來(lái)華留學(xué)生計(jì)算機(jī)組成原理課教學(xué)方法初探與思考

[摘 要]計(jì)算機(jī)組成原理課是本科計(jì)算機(jī)、軟件工程相關(guān)專業(yè)的核心學(xué)科基礎(chǔ)課。結(jié)合來(lái)華留學(xué)生們獨(dú)特的多元文化的特點(diǎn)，對(duì)留學(xué)生可進(jìn)行分層次培養(yǎng)教學(xué)實(shí)踐，從而提高課程教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]來(lái)華留學(xué)生；計(jì)算機(jī)組成原理；課程建設(shè)

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）04-0114-02

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)力的不斷增強(qiáng)，我國(guó)在國(guó)際上的影響力及地位也在不斷提高，來(lái)華留學(xué)生的人數(shù)不斷增長(zhǎng)。教育管理部門一直很重視各個(gè)學(xué)校的國(guó)際化辦學(xué)規(guī)模和質(zhì)量，已經(jīng)制定了力爭(zhēng)到2020年實(shí)現(xiàn)來(lái)華留學(xué)生總數(shù)量達(dá)到50萬(wàn)這一中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃。[1]如何保證留學(xué)生的教育質(zhì)量，一直是教學(xué)工作者及管理部門十分關(guān)注的問題。

自從開設(shè)面向來(lái)華留學(xué)生的純英文本科、碩士和博士學(xué)位教學(xué)以來(lái)，南京航空航天大學(xué)來(lái)華留學(xué)生規(guī)模一直穩(wěn)定增長(zhǎng)，在培養(yǎng)質(zhì)量方面保持穩(wěn)步提高。筆者根據(jù)幾年來(lái)在計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)中遇到的問題、教學(xué)改革嘗試、教學(xué)管理的體會(huì)，總結(jié)留學(xué)生計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)中遇到的問題，介紹留學(xué)生教學(xué)的分層次培養(yǎng)模式的嘗試，探討提高教學(xué)效果的手段。

計(jì)算機(jī)組成原理課作為計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)的核心課程[2] ，無(wú)論是對(duì)計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的本國(guó)本科學(xué)生，還是對(duì)軟件工程與管理專業(yè)的本科留學(xué)生來(lái)說(shuō)，都有著舉足輕重的作用。

一、留學(xué)生教學(xué)方法研究的必要性與教學(xué)模式

留學(xué)生有自己的特點(diǎn)，需要充分分析留學(xué)生的特點(diǎn)，才能有的放矢，提高教學(xué)質(zhì)量。

（一）留學(xué)生生源的國(guó)際化

從地域上來(lái)說(shuō)，留學(xué)生們來(lái)自東南亞的泰國(guó)、馬來(lái)西亞、印度尼西亞，南亞的印度、巴基斯坦、斯里蘭卡，中亞的哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦，西亞的阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)、也門、伊拉克、卡塔爾，非洲的埃及、加蓬、博茨瓦納、埃塞俄比亞、肯尼亞、盧旺達(dá)、布隆迪、津巴布韋、剛果共和國(guó)、蘇丹、坦桑尼亞、剛果民主共和國(guó)、烏干達(dá)、尼日利亞、赤道幾內(nèi)亞，還有來(lái)自歐洲的德國(guó)、法國(guó)，以及美洲的美國(guó)，其中來(lái)自非洲的學(xué)生占一半以上。他們的文化背景、宗教信仰存在很大差別。通過(guò)了解他們的國(guó)籍，對(duì)部分有專門信仰的學(xué)生，多給予他們一些關(guān)心，多和他們交流，這能讓學(xué)生們適應(yīng)環(huán)境，對(duì)提高課堂教學(xué)效果有很大的幫助。[3]

（二）留學(xué)生來(lái)華前的教育及工作背景的多樣性

在留學(xué)生中，有的留學(xué)生在高中畢業(yè)后，到英國(guó)或美國(guó)學(xué)習(xí)過(guò)1年或兩年計(jì)算機(jī)的相關(guān)大學(xué)課程，由于學(xué)費(fèi)等原因而轉(zhuǎn)學(xué)到我校學(xué)習(xí)。有個(gè)別留學(xué)生在高中畢業(yè)后從事過(guò)一段時(shí)間與計(jì)算機(jī)或通信相關(guān)的工作，還有的留學(xué)生開設(shè)過(guò)與計(jì)算機(jī)相關(guān)的公司，合伙開設(shè)過(guò)計(jì)算機(jī)電腦或通信方面的銷售與維護(hù)。特別是有的留學(xué)生在高中時(shí)，選擇過(guò)與計(jì)算機(jī)相關(guān)的數(shù)字電子、信息方面的課程內(nèi)容。對(duì)于這些學(xué)生來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理課會(huì)比較輕松。還有一部分沒有學(xué)過(guò)相關(guān)知識(shí)的留學(xué)生，他們學(xué)習(xí)起來(lái)就感覺到吃力。大部分學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不強(qiáng)，亞洲學(xué)生數(shù)學(xué)知識(shí)相對(duì)較強(qiáng)。通過(guò)了解這些背景知識(shí)，有助于在課堂上對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行講解，明白哪些內(nèi)容學(xué)生容易接受。

（三）留學(xué)生們的優(yōu)點(diǎn)

留學(xué)生們動(dòng)手能力普遍比較強(qiáng)、參與討論的積極性比較強(qiáng)；他們自我表現(xiàn)的能力強(qiáng)，但是主動(dòng)演講的動(dòng)力不足；他們自尊心比較強(qiáng)，團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和互相幫助的精神都比較強(qiáng)。大部分留學(xué)生都能夠獨(dú)立思考，而且比較直率，有不懂的，都會(huì)及時(shí)問，直到他們弄懂。學(xué)生間都能互相幫助，具有集體精神。留學(xué)生們能夠尊重教師，喜歡和教師交流課堂內(nèi)講到的以及課堂外其他專業(yè)方向上的問題；大部分留學(xué)生都能認(rèn)真做作業(yè)，字跡比較端正，甚至是漂亮。當(dāng)留學(xué)生在課上和別的學(xué)生講話、不能認(rèn)真聽講時(shí)，如果教師及時(shí)提醒他（或她），學(xué)生都能轉(zhuǎn)而認(rèn)真聽講。

二、留學(xué)生教學(xué)實(shí)踐

（一）外文原著教材選擇

留學(xué)生的課程是純英文教學(xué)，只能選用英文版的教材。在最初教學(xué)時(shí)，筆者選擇了英文版的教材《Computer Organization and Design：The Hardware/Software Interface》。但是用了一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)留學(xué)生們接受得不是很好，沒有達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。后來(lái)筆者分析了一下原因。一方面，這本教材的內(nèi)容很豐富，也有很多理論知識(shí)，但是缺少直接讓學(xué)生們動(dòng)手練習(xí)、動(dòng)手做的內(nèi)容。另一方面，大部分留學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)、掌握新知識(shí)的能力具有局限性。這就造成了學(xué)生們接受理論知識(shí)的差距。經(jīng)過(guò)分析后，筆者在后來(lái)的講課中增加了David Harris和Sarah Harris合著的英文版教材《Digital Design and Computer Architecture》中的內(nèi)容。后者是對(duì)前者的補(bǔ)充和豐富，為學(xué)生提供了很多便于動(dòng)手練習(xí)的例子。學(xué)生們學(xué)習(xí)這本書后，慢慢能夠接受和理解書中的特別是關(guān)于處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面的內(nèi)容，這在無(wú)形中提高了教學(xué)效果。

（二）教學(xué)內(nèi)容的精煉優(yōu)化組合

在課程教學(xué)中，應(yīng)把教學(xué)重點(diǎn)放在基本概念、基本原理和具體的實(shí)現(xiàn)方法上。對(duì)于某種計(jì)算機(jī)架構(gòu)的微體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)組成原理課主要的核心內(nèi)容。在這門課程的教學(xué)中，筆者選擇了MIPS處理器微體系架構(gòu)作為主要的學(xué)習(xí)內(nèi)容，精煉這部分教學(xué)內(nèi)容，圍繞計(jì)算機(jī)組成原理的重要內(nèi)容，講透徹、講細(xì)這部分內(nèi)容，以便學(xué)生能夠掌握。一些關(guān)鍵性的知識(shí)內(nèi)容，如從運(yùn)算器、控制器到整個(gè)中央處理器的組成和工作原理，存儲(chǔ)器的組成方法和讀、寫原理、外部設(shè)備的組織及讀寫等操作的工作原理，作為重點(diǎn)內(nèi)容要講清、講透。特別是基于MIPS的指令編碼在組成原理課中起到承上啟下的作用，數(shù)據(jù)通路及控制器的設(shè)計(jì)是單周期CPU設(shè)計(jì)中的核心內(nèi)容。本課程運(yùn)用例子重點(diǎn)介紹了寄存器型、立即數(shù)型、無(wú)條件跳轉(zhuǎn)型指令的編碼格式，這些內(nèi)容要講透徹。在介紹數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生在CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)流的概念，數(shù)據(jù)可以在存儲(chǔ)單元和計(jì)算部件及單元間的流動(dòng)；在介紹控制單元的時(shí)候，重點(diǎn)幫助學(xué)生們樹立控制信號(hào)產(chǎn)生機(jī)制的概念，讓學(xué)生理解明白依據(jù)每條指令中的哪些位可以對(duì)數(shù)據(jù)通路中的哪些操作、計(jì)算部件產(chǎn)生哪些控制信號(hào)。這是幫助學(xué)生理解控制器和數(shù)據(jù)通路交互的關(guān)鍵。

（三）抽象和具體相組合的教學(xué)方法的運(yùn)用

在教學(xué)中，通過(guò)加強(qiáng)對(duì)相關(guān)市場(chǎng)產(chǎn)品的介紹，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)整機(jī)系統(tǒng)的理解和掌握。通過(guò)把書中一些抽象的概念與學(xué)生能夠觸手可及的產(chǎn)品相結(jié)合，加強(qiáng)其認(rèn)識(shí)能力，既可以提高他們學(xué)習(xí)這門課的興趣，又可以加深他們對(duì)計(jì)算機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的組成原理的理解。在對(duì)CPU內(nèi)部工作機(jī)理及設(shè)計(jì)講解清楚后，結(jié)合處理器的架構(gòu)，介紹主要CPU產(chǎn)商的主要產(chǎn)品。介紹市場(chǎng)上主要的存儲(chǔ)芯片產(chǎn)品作為存儲(chǔ)器相關(guān)內(nèi)容的補(bǔ)充；介紹業(yè)界主要的具體的磁盤產(chǎn)品，如西部數(shù)據(jù)的產(chǎn)品及電腦主板產(chǎn)品，如華碩的主板作為輸入輸出系統(tǒng)的主要例子。

（四）虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)中有著很重要的地位。虛擬實(shí)驗(yàn)越來(lái)越多地被用到計(jì)算機(jī)組成原理課程的實(shí)驗(yàn)中。[4]在教學(xué)中，筆者增加了EDA工具的介紹，加強(qiáng)了學(xué)生們采用ModelSim進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的方法。指導(dǎo)學(xué)生們運(yùn)用硬件描述語(yǔ)言Verilog進(jìn)行MIPS（子集）處理器的設(shè)計(jì)性實(shí)踐，從常用的七條指令開始設(shè)計(jì)出單周期的處理器。對(duì)于部分掌握得好的學(xué)生，在Modelsim中驗(yàn)證設(shè)計(jì)正確后，用FPGA作為目標(biāo)板進(jìn)行實(shí)物的實(shí)驗(yàn)，以此來(lái)加深學(xué)生對(duì)整機(jī)的認(rèn)識(shí)。在實(shí)驗(yàn)中，培養(yǎng)學(xué)生的分工協(xié)作、團(tuán)隊(duì)合作精神，讓掌握得好的學(xué)生幫助有困難的學(xué)生一起共同進(jìn)步；引導(dǎo)學(xué)生們做好系統(tǒng)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)他們用工程性方法構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的能力。

三、關(guān)于留學(xué)生計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)的思考

關(guān)于專業(yè)課教學(xué)學(xué)時(shí)。從學(xué)校的角度來(lái)說(shuō)，這是完全按照教育部的要求來(lái)安排通識(shí)教育、學(xué)科基礎(chǔ)、專業(yè)教育、學(xué)科拓展各個(gè)部分相關(guān)課程的設(shè)置與各個(gè)課程的教學(xué)學(xué)時(shí)的。但是，學(xué)生普遍反映與漢語(yǔ)教學(xué)相關(guān)的課程數(shù)目及總學(xué)時(shí)偏多，過(guò)多地占用了他們學(xué)習(xí)與計(jì)算機(jī)相關(guān)的專業(yè)知識(shí)的時(shí)間。除了中國(guó)概況、 中國(guó)文化這兩門全英文授課的必修課外，與漢語(yǔ)教學(xué)有關(guān)的必修課的總學(xué)時(shí)超過(guò)了350學(xué)時(shí)。目前，我國(guó)對(duì)來(lái)華留學(xué)生完成學(xué)業(yè)后留在中國(guó)工作的限制還是比較嚴(yán)格，無(wú)法給大部分來(lái)華留學(xué)生提供就業(yè)機(jī)會(huì)。這個(gè)需要引起教育主管部門的關(guān)注。我國(guó)給來(lái)華留學(xué)生提供學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，培養(yǎng)國(guó)際化的人才是一個(gè)重要目標(biāo)。

關(guān)于課程銜接。數(shù)字邏輯這一門作為計(jì)算機(jī)組成原理的先修課，能夠給學(xué)生介紹基本的EDA工具的使用、基本的數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)、測(cè)試方法及基本的數(shù)字邏輯單元的設(shè)計(jì)、開發(fā)和驗(yàn)證。只有在比較熟練地掌握了基本的數(shù)字邏輯單元后，留學(xué)生們才能在計(jì)算機(jī)組成原理課上再借助指令系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和掌握，像搭積木一樣組合（組裝）出數(shù)據(jù)通路部分和控制部分，進(jìn)而設(shè)計(jì)出一個(gè)簡(jiǎn)單的處理器。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 余承海.程晉寬.來(lái)華留學(xué)生教育發(fā)展的新特征[J].高教發(fā)展與評(píng)估，2011（5）：118-131.

[2] 袁春風(fēng)，張澤生，蔡曉燕，楊若瑜，王帥.計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)踐教學(xué)探索[J].計(jì)算機(jī)教育，2011（17）：110-114.

[3] 胡炯梅，姚雪玲.來(lái)華留學(xué)生跨文化人際交往障礙與調(diào)適研究[J].新疆師范大學(xué)學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版），2014（2）：129-132.

[4] 王冬.《計(jì)算機(jī)組成原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究與實(shí)踐[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版），2015（6）：50-52.

[責(zé)任編輯：陳 明]