《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教學(xué)改革建議

付振勇(南京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院、軟件學(xué)院，南京，210023)

《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教學(xué)改革建議

付振勇
(南京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院、軟件學(xué)院，南京，210023)

0　引言

隨著第三次科技浪潮的到來(lái)，以計(jì)算機(jī)設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)深刻地改變了人類社會(huì)的方方面面。計(jì)算機(jī)作為上個(gè)世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于處理并取代以前靠人力的各項(xiàng)工作中。早期的計(jì)算機(jī)還比較簡(jiǎn)陋，復(fù)雜度比較低，所以編程人員需要了解，也能夠了解計(jì)算機(jī)的一些基本的構(gòu)成原理。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的越來(lái)越專業(yè)化、復(fù)雜化，除了少數(shù)計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)專家外，普通人包括現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生、從業(yè)人員已經(jīng)很難直觀地去理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。人與計(jì)算機(jī)之間的交流已經(jīng)由專業(yè)的操作系統(tǒng)軟件替代了。因此，人們?cè)絹?lái)越多地只同計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)打交道，而完全無(wú)法理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是如何由電子設(shè)備按照一定的原理構(gòu)成的。

《計(jì)算機(jī)組成原理》作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門基礎(chǔ)必修課程，對(duì)提高計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生對(duì)于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體理解和認(rèn)識(shí)是非常必要的。《計(jì)算機(jī)組成原理》的先修課程是《數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)》，后續(xù)課程為《微機(jī)系統(tǒng)與接口》、《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》等硬件系列課程?！队?jì)算機(jī)組成原理》是學(xué)習(xí)與理解計(jì)算機(jī)硬件組成和工作原理的基礎(chǔ)課程，也是學(xué)習(xí)與了解后續(xù)的相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件課程，例如《操作系統(tǒng)》、《匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》等的基礎(chǔ)課程?？梢哉f(shuō)，計(jì)算機(jī)組成原理在計(jì)算機(jī)專業(yè)的本科教學(xué)中起到了承上啟下的關(guān)鍵作用，是每一個(gè)計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生必須掌握的專業(yè)知識(shí)。然而，在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)存在一些問(wèn)題，例如：學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)該課程的重要性認(rèn)識(shí)不足，部分學(xué)生對(duì)前期所學(xué)的《數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)》課程出現(xiàn)遺忘現(xiàn)象，課堂所學(xué)理論不能夠很好地應(yīng)用到實(shí)際的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中。針對(duì)上述問(wèn)題，本文擬從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)和改革考核方式等方面提出一些建議。尤其在實(shí)踐教學(xué)方面，本文首次提出了建設(shè)基于Raspberry Pi的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。

1　存在的問(wèn)題

1.1學(xué)生興趣不足

《計(jì)算機(jī)組成原理》作為一門計(jì)算機(jī)硬件課程，對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生而言，相對(duì)抽象，受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，很多的計(jì)算機(jī)組成原理的知識(shí)點(diǎn)無(wú)法讓學(xué)生們很容易地實(shí)踐，所以導(dǎo)致了學(xué)生們對(duì)相對(duì)抽象的理論知識(shí)隨著課程的學(xué)習(xí)逐漸厭倦、也越來(lái)越不理解課堂上學(xué)習(xí)的內(nèi)容。另外，目前開設(shè)計(jì)算機(jī)組成原理課程的高校將它作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的必修課，一般都安排在在大三第二學(xué)期或大四第一學(xué)期進(jìn)行講授。然而，在整個(gè)大學(xué)期間，大三這一學(xué)年所要學(xué)習(xí)的專業(yè)課都非常多，學(xué)生的學(xué)業(yè)壓力大。另外，很多的學(xué)生在此期間都面臨著考研、找工作等課程之外的壓力。而且《計(jì)算機(jī)組成原理》作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門硬件理論課程，除了少數(shù)致力于將來(lái)從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的學(xué)生外，大部分學(xué)生會(huì)感覺所學(xué)的知識(shí)在未來(lái)的工作中用不到。以上種種因素導(dǎo)致了大部分學(xué)生對(duì)《計(jì)算機(jī)組成原理》課程的不重視、學(xué)習(xí)興趣不足等實(shí)際問(wèn)題。另外，由于本課程的課時(shí)比較少，授課內(nèi)容較多，學(xué)生的自學(xué)能力不足，導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生逐漸失去學(xué)習(xí)本課程的興趣。

1.2數(shù)學(xué)邏輯設(shè)計(jì)等硬件知識(shí)有待提高

數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)組成原理最為重要的先導(dǎo)課程，但是由于大多數(shù)學(xué)生對(duì)于硬件相關(guān)課程的不重視，使得在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理課程的時(shí)候，很多學(xué)生已經(jīng)忘記了數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)，所以導(dǎo)致在講解計(jì)算機(jī)組成原理課程的時(shí)候，需要不停地幫助學(xué)生們復(fù)習(xí)數(shù)理邏輯、數(shù)字邏輯電路等相關(guān)知識(shí)。多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理課程的過(guò)程中，當(dāng)遇到對(duì)數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)知識(shí)出現(xiàn)遺忘的情況時(shí)，不能主動(dòng)地去復(fù)習(xí)一下之前學(xué)過(guò)的知識(shí)點(diǎn)。另外，應(yīng)試教育思想仍舊在一定程度上影響著當(dāng)代大學(xué)生，一些學(xué)生認(rèn)為只要自己能夠順利通過(guò)期末考試拿到學(xué)分就行了，這種錯(cuò)誤的想法導(dǎo)致他們不能潛心地去通過(guò)多回顧、練習(xí)來(lái)提升自己對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理的理解。

1.3理論脫離實(shí)際應(yīng)用

《計(jì)算機(jī)組成原理》課程的教學(xué)目的是為了讓學(xué)生們了解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)、構(gòu)成原理、計(jì)算機(jī)五大系統(tǒng)各自的設(shè)計(jì)原理以及五大系統(tǒng)之間如何有機(jī)組合在一起構(gòu)成完整的計(jì)算機(jī)體系，培養(yǎng)并提高學(xué)生的對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的理解能力，從而使他們能夠使用所學(xué)的理論知識(shí)解決實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題。然而，目前高校《計(jì)算機(jī)組成原理》的實(shí)踐教學(xué)比較匱乏，基本沒(méi)有為學(xué)生們安排上機(jī)實(shí)踐的時(shí)間。這固然是因?yàn)椤队?jì)算機(jī)組成原理》相對(duì)抽象的內(nèi)在原因，但同時(shí)也是因?yàn)楝F(xiàn)在的《計(jì)算機(jī)組成原理》課程中大多沒(méi)有安排課程設(shè)計(jì)的過(guò)程，筆試是僅有的考核方式，無(wú)法令學(xué)生們真正掌握計(jì)算機(jī)組成原理的知識(shí)。為此，建立起一個(gè)有效的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境對(duì)于成功的計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)就非常具有必要性了。

2　解決方法

2.1教學(xué)內(nèi)容

由于計(jì)算機(jī)組成原理課程內(nèi)容較多，同時(shí)需要適時(shí)地幫助學(xué)生們回顧、復(fù)習(xí)數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)的知識(shí)，授課教師應(yīng)該有重點(diǎn)地去選擇一些章節(jié)來(lái)講解，對(duì)一些跟前續(xù)課程有重合的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹或者直接省去不講。對(duì)于教材上的例題也是有針對(duì)性地去講，把剩下的一些題目留給學(xué)生們課后自己思考，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)能力。除了講授教材上涉及到的一些重要知識(shí)點(diǎn)外，也需要給學(xué)生們介紹在相關(guān)的文獻(xiàn)中是如何結(jié)合這些知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用的。力爭(zhēng)在教學(xué)的過(guò)程中也能夠引導(dǎo)部分學(xué)生對(duì)科研產(chǎn)生興趣，拓展學(xué)生們的視野，不能僅僅是為了學(xué)習(xí)課本上的知識(shí)而學(xué)習(xí)。另外，因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展速度比較快，所以教師還應(yīng)該在上課前，通過(guò)查閱資料更新并補(bǔ)充課本中沒(méi)有涉及到的知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生們能夠了解到最前沿的信息。

2.2教學(xué)方法

興趣往往是一個(gè)人學(xué)習(xí)的最好驅(qū)動(dòng)力，在開始講授計(jì)算機(jī)組成原理課程時(shí)，教師應(yīng)該向?qū)W生闡述學(xué)習(xí)這門課的重要性，可以列舉一些眾所周知的例子，例如：計(jì)算機(jī)組成原理的學(xué)習(xí)對(duì)于作嵌入式系統(tǒng)開發(fā)具有積極的作用，通過(guò)計(jì)算機(jī)組成原理的學(xué)習(xí)可以達(dá)到對(duì)包括嵌入式系統(tǒng)這樣的微型計(jì)算系統(tǒng)的深入理解。在激發(fā)學(xué)生們學(xué)習(xí)該課程的興趣并讓他們明白開設(shè)這門課程的必要性之后，能夠在一定程度上讓他們自覺地去認(rèn)真學(xué)習(xí)。同時(shí)，還應(yīng)該鍛煉學(xué)生舉一反三的學(xué)習(xí)能力，例如，在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，我們知道計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)具有層次性的特點(diǎn)，即外部存儲(chǔ)系統(tǒng)、系統(tǒng)內(nèi)存以及CPU高速緩存等這樣的一個(gè)層次結(jié)構(gòu)。需要讓學(xué)生知道為什么對(duì)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)要?jiǎng)澐诌@樣的存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)。這是由不同存儲(chǔ)硬件的存取數(shù)據(jù)的速度、單位比特的存儲(chǔ)成本決定的。要讓學(xué)生們學(xué)會(huì)如何在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)、有效地設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)。此外，在作業(yè)布置方面，也可以布置一些只有通過(guò)查閱課外資料才能作答的題目，培養(yǎng)他們收集信息自我學(xué)習(xí)的能力。

2.3實(shí)踐教學(xué)

《計(jì)算機(jī)組成原理》應(yīng)該是一門既有理論教學(xué)又有一定實(shí)踐環(huán)節(jié)的課程。然而，在當(dāng)前的實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，往往理論知識(shí)的講授占據(jù)了大部分課時(shí)。為了能夠讓學(xué)生們?cè)趯?shí)踐過(guò)程中掌握計(jì)算機(jī)組成原理的理論知識(shí)，計(jì)算機(jī)組成原理課程必須要增加實(shí)踐環(huán)節(jié)。實(shí)踐環(huán)節(jié)的增加應(yīng)當(dāng)采用由易到難的漸進(jìn)過(guò)程?？梢栽跀?shù)字邏輯設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，開展計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)踐教學(xué)，讓學(xué)生們利用各類邏輯門電路設(shè)計(jì)基本的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)單元，包括運(yùn)算器、存儲(chǔ)器等。另外，也可以嘗試在課程的理論知識(shí)學(xué)習(xí)到一定程度的時(shí)候給學(xué)生布置一道稍微大點(diǎn)的實(shí)踐題目，使學(xué)生在后續(xù)的學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠帶著問(wèn)題不斷地思考和積累，到期末課程結(jié)束時(shí)再完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

為了能夠讓學(xué)生們掌握計(jì)算機(jī)組成原理的知識(shí)，建立有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境是非常必要的。沒(méi)有一個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，學(xué)生們就無(wú)法在實(shí)踐中真正掌握計(jì)算機(jī)組成原理的理論知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用。為此，本文提出了基于低成本的單板機(jī)Raspberry Pi的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的建議。

Raspberry Pi（樹莓派）是由樹莓派的發(fā)起人Eben Upton先生創(chuàng)立的一個(gè)廉價(jià)的教學(xué)編程平臺(tái)，可以稱得上是目前最廉價(jià)的電腦?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的基本型Rasp鄄berry Pi是人民幣270元左右，而最新的廉價(jià)型Rasp鄄berry Zero只要5美元，大致是人民幣32元。樹莓派可以說(shuō)是一款非常廉價(jià)的硬件平臺(tái)，，在我國(guó)的一些主要電子商務(wù)網(wǎng)站均可方便購(gòu)買。但是樹莓派系統(tǒng)同時(shí)也提供了各式各樣的主流接口和插槽，例如USB，HDMI，SD卡還有網(wǎng)絡(luò)接口。以下是最新的樹莓派B型的配置：

●芯片：Broadcom BCM2835

●CPU：700MHz ARM11 series

●GPU：Broadcom VideoCore IV

●視頻輸出：RCA，HDMI

●音頻輸出：3.5mm耳機(jī)接口，HDMI

●存儲(chǔ)方式：SD卡

●RJ45接口百兆網(wǎng)卡

基于Raspberry Pi的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)有如下優(yōu)勢(shì)：①廉價(jià)，一個(gè)最廉價(jià)的Raspberry Pi Ze鄄ro只需要32元左右，其運(yùn)算性能已經(jīng)能足夠滿足計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)踐教學(xué)需求。同時(shí)為了進(jìn)行組成原理的實(shí)踐教學(xué)，需要附加一些外設(shè)，例如顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等外設(shè)都可以通過(guò)接口方便地連入樹莓派電腦，并且可以選用一些現(xiàn)有的外設(shè)，不需要另行采購(gòu)；②適用，樹莓派電腦可以直接運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，在其上可以方便地進(jìn)行各種編程控制外設(shè)、實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，各類計(jì)算機(jī)組成原理知識(shí)可以很方便地設(shè)計(jì)各類實(shí)踐課題。例如，可實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的外圍設(shè)備進(jìn)行控制，或連接實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)字電路設(shè)備，這些都會(huì)令學(xué)生們對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成原理有更深入的認(rèn)識(shí)。③實(shí)用，現(xiàn)在硬件愛好者基于樹莓派可以設(shè)計(jì)、制作出很多有趣的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，例如智能家居、機(jī)器人小車、智能硬件設(shè)備等。相信在計(jì)算機(jī)組成原理這樣一門軟硬件結(jié)合的課程中引入Raspber鄄ry Pi作為實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容，一定會(huì)引起學(xué)生們極大的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生們所學(xué)到的知識(shí)也一定會(huì)對(duì)他們未來(lái)的發(fā)展有益。

2.4考核改革

目前的考核方式主要還是采用期末考試，考核內(nèi)容基本上是課本上所講授的一些理論知識(shí)點(diǎn)，沒(méi)有突出實(shí)際應(yīng)用。因此，如果條件成熟的話，可以考慮增加上機(jī)實(shí)踐考試，通過(guò)機(jī)考可以考查學(xué)生動(dòng)手解決問(wèn)題的能力。另外，還應(yīng)該加大對(duì)學(xué)生平時(shí)成績(jī)的考核，主要包括出勤、課堂回答問(wèn)題、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。

3　結(jié)語(yǔ)

本文首先分析了高校開設(shè)《計(jì)算機(jī)組成原理》課程的必要性以及存在的一些問(wèn)題，包括：學(xué)生興趣不足、數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)等硬件知識(shí)有待提高、理論脫離實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)這些問(wèn)題，提出了從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)、考核改革等四個(gè)方面進(jìn)行解決，并首次提出了建設(shè)基于Raspberry Pi的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，從而做到豐富課堂所教內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力，提高學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用技能。

[1]唐朔飛.計(jì)算機(jī)組成原理（第二版）[M].北京：高等教育出版社,2008.

[2]卓拉，吳為民.計(jì)算機(jī)組成及匯編語(yǔ)言原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[3]任春明，劉軍.計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考與改進(jìn)[J].天津:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2006,10:110-111.

[4]徐愛萍，劉建英，吳松梅.計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)改革研究[J].湖北:高等建筑教育,2004,1:53-33.

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[6]Eben Upton,Gareth Halfacree.Raspberry Pi User Guide[M].John Wiley&Sons.2014.

Principles of Computer Organization;Computer System Architecture;Course Teaching

Suggestion on Teaching Reformation of Principles of Computer Organization Course

FU Zhen-yong
（School of Computer Science&Technology,School of Software,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023）

南京郵電大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（No.NY213031）

1007-1423（2016）06-0056-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.06.013

付振勇（1977-），男，江蘇南京人，博士研究生，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)

2015-11-26

2016-02-16

《計(jì)算機(jī)組成原理》課程作為高校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)課，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的深入理解具有重要意義。在實(shí)際的課程教學(xué)中往往會(huì)出現(xiàn)學(xué)生不能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)、上課能聽懂但是不能將計(jì)算機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)和組成原理關(guān)聯(lián)起來(lái)。基于以上問(wèn)題，從改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和方法、加強(qiáng)動(dòng)手能力的鍛煉，以及改革考核方式等方面提出相關(guān)的建議。提出建設(shè)基于Raspberry Pi的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的建議，為豐富計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)提供有益的補(bǔ)充。

計(jì)算機(jī)組成原理；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；課程教學(xué)

As a professional course for college students of computer science and technology,Principles of Computer Organization course has impor鄄tant significance for training students'understanding to the modern computer system.In the courses,the students usually cannot connect the knowledge with the real system.Based on the above problems,proposes some suggestions from teaching content,teaching method, practice teaching and assessment reformation.In particular,proposes at the first time a suggestion to set up a practical platform for the course of the principles of computer organization using Raspberry Pi,which would be valuable supplement to enrich the course of Princi鄄ples of Computer Organization.