用“工程思維”引領(lǐng)《計算機組成原理》課程教學(xué)

傅籬

摘 要： 《計算機組成原理》是大學(xué)計算機類專業(yè)的一門硬件核心課程，課程的難度和對硬件知識的高要求使得這門課程是公認的較難學(xué)的課程。作者就如何培養(yǎng)學(xué)生對計算機硬件的學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)質(zhì)量結(jié)合自己的工程實踐做了探索。

關(guān)鍵詞： 《計算機組成原理》 工程思維 教學(xué)探索

《計算機組成原理》是計算機科學(xué)與技術(shù)及信息類相關(guān)專業(yè)的一門核心課程，這門課程不針對具體機型，而是從計算機系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)角度講述計算機的基本原理，對計算機系統(tǒng)的硬件設(shè)計具有理論指導(dǎo)意義。這門課程涉及的基礎(chǔ)理論、基本概念較多，有較強的理論性，如果采用一般的教學(xué)方法，學(xué)生學(xué)習(xí)起來感到難懂和枯燥，是公認的學(xué)習(xí)難度和教學(xué)難度較高的一門課程。

如何讓學(xué)生提高對這門課程的學(xué)習(xí)興趣、積極思考，努力投入的硬件知識的學(xué)習(xí)中，我在十多年的課程教學(xué)和科研實踐中，探索從“工程思維”的角度引領(lǐng)課程教學(xué)，取得較好的教學(xué)效果，受到學(xué)生的歡迎。

一、《計算機組成原理》課程定位

首先，計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)是一個工科類的專業(yè)，它是在計算機這個工業(yè)產(chǎn)品出現(xiàn)后，隨著計算機軟件、硬件技術(shù)飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，從而誕生的一個新興專業(yè)。計算機技術(shù)的理論、基本原理都和工程技術(shù)密不可分?！队嬎銠C組成原理》是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)中有關(guān)硬件部分的核心基礎(chǔ)課程。

從產(chǎn)品設(shè)計的角度看，計算機硬件設(shè)計本身就是一個工程項目或者工業(yè)產(chǎn)品，《計算機組成原理》涉及的理論、原理都是在計算機產(chǎn)品發(fā)展過程中總結(jié)、歸納、提升出來的。所以在學(xué)習(xí)這門課程時，不能用一種純理論的學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)，而是要用一種“工程思維”的方式學(xué)習(xí)。比如在工程設(shè)計過程中，不能只考慮產(chǎn)品的性能，而是要考慮產(chǎn)品功能的擴展性、可維護性、產(chǎn)品性價比?！队嬎銠C組成原理》課程中的總線技術(shù)、Cache技術(shù)都體現(xiàn)了這樣一種設(shè)計思想和理念。同時計算機的硬件結(jié)構(gòu)隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷進步在不斷改變，《計算機組成原理》課程內(nèi)容不斷更新。

由于計算機硬件是和工程實際緊密相連的，作為指導(dǎo)計算機硬件設(shè)計的《計算機組成原理》這門課程就不能像《高等數(shù)學(xué)》、《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》、《數(shù)字邏輯》等課程一樣，只是偏重從理論上講解，而是要從工程設(shè)計的角度講解才能使得學(xué)生聽得懂、有興趣，同時也有更深刻的理解。

二、“工程思維”引領(lǐng)教學(xué)的具體實踐

用工程思維的方式引領(lǐng)《計算機組成原理》課程教學(xué)，是指要求學(xué)生站在一個工程師的角度思考如何設(shè)計一個計算機系統(tǒng)？在設(shè)計一個計算機系統(tǒng)時需要解決哪些問題？把整個課程的知識點融入項目設(shè)計中。這樣就帶出目前計算機系統(tǒng)是如何解決這些問題的？通過老師在學(xué)生積極思考后的講解，從而學(xué)到相關(guān)的理論和方法。

這種以“工程思維”作為引領(lǐng)的教學(xué)方法的好處是真正激發(fā)學(xué)生的興趣，使得學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)過程中不是死記硬背一些知識點，而是結(jié)合問題實質(zhì)提出解決問題的方案，真正調(diào)動學(xué)生的主動性，增強學(xué)習(xí)效果。最重要的是，通過這種方法學(xué)生形成一種“工程思維”的方式，了解工程項目的設(shè)計思路和設(shè)計理念，為學(xué)生今后成為合格的工程師打好基礎(chǔ)。

由于目前在校的大學(xué)生，都是從學(xué)校到學(xué)校，幾乎沒有任何工程設(shè)計實踐的概念，所以在教學(xué)中要不斷強化學(xué)生的這種意識。

下面我以計算機中數(shù)據(jù)表示這一節(jié)為例，具體介紹“工程思維”引領(lǐng)的教學(xué)方法。

在這節(jié)中我們首先會告訴學(xué)生計算機采用的是二進制。大多數(shù)學(xué)生知道計算機使用二進制，但到底是怎么回事是模糊的。這時我們結(jié)合計算機主板電路告訴學(xué)生：計算機使用二進制是因為二進制是最簡單的數(shù)制，在電路上只要“0”和“1”兩種電平狀態(tài)表示，世界上第一臺電子計算機設(shè)計時開始是用的十進制，是工程師們的不斷實踐，發(fā)現(xiàn)用二進制設(shè)計電路更簡單、可靠，因而改進成二進制，這樣生活中的十進制數(shù)，如果要用計算機處理，必須轉(zhuǎn)換成二進制。

這時學(xué)生會疑惑，那計算機既然使用二進制，為什么要學(xué)習(xí)十六進制？我們接著會告訴學(xué)生：這是因為我們在實際研發(fā)計算機產(chǎn)品過程中如果書寫二進制，一個簡單的十進制數(shù)用二進制表示會很長，這樣工程師在書寫過程中很容易出錯，轉(zhuǎn)換成十六進制后書寫簡單得多，而且二進制和十六進制相互轉(zhuǎn)換方法也簡單。

我們會繼續(xù)提問學(xué)生：生活中的十進制數(shù)可以通過轉(zhuǎn)換成二進制由計算機處理，但生活中還有正數(shù)和負數(shù)呢？計算機又該如何解決符號問題呢？這樣順勢講解有符號數(shù)和無符號數(shù)在計算機中的表示。

計算機解決了符號問題，計算機的設(shè)計師們面臨的問題如何解決小數(shù)點問題呢？我們又從這個角度講解定點數(shù)和浮點數(shù)的表示，告訴學(xué)生工程師們是如何巧妙解決計算機中小數(shù)點的表示問題。

接下來講解數(shù)據(jù)的原碼、反碼、補碼時學(xué)生會疑惑：不是有二進制了嗎？原碼表示不是很好嗎？為什么又要學(xué)習(xí)補碼呢？這時我們會告訴學(xué)生：計算機開始設(shè)計時是用原碼，但是發(fā)現(xiàn)，如果計算機用原碼設(shè)計加法電路時會很麻煩，你必須先比較被加數(shù)和加數(shù)的符號，然后才能確定是做加法而是做減法，而且運算結(jié)果的符號要單獨處理。如果在計算機的運算電路中采用補碼，其加法、減法會統(tǒng)一成加法，符號位可以參與運算，在不溢出的情況下結(jié)果正確。在課堂上，通過一個原碼加法和補碼加法的例子，學(xué)生感到補碼加法的神奇，激發(fā)濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

另外在《計算機組成原理》課程講解“系統(tǒng)總線”一章時，我們結(jié)合實際產(chǎn)品中的PCI-E和USB總線，告訴學(xué)生如果產(chǎn)品設(shè)計過程中使用“總線”方法連接計算機各個部件比用“分散連接”方法連接各個部件，產(chǎn)品的擴展性、易維護性會好得多，這是會計算機系統(tǒng)會廣泛采用總線的原因。這種從“工程思維”角度切入的教學(xué)，使得理論變得生動有趣，不再枯燥無味。

在講授“存儲器系統(tǒng)”一章的“存儲器的層次結(jié)構(gòu)”時，Cache技術(shù)涉及工程設(shè)計的思想，也就是說這些設(shè)計理論都是為了實現(xiàn)產(chǎn)品的性價比，解決存儲器速度、容量、價格的矛盾。這些課程的講解如果不結(jié)合“工程思維”，不強調(diào)工程設(shè)計意識，對于從未參與實際設(shè)計過產(chǎn)品的大學(xué)生們是很難理解和意識到的。

總之，如果我們帶著學(xué)生以一個工程師的角色，學(xué)習(xí)和了解計算機硬件在發(fā)展過程中出現(xiàn)的理論、形成的概念和解決方案，這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的參與意識會強得多，學(xué)習(xí)興趣會濃厚得多。這種站在更高角度來學(xué)習(xí)的《計算機組成原理》，可以培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計的意識，為學(xué)生們畢業(yè)后從事產(chǎn)品設(shè)計、項目開發(fā)都打下良好的基礎(chǔ)。

三、結(jié)語

根據(jù)美國工程教育協(xié)會的定義：工程是一種把科學(xué)和數(shù)學(xué)原理、經(jīng)驗、判斷和常識用到造福人類的產(chǎn)品制造中的藝術(shù)，是生產(chǎn)某種技術(shù)產(chǎn)品或系統(tǒng)以滿足特定需要的過程。計算機就是這樣一種產(chǎn)品或系統(tǒng)。所以在和計算機有關(guān)的專業(yè)知識學(xué)習(xí)中應(yīng)用“工程思維”引領(lǐng)是一種必然，我們需要探索“工程思維”在計算機硬件學(xué)習(xí)中的價值，以增強教學(xué)效果，同時使得學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)獲得未來工作中需要的工程思維方式和工程設(shè)計能力。

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