統(tǒng)考下的“計(jì)算機(jī)組成原理”教學(xué)方法探討

摘要:“計(jì)算機(jī)組成原理”課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)本科階段一門極其重要的課程，歷來(lái)是計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中的重點(diǎn)，同時(shí)也是考研統(tǒng)考中所占比例很大的一門課程。文章分析“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的考研大綱及其考點(diǎn)分布，探討“計(jì)算機(jī)組成原理”教學(xué)與學(xué)生能力培養(yǎng)之間的關(guān)系，提出一種研究性的教學(xué)方法。根據(jù)筆者的長(zhǎng)期從事計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)統(tǒng)考下的計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)方法進(jìn)行了一些有益的探討。實(shí)踐證明，這樣的方法也的確收到了良好的效果。

關(guān)鍵詞:考研;計(jì)算機(jī)組成原理;課程改革;教學(xué)方法

2009年以前計(jì)算機(jī)考試是各個(gè)學(xué)校自己命題，根據(jù)各個(gè)學(xué)校對(duì)考生的要求和學(xué)校老師的研究方向確定不同的考試科目。一般從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、組成原理、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)這四門課中挑選兩到三門來(lái)考。不同學(xué)校的試題難度相對(duì)不同學(xué)校的學(xué)生存在有非客觀的因素。為使學(xué)生在計(jì)算機(jī)專業(yè)課考試中有一個(gè)客觀的評(píng)價(jià)，教育部針對(duì)這個(gè)問(wèn)題提出了統(tǒng)考科目。眾所周知，計(jì)算機(jī)學(xué)科整個(gè)課程體系粗略可以分為軟件理論和硬件理論兩部分?！皵?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”是軟件課程的基礎(chǔ)，“計(jì)算機(jī)組成原理”是硬件課程的基石。在這兩門課程的基礎(chǔ)上，操作系統(tǒng)講述的是如何使計(jì)算機(jī)展現(xiàn)給用戶強(qiáng)大而易用的功能。隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的興起，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行基本原理也顯得越發(fā)重要起來(lái)。因此，將這四門課被選定為計(jì)算機(jī)專業(yè)研究生入學(xué)考試考查的課程還是比較科學(xué)的。計(jì)算機(jī)專業(yè)考研統(tǒng)考給我們的計(jì)算機(jī)教學(xué)提出了新的要求。

1 “計(jì)算機(jī)組成原理”考研大綱解析

1.1大綱考查目標(biāo)

首先我們要知道考研大綱的考查目標(biāo)，大綱中明確指出了課程的考查目標(biāo)為:

(1) 理解單處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)以及相互連接方式，具有完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念。

(2) 理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)概念，熟悉硬件與軟件之間的界面，掌握指令集體系結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)和基本實(shí)現(xiàn)方法。

(3) 能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)組成的基本原理和基本方法，對(duì)有關(guān)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中的理論和實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算、分析，并能對(duì)一些基本部件進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。

1.2大綱解析

從大綱的考查目標(biāo)以及近兩年的真題中可以看出“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的教學(xué)內(nèi)容不僅要傳授有關(guān)硬件設(shè)計(jì)的課本知識(shí)，更要重視理論知識(shí)與實(shí)踐過(guò)程的結(jié)合，將知識(shí)綜合靈活運(yùn)用，重視學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)。本課程應(yīng)該著重培養(yǎng)學(xué)生關(guān)于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)方面的3種能力:即計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的認(rèn)知能力、設(shè)計(jì)能力與創(chuàng)新能力。課程主要通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)各功能部件的組成及運(yùn)行原理的分析、講解和配套實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的系統(tǒng)級(jí)認(rèn)知能力。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的機(jī)器表示、運(yùn)算方法及運(yùn)算部件的組成等知識(shí)點(diǎn)的講解和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)的運(yùn)算特征;通過(guò)指令系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)匯編級(jí)的結(jié)構(gòu)特征和基本操作描述方法;通過(guò)存儲(chǔ)系統(tǒng)的詳細(xì)講解和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能從容量、速度和成本的角度理解多層次存儲(chǔ)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和工作原理;通過(guò)CPU及控制單元的功能和結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析，結(jié)合指令執(zhí)行控制的深入講解和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)指令執(zhí)行的實(shí)質(zhì)和控制單元的基本實(shí)現(xiàn)方法;通過(guò)總線、輸入輸出接口及外部設(shè)備等知識(shí)的講解，使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部的交互方式。

2教學(xué)方法探討

2.1教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)大綱及其所涉及的知識(shí)點(diǎn)的分析來(lái)看，“計(jì)算機(jī)組成原理”考研大綱首先要求學(xué)生了解各部件的內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)以及相互連接方式，具有完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念。也就是要求學(xué)生既能夠從全局或宏觀的角度掌握計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和工作原理，又能從局部或微觀的角度理解計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的工作過(guò)程和交互方式。任課教師不但要使學(xué)生清晰地了解所學(xué)內(nèi)容在課程知識(shí)結(jié)構(gòu)中的位置以及和其他部分之間的關(guān)系，還要使學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容具有清晰的脈絡(luò)和思路，這對(duì)學(xué)生全面地掌握本課程的知識(shí)具有十分重要的作用。因此，有必要研究并實(shí)踐一種有效的教學(xué)模式，使學(xué)生從微觀層面掌握課程知識(shí)單元、從宏觀層面建立該課程知識(shí)體系，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生關(guān)于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的認(rèn)知能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力[1]。

在實(shí)踐中，我們從知識(shí)與能力兩個(gè)層次，課堂與實(shí)驗(yàn)兩個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)“計(jì)算機(jī)組成原理”課程與實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，采用自頂向下的教學(xué)思路，建立了一種從整體功能推進(jìn)到局部組成、從微觀實(shí)現(xiàn)抽象到宏觀結(jié)構(gòu)的層次化課程內(nèi)容設(shè)計(jì)模式。通過(guò)提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、分析功能需求、探討解決思路、總結(jié)功能特征、介紹設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容展開(kāi)模式，分別對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)、計(jì)算單元、控制單元和輸入輸出系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，貫徹局部組成體現(xiàn)整體功能、微觀實(shí)現(xiàn)體現(xiàn)宏觀結(jié)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)思路，同時(shí)突出“功能分析”和“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”兩條主線。

2.2教學(xué)方法

在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，有些學(xué)生，甚至老師認(rèn)為各硬件課程之間的銜接并不緊密，互不相干。有的教師講到的知識(shí)點(diǎn)如果用到了前導(dǎo)課程的知識(shí)，很多老師在這里就只是一筆帶過(guò)，沒(méi)有將前導(dǎo)課的知識(shí)點(diǎn)和本課程銜接和過(guò)渡起來(lái)，而知識(shí)之間的貫穿、聯(lián)系去靠學(xué)生自己去領(lǐng)悟，這樣的教學(xué)效果可想而知。因?yàn)檎n程與課程之間的聯(lián)系內(nèi)容對(duì)同學(xué)們對(duì)舊知識(shí)的加深和對(duì)新知識(shí)的理解起著非常重要的作用，教師明確將這種銜接和過(guò)渡告訴學(xué)生，學(xué)生才能在大腦里形成一個(gè)嚴(yán)密完整、一環(huán)扣一環(huán)的硬件體系[2]。

在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的系統(tǒng)級(jí)認(rèn)知能力的基礎(chǔ)上，我們通過(guò)對(duì)運(yùn)算部件、存儲(chǔ)系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、控制單元、整機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法等知識(shí)的講解，結(jié)合相應(yīng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的理解和設(shè)計(jì)能力。在設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的具體方式上，可通過(guò)課堂講授、課后練習(xí)、配套實(shí)驗(yàn)等形式分層次實(shí)現(xiàn)。如課堂講授可重點(diǎn)介紹系統(tǒng)和部件的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)過(guò)程等內(nèi)容;課后練習(xí)可進(jìn)行框架性設(shè)計(jì);配套實(shí)驗(yàn)可圍繞規(guī)范、典型的模型系統(tǒng)，從功能部件的實(shí)現(xiàn)開(kāi)始，直至最終設(shè)計(jì)出一臺(tái)具備基本運(yùn)算能力和存儲(chǔ)能力、支持有限指令集的計(jì)算機(jī)設(shè)備。從而達(dá)到驗(yàn)證功能部件和系統(tǒng)的功能，掌握必要的硬件描述語(yǔ)言、設(shè)計(jì)工具及仿真環(huán)境，體驗(yàn)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，掌握相關(guān)硬件設(shè)計(jì)技術(shù)與方法等目的。

課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)應(yīng)著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，在培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知和設(shè)計(jì)能力的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)不同階段面臨的問(wèn)題及其技術(shù)發(fā)展的分析和探討，體會(huì)在特定的技術(shù)條件下的創(chuàng)新思維;針對(duì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)面臨的新問(wèn)題和新需求，結(jié)合新技術(shù)向?qū)W生介紹該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，引領(lǐng)學(xué)生突破思維定勢(shì)，以此培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。通過(guò)集成計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)等課程知識(shí)內(nèi)容的綜合課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的基本創(chuàng)新能力。

3教學(xué)方法實(shí)踐

在教學(xué)中筆者還有意識(shí)地運(yùn)用以下一些方法。

3.1多媒體教學(xué)

“計(jì)算機(jī)組成原理”傳統(tǒng)的教學(xué)方法是采用粉筆加黑板的教學(xué)方式，教學(xué)手段單一。很多工作過(guò)程都發(fā)生在芯片內(nèi)部，看不見(jiàn)也摸不著，內(nèi)容很抽象，而且電路圖、時(shí)序圖也非常多。如果總是空講或是單憑老師在黑板上畫是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足授課需要的。要解決這個(gè)問(wèn)題，就得充分利用現(xiàn)代的多媒體手段，上課的時(shí)候通過(guò)多媒體課件，使同學(xué)們有一個(gè)直觀的、感性的認(rèn)識(shí)，同時(shí)擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面。比如:要講解CPU執(zhí)行指令的時(shí)候，最好制作一個(gè)能反映 CPU每一步工作流程的動(dòng)畫，動(dòng)畫生動(dòng)地反映了計(jì)算機(jī)指令被執(zhí)行的詳細(xì)過(guò)程，指令如何流動(dòng)，數(shù)據(jù)如何獲取，結(jié)果如何存放。這樣就能使同學(xué)們直觀地獲得感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)也加深了大家對(duì)理論知識(shí)的理解和記憶。

3.2啟發(fā)式教學(xué)

啟發(fā)式教學(xué)是指教師有意識(shí)地提出一些現(xiàn)象或問(wèn)題去引導(dǎo)學(xué)生思考。例如，講解加法器的時(shí)候引導(dǎo)學(xué)生思考:ALU內(nèi)部有加法器，那么有減法器嗎?教師進(jìn)一步引導(dǎo):補(bǔ)碼出現(xiàn)的意義是什么，補(bǔ)碼如何實(shí)現(xiàn)減變加?經(jīng)過(guò)啟發(fā)引導(dǎo)，學(xué)生把前后兩個(gè)看似孤立的知識(shí)點(diǎn)有機(jī)聯(lián)系在一起，構(gòu)成完整的知識(shí)體系。

3.3類比教學(xué)

類比教學(xué)是在授課過(guò)程中將一些概念、策略和思想等與現(xiàn)實(shí)生活中的生動(dòng)事例進(jìn)行關(guān)聯(lián)、類比。使學(xué)生更容易理解和牢固掌握教學(xué)內(nèi)容、抓住關(guān)鍵思想。例如:為了便于理解指令尋址方式，用生活事例類比:你想找張三，如果張三與你在同一辦公室，在辦公室可直接找到他，這相當(dāng)于立即數(shù)尋址;如果張三與你不在同一單位，但你知道他的家庭地址。根據(jù)地址到張三家可以找到他，這是直接尋址:如果你不知道張三的地址，但是你知道李四的地址，而李四知道張三的地址，可以通過(guò)李四找到張三，這就是間接尋址。再如，把存儲(chǔ)層次中的映像規(guī)則與閱覽室的位置分配進(jìn)行類比;把局部性原理與衣柜里存放什么衣服以及電腦的桌面放什么圖標(biāo)相關(guān)聯(lián);把流水線技術(shù)與工業(yè)流水線進(jìn)行類比等[3]。

還有在講述計(jì)算饑存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，學(xué)生對(duì)Cache在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用不能準(zhǔn)確把握，此時(shí)可以列舉:假?zèng)]學(xué)生要找一個(gè)同學(xué)的電話號(hào)碼，一個(gè)途徑是從整個(gè)城市的電活號(hào)碼薄中去查，另一個(gè)途徑是在自己隨身攜帶的手機(jī)通訊錄中去查，顯然在手機(jī)通訊錄中去查會(huì)快得多。這例子形象地說(shuō)明了在Cache中獲取數(shù)據(jù)會(huì)比在主存中獲取數(shù)據(jù)更快，另外也說(shuō)明了Cache的另一個(gè)特點(diǎn):雖然存儲(chǔ)容量有限，但所存儲(chǔ)的信息是較常用的。又例如教學(xué)總線寬度的慨念，可借助于城市道路寬度來(lái)類比說(shuō)明。

3.4根據(jù)教材內(nèi)容補(bǔ)充最新的實(shí)用知識(shí)

計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和教材的出版周期的不協(xié)調(diào)，使得教材中部分知識(shí)顯得較老或過(guò)時(shí)，這也是造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高的原因之一。因此，教學(xué)過(guò)程的每一環(huán)節(jié)，都盡量補(bǔ)充一些當(dāng)前最新技術(shù)的發(fā)展情況和新型元器件的介紹。讓學(xué)生不但能在該課程中學(xué)習(xí)到理論知識(shí)，還能開(kāi)闊眼界并學(xué)習(xí)到實(shí)用的知識(shí)，從而有效提高學(xué)習(xí)積極性[4]。如:在講述內(nèi)存的存儲(chǔ)單元工作原理和讀寫工作周期時(shí)，也可以補(bǔ)充一些與當(dāng)前流行的計(jì)算機(jī)內(nèi)存的相關(guān)知識(shí)，如SDRAM、DDR、DDRII等，以及內(nèi)存工作參數(shù)如PC150、DDR266、DDRII800等。又如:講存儲(chǔ)器時(shí)，也可以補(bǔ)充ROM、PROM、EPROM、EEPROM，使學(xué)生在比較中了解這幾種存儲(chǔ)器的區(qū)別和發(fā)展歷史。在輸入輸出系統(tǒng)教學(xué)中，需要指出哪些技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)過(guò)時(shí)，讓學(xué)生清楚了解輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程。同時(shí)補(bǔ)充一些當(dāng)前最新的輸入輸出設(shè)備的發(fā)展、技術(shù)和性能，如 U盤和串行硬盤存儲(chǔ)系統(tǒng)、液晶顯示系統(tǒng)等。由于這些最新的技術(shù)和產(chǎn)品是學(xué)生經(jīng)常接觸到的，相關(guān)知識(shí)容易吸引他們的興趣，讓學(xué)生清楚地理解教材內(nèi)容究竟有哪些實(shí)際應(yīng)用，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)也學(xué)到一些與實(shí)踐和應(yīng)用相關(guān)的知識(shí)。這樣，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的記憶不再孤立，而能進(jìn)行關(guān)聯(lián)記憶，產(chǎn)生較好的教學(xué)效果。

4結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)“計(jì)算機(jī)組織原理”課程的難度還是較高，在計(jì)算機(jī)專業(yè)課里占到45分。在學(xué)習(xí)的時(shí)候要特別注意以下幾點(diǎn)，第一要正確理解大綱的基本概念，掌握概念的一些要點(diǎn);第二把概念和原理聯(lián)系起來(lái)，不要孤立學(xué)習(xí)某一部分，要關(guān)聯(lián)起來(lái)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)各個(gè)部件之間本來(lái)就是一個(gè)相互聯(lián)系的整體;第三要把握重點(diǎn)、難點(diǎn)，主次分清。

以上是筆者在多年“計(jì)算機(jī)組成原理”教學(xué)改革摸索過(guò)程中的一些心得體會(huì)，歸納起來(lái)就是:通過(guò)合理組織硬件課程的知識(shí)內(nèi)容，使它們?cè)斅缘卯?dāng)，突出重點(diǎn);充分結(jié)合實(shí)際，引入當(dāng)前的許多實(shí)例來(lái)豐富學(xué)習(xí)的內(nèi)容，提高同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣;采用新的教學(xué)方法，使用多種教學(xué)工具充分調(diào)動(dòng)同學(xué)們學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)組成的實(shí)際分析、設(shè)計(jì)和動(dòng)手操作能力。通過(guò)以上這幾個(gè)方面來(lái)提高課程的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)課程的建設(shè)與發(fā)展。在教授知識(shí)的同時(shí)，作為教師也應(yīng)該不斷學(xué)習(xí)提高，加強(qiáng)學(xué)科科研，立足教學(xué)，只有這樣教師才能把“計(jì)算機(jī)組成原理”課程講好，學(xué)生才能更加深入地理解和掌握課程內(nèi)容，對(duì)考研大綱所要求的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)才能更加融會(huì)貫通，當(dāng)然也能夠取得較為理想的考試成績(jī)。

參考文獻(xiàn):

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Discussion of Teaching Method to the Principles of Computer Organization

under the Environment of National Unified Exams

WANG Ding-lei

(Anyang Normal University， Anyang 455002， China)

Abstract: The Principles of Computer Organization is a very important course during the stage of undergraduate to the major of computer science. It is always the focus of computer science teaching， and occupy a high proportion in the postgraduate entrance exams. The outline and exam focus on the course has been analyzed.， and the relationship between teaching and training on student ability has been discussed. A kind of researched teaching methods has been explored and practiced. Some teaching methods has been discussed for the course under the environment of national unified exams according to the author’s long-term experience of computer hardware teaching. These methods have been proved effectively in the practice.

Key words: postgraduate entrance exams; the Principles of Computer Organization; reform of course; teaching method

(編輯:彭遠(yuǎn)紅)