作用，結(jié)合國外為了遏制我國芯片以及半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，禁止中方相關企業(yè)使用外國EDA軟件和可編程邏輯單元FPGA事件，激發(fā)學生的愛國熱情、激勵學生主動學習，培養(yǎng)學生的家國情懷，自覺投身于國家建設和民族復興之中。課余時間帶領學生去科技企業(yè)和研究院所實地參觀和考察，增強同學們對硬件行業(yè)科技發(fā)展趨勢的把握。

4 計算機組成原理課程教學評價改革

教學評價是反映和檢測任課教師教學效果和教學狀態(tài)的手段，一般分為主觀評價和客觀評價，其中主觀評價包括同行評議、教學督導評價、學生評價，客觀評價包括教學測驗、實驗完成度、考試成績等。改革后計算機組成原理課程采用客觀量化方法進行教學評價[13-14]?？陀^評價體系由平時考勤成績、階段性測試成績、實驗完成成績和期末考試成績組成。改革后課程教學效果具體考核細則如表4所示，計算公式如下所示：

表4 考核方式以及評分細則

平時成績(C1)=(平時考勤×0.3+平時測試×0.3+實驗成績×0.4)×0.5

(1)

期末成績(C2)=期末考試成績×0.5

(2)

總體教學效果評分(S)由學生平時成績平均分和期末考試成績平均分構成

(3)

5 計算機組成原理課程教學管理改革

為了加強教學管理工作，密切與班級輔導員、班主任的溝通并制定嚴化、細化考勤制度，培養(yǎng)學生誠信意識、法治觀念。課堂教學管理是任課老師是否能夠有效組織教學活動的關鍵，通常包括三個方面：課堂教學環(huán)境管理、課堂教學秩序與紀律管理、課程教學氛圍管理[15-17]。高校課堂管理能力是涵蓋人文素養(yǎng)、專業(yè)知識、心理學、管理學、溝通力等多種能力的學問，如果任課老師沒有較強課堂教學管理能力就無法有效地進行教學活動，因此任課老師必須要嚴于律己、不斷提高綜合能力、加強思想政治覺悟。為此，對課堂教學管理實施如下措施，首先，在上課前言明課堂紀律，營造良好的課堂環(huán)境，做到課堂氣氛活潑但有紀律，讓學生養(yǎng)成良好的學習習慣。對于上課玩手機的同學強制要求上課期間上交手機，由學習委員保管，對于上課聊天的同學安排坐在前排，對于睡覺的同學通報給其班級輔導員并對其進行嚴厲的批評，從思想上讓其認識到學習科學知識的重要性。其次，嚴格并細化考勤制度，做到曠課、遲到、早退及時通報，完善請假手續(xù)，按時按量完成各項作業(yè)任務，尤其對黨員、班干部要加強紀律管理切不可破壞教學秩序和紀律，從而讓學生建立起制度思維和自我管理能力。再次，采用啟發(fā)式教學模式，鼓勵學生走上講臺講授和討論一些基本概念和算法，激勵學生對所學知識產(chǎn)生質(zhì)疑并通過互動交流解決疑問，培養(yǎng)學生專業(yè)知識鉆研精神、孜孜不倦的科學精神。課后，教師發(fā)布課后作業(yè)或課后測試，通過批改學生的作業(yè)或課后測試題了解和掌握學生的學習情況，進而確認教學效果。對于整體完成度不高的同學，可以通過短信、QQ或者微信等通信工具與學生進行一對一的溝通和交流，及時地給予學生學習上的幫助和指導，激發(fā)學生的學習興趣，引導學生主動參與學習，實現(xiàn)個性化教學。與此同時，加強和輔導員、班主任的溝通，及時了解學生反饋的意見與建議，對于富有建設性的建議給予一定精神和物質(zhì)獎勵，從而不斷改善任課老師的教學管理水平。

6 結(jié)論

計算機組成原理課程作為計算機類專業(yè)的核心課，具有較高的專業(yè)地位和無法替代的作用，是溝通軟件與硬件之間的橋梁。一方面，為了提高本科應用型人才培養(yǎng)質(zhì)量，全面提高計算機組成原理課程在應用型人才培養(yǎng)中的作用；另一方面，目前在處理器以及半導體領域，中美雙方企業(yè)展開了激烈的競爭與較量，計算機組成原理課程作為一門研究計算機芯片的專業(yè)基礎課，擔負著為社會培養(yǎng)專業(yè)能力強的高質(zhì)量應用型人才。因此，通過從教學內(nèi)容、教學方法、教學評價、教學管理等多個方面對計算機組成原理課程進行教學改革與研究，旨在提高本門課程的教學質(zhì)量和教學效果，從而達到應用型本科院校的人才培養(yǎng)目標。