計算機組成原理課程教學改革

楊旭東　肖鐵軍　丁偉　趙蕙

摘要：針對“計算機組成原理”課程的特點及目前教學中存在的問題，對該課程教學環(huán)節(jié)進行研究與探討，提出加強教材建設(shè)、合理組織教學內(nèi)容、采用多種教學模式和教學方法、改進實驗教學等多項改革措施。

關(guān)鍵詞：計算機組成原理；教學改革；教學方法；教學模式

文章編號：1672-5913（2013）07-0046-04

中圖分類號：G642

計算機組成原理是計算機科學與技術(shù)專業(yè)的核心硬件基礎(chǔ)課程，是全國計算機專業(yè)碩士研究生入學考試的重點專業(yè)考試課程之一。它在計算機及其相關(guān)專業(yè)本科教學課程體系中起著承前啟后的作用。該課程內(nèi)容涵蓋計算機系統(tǒng)的基本硬件部件構(gòu)成和組成方式，包括基本的運算操作原理和單元設(shè)計思想、操作方式及其實現(xiàn)等。

通過對該課程的學習，不僅可以幫助學生理解單處理器計算機硬件系統(tǒng)的基本組織結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握單處理器計算機硬件系統(tǒng)的基本分析和設(shè)計方法及相互關(guān)系，還使學生了解計算機系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu)概念，明晰硬件與軟件之間的接口界面，建立起一個完整的計算機系統(tǒng)的整機概念，為后續(xù)相關(guān)硬件課程如計算機體系結(jié)構(gòu)、微型計算機系統(tǒng)原理與接口等課程的學習打下良好的基礎(chǔ)。

1 課程教學現(xiàn)狀

1.1教材建設(shè)問題

計算機組成原理課程教學課時相對較少，但是其理論性強、知識面廣、內(nèi)容多且更新快，教師難教，學生難學。現(xiàn)有計算機系統(tǒng)內(nèi)部都是由超大規(guī)模集成電路組成，缺乏和書本相一致的硬件電路幫助學生加深認識。如果在沒有相關(guān)基礎(chǔ)知識的前提下，直接介紹現(xiàn)有的較復雜的新技術(shù)、新方法和新知識，學生熟悉和掌握有一定困難。

1.2教學方法存在的問題

由于“計算機組成原理”課程的知識點較多，現(xiàn)有的教學課時數(shù)較少，所以教師在教學過程中基本采用傳統(tǒng)的“填鴨灌輸式”教學方法，雖然教學工具從“粉筆+黑板”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂诎?課件”，提高了教學效率，使教學內(nèi)容更加緊湊，但仍然存在許多弊端，比如因為內(nèi)容較多，學生在聽課時沒有充分思考的時間，缺乏足夠的課堂交互，過分依賴拷貝教師的課件，不注重課堂理解，使教學效果較差。

1.3實踐教學問題

計算機組成原理課程的實踐教學在整個課程教學中有著重要作用，其主要實驗內(nèi)容包括運算器、存儲器、控制器等各部件實驗以及基本模型機的課程設(shè)計實驗。但在現(xiàn)有的實踐教學過程中，基本是由老師給出實驗步驟，學生負責驗證完成實驗，對其中用到的相關(guān)知識及工作原理學生不能完全理解，缺乏對實驗過程中出現(xiàn)錯誤的分析和解決能力。如果改用FPGA平臺采用VHDL或Verilog語言進行設(shè)計型實驗，雖然相對驗證型實驗而言，實驗內(nèi)容得到了改進，但由于學生個體差異較大，有的學生在相對有限的實驗時間內(nèi)無法完成，實際效果大打折扣。

2 教學改革

針對以上問題，筆者所在的課程教研組從教材建設(shè)、教學內(nèi)容組織、教學模式、教學方法、實踐教學等幾個角度出發(fā)，進行了一系列教學改革和實踐。

2.1教材建設(shè)

通過分析CC2005教程體系、《高等學校計算機科學與技術(shù)專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告暨專業(yè)規(guī)范和計算機科學與技術(shù)專業(yè)研究生入學考試專業(yè)基礎(chǔ)課全國統(tǒng)一命題考試大綱》對計算機組成原理課程知識點的要求，筆者所在的教研組重新編寫了課程教材，將重點放在講述一般性原理，不針對任何具體的商業(yè)機型，綜合國內(nèi)外計算機類型中較為成熟的先進技術(shù)，兼顧計算機發(fā)展的新技術(shù)、新成果，力求做到深入淺出。同時，為了避免一般性的抽象原理不利于分析理解，該教材即反映了不同的典型結(jié)構(gòu)，也有深入的分析，點面結(jié)合；通過一個模型機的實例將相關(guān)章節(jié)聯(lián)系起來，最終形成一個整機的概念，系統(tǒng)性較強。新教材緊密聯(lián)系實踐環(huán)節(jié)，加深了學生對所學知識的理解深度和應(yīng)用能力，提高了學生的學習興趣，取得了良好的學習效果。

2.2教學內(nèi)容組織

計算機組成原理課程教材的內(nèi)容覆蓋范圍廣、知識點多、理論性強，但是在當前課時日益減少的情況下，不適合不加取舍地照本宣科，如何站在計算機硬件系統(tǒng)課程群的角度對課程內(nèi)容進行適當取舍，對前導課程計算機基礎(chǔ)、數(shù)字邏輯電路已經(jīng)講過的相關(guān)內(nèi)容可以略過，以習題或課堂提問的方式引導學生回憶曾經(jīng)學習的內(nèi)容。對于將在后繼課程中講到的內(nèi)容，比如流水線技術(shù)、虛擬存儲技術(shù)、通道輸入輸出方式等，只提及基本概念、結(jié)構(gòu)和工作原理，不需要精講分析，將相關(guān)內(nèi)容留給后繼課程去講解。

2.3教學模式選擇

改革現(xiàn)有的以課堂教學為主的教學模式，輔以多媒體、網(wǎng)絡(luò)教學。在多媒體課件設(shè)計的過程中，竭力避免大段抄襲教材內(nèi)容的課件，強調(diào)概括突出章節(jié)知識要點，針對課程內(nèi)容抽象、實物演示存在難度的特點，課件主要內(nèi)容以動態(tài)演示為主，生動形象地描述地址流、數(shù)據(jù)流、指令流在計算機內(nèi)部的操作過程，讓學生能以更直觀的方式理解計算機內(nèi)部的信息處理過程，提升課堂教學效果。此外，在網(wǎng)絡(luò)上提供一個以學生為中心的網(wǎng)上學習環(huán)境，除了實現(xiàn)課程相關(guān)資源上網(wǎng)以外，針對每個章節(jié)設(shè)置試題庫，考核學生對相關(guān)知識點的掌握情況，并設(shè)置板塊對歷年考研試題進行解答分析，安排任課教師輪流在網(wǎng)絡(luò)上對學生反饋的相關(guān)學習問題進行答疑解析，使學生與老師的互動不受時間和地點的限制。

2.4教學方法改革

傳統(tǒng)的教學方法是灌輸式的，筆者在對中西方教學方法進行了解和比較后，探索將啟發(fā)式教學、類比式教學、案例教學等多種教學方法綜合應(yīng)用到計算機組成原理課程教學當中。

現(xiàn)有的情境教學、啟發(fā)式教學強調(diào)創(chuàng)設(shè)適合問題的情境。所謂問題的情境是指不能直接使用自身已有的知識處理，但可以間接利用已有知識處理的情境。這就需要教師根據(jù)本課程的教學內(nèi)容，圍繞特定的課程主題，設(shè)計合適的問題，激發(fā)學生的求知欲，強化其學習興趣，引導其主動探求更多的新知識。在教學過程中，教師需要鼓勵學生敢于質(zhì)疑，敢于提問，而且要從不同角度提出問題、思考問題。例如在講解運算器ALU的時候，可以先提出問題，為什么衡量計算機運算速度可以采用每秒鐘多少次加法這個性能指標？加減乘除四則運算之間是否可以合并化簡？從而讓學生思考計算機的算術(shù)運算功能的實現(xiàn)主要依靠什么部件，是否存在同一個部件能夠同時完成所有的四則運算功能？這就可以引申出加法器的基本概念，使學生明白在計算機中用來實現(xiàn)運算的核心部件是加法器。在實際教學過程中，還需要尊重學生的個性思維，給予他們開放式的答案，這對于提升學生的學習興趣，保持學生持續(xù)的學習動機非常有幫助。

類比教學是指在講授過程中將一些概念、策略和思想等比較抽象的內(nèi)容與現(xiàn)實生活中的生動事例進行關(guān)聯(lián)、類比，從而將學生可能認為抽象的概念、理論形象化、生動化，使其掌握知識更牢固。例如，將日常生活中最簡單的接電話與中斷處理過程相聯(lián)系起來，在日常的工作過程中，突然出現(xiàn)的手機鈴聲就是中斷請求信號，打進電話的呼叫者就是發(fā)送請求的中斷源，因為被呼叫者無法預(yù)知呼叫的時間，所以打進電話的過程是個隨機事件，具有和中斷相同的特征——隨機性。手機的分組鈴聲和來電顯示可以用來區(qū)分呼叫者的身份，是用來識別不同中斷來源的標志，這個過程是個中斷識別的過程。而被呼叫者中止當前正在執(zhí)行的工作，選擇接聽或者掛斷電話的過程是中斷響應(yīng)的問題，接聽是響應(yīng)中斷，掛斷則是不響應(yīng)。如果設(shè)置了來電過濾的黑名單和白名單屬于中斷屏蔽的問題，黑名單上的呼叫者將會被屏蔽掉，白名單上的則不會受影響。被呼叫者接聽電話回應(yīng)呼叫者的過程屬于中斷處理過程。接聽完畢，掛斷電話，重新開始原來被中斷的日常工作屬于中斷返回。整個過程和中斷處理過程如出一轍，通過這樣一件簡單的日常事例，學生可以由此及彼的掌握整個中斷過程。

案例教學法在一些法學、管理類教學中早已廣泛運用，它是通過實際案例來反映教學內(nèi)容中的一些基本原理和方法，提高學生思考問題、分析問題和解決問題的能力，重視培養(yǎng)學生學習興趣的一種教學方法。案例教學法關(guān)鍵在于選擇合適的案例，案例必須具有典型性，具有普遍意義，這樣的實例在教學過程中值得花費精力討論和設(shè)計。計算機組成原理課程內(nèi)容比較抽象，案例教學對CPU數(shù)據(jù)通路的教學非常有效，特別是指令執(zhí)行過程部分，通過對模型機案例的信息流分析以及和現(xiàn)代計算機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的直觀對比，介紹計算機系統(tǒng)的新理論和新技術(shù)，加深學生對計算機硬件系統(tǒng)各功能部件的基本原理、基本結(jié)構(gòu)的理解和掌握。

2.5實踐教學改革

2.5.1實驗內(nèi)容改革

學院從過去的固定結(jié)構(gòu)實驗平臺下的驗證性實驗，過渡到FPGA實驗平臺下的設(shè)計性實驗，使實驗項目更加靈活，實驗內(nèi)容與教材內(nèi)容保持一致，避免實驗與課堂教學脫節(jié)的問題，做到課堂教學與實踐環(huán)節(jié)的統(tǒng)一，鞏固教學效果。

2.5.2實踐教學方法改革

從2004年開始，筆者所在的教研組針對不同類型的學生，采用了層次化教學法，并在后續(xù)的實踐中，陸續(xù)采用了任務(wù)驅(qū)動式實踐教學，建立實踐教學平臺等多種方法提高教學效果。層次化教學法是針對學生的個體差異，在教學大綱允許的范圍內(nèi)，將實踐任務(wù)分成基本、常規(guī)、提高3個層次，基本層次完成原理驗證型實驗，常規(guī)層次完成給定框架內(nèi)的設(shè)計并進行驗證，提高層次鼓勵學生綜合所學知識，實踐自己的創(chuàng)新設(shè)計。課程組在編寫指導書時就對不同層次分別指導，如課程設(shè)計指導書中基本層次完成CPU的微程序設(shè)計，著重于理解指令的實現(xiàn)過程，常規(guī)層次還要完成CPU的硬件設(shè)計，從設(shè)計的角度理解計算機的工作原理。在實施中采用學生申請、指導老師審核的方式選擇層次，層次的選擇不影響成績的檔次，保證每個學生都能通過實驗有所收獲。

任務(wù)驅(qū)動式教學就是把所要學習的知識轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的任務(wù)，教師通過引導學生分析任務(wù)、通過主動探求完成任務(wù)來實現(xiàn)所要達到的教學目標。它符合探究教學模式，強調(diào)知識和技能的傳授應(yīng)以完成典型“任務(wù)”為主，強調(diào)學生在密切聯(lián)系學習、生活和社會實踐的有意義的“任務(wù)”情境中，通過完成任務(wù)來學習知識、獲得技能、形成能力。在計算機組成原理課程的實踐教學過程中，以模型機CPU的設(shè)計作為實踐教學的核心任務(wù)。之所以選擇CPU，主要是由于CPU對大多數(shù)計算機專業(yè)學生而言，是既陌生又熟悉的一個具有神秘感的硬件，能夠充分調(diào)動學生的學習興趣；同時CPU又是整個計算機系統(tǒng)的控制處理中心，負責指令的解釋執(zhí)行，實現(xiàn)了對計算機系統(tǒng)中各個功能部件的管理控制，可以幫助學生深入理解計算機的工作原理。在整個實踐教學過程中，這個核心任務(wù)被分解成若干個環(huán)環(huán)相扣的子任務(wù)，如伴隨課堂教學進度進行的運算器、高速緩存、控制器等部件設(shè)計，由淺入深、循序漸進，在期末課程設(shè)計的時候，由學生設(shè)計實現(xiàn)各種不同結(jié)構(gòu)和功能的CPU。學生可以將所學知識融會貫通、綜合運用到CPU設(shè)計過程中，給有潛力的同學留下了足夠的創(chuàng)新空間，對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、創(chuàng)新思維有著較大幫助。

3 結(jié)語

針對目前存在的學生學習興趣不高，課程理論性知識較多，課堂內(nèi)容抽象等問題，課程組通過對教材建設(shè)、教學模式、教學內(nèi)容的組織等多個方面的不斷改革，取得了較好的教學效果。多項教學改革的綜合應(yīng)用表明，師生之間的教學互動得到了加強，學生的學習興趣大大提高，學習的主動性和積極性被充分調(diào)動，課程教學從課堂內(nèi)延伸到課外。但還應(yīng)注意到，隨著生產(chǎn)工藝的不斷提高，傳統(tǒng)的計算機硬件不斷地被取代，單核處理器已逐漸被淘汰，計算機組成原理的教學改革任重而道遠，在今后的教學實踐過程中，應(yīng)結(jié)合當前的發(fā)展動態(tài)、發(fā)展方向，結(jié)合學校學生的實際情況，不斷深入和完善。

（編輯：趙廓）