專業(yè)綜合改革背景下“計算機組成原理”課程建設(shè)與實踐

張 偉

(咸陽師范學(xué)院 計算機學(xué)院， 咸陽 712000)

專業(yè)綜合改革背景下“計算機組成原理”課程建設(shè)與實踐

張 偉

(咸陽師范學(xué)院 計算機學(xué)院， 咸陽 712000)

針對“計算機組成原理”課程教學(xué)內(nèi)容繁多、概念抽象等特點，以專業(yè)綜合改革項目的建設(shè)目標(biāo)為指導(dǎo)，在分析了本課程現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實踐教學(xué)、教師隊伍建設(shè)等方面給出了改革本課程教學(xué)的新舉措，并在本專業(yè)的課程教學(xué)中進(jìn)行了實踐。通過改革前后教學(xué)成績的比較，新舉措有效地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)成績，為專業(yè)綜合改革奠定了基礎(chǔ)。

專業(yè)綜合改革； 計算機組成原理； 課程建設(shè)

0 引言

“計算機組成原理”是高等學(xué)校計算機及相關(guān)專業(yè)所開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，2007年教育部在高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會上將其設(shè)定為計算機專業(yè)的核心課程之一[1]。2008年本課程被列入計算機專業(yè)研究生入學(xué)考試—計算機學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)綜合考試必考科目[2]，在專業(yè)課中占 45 分(總分150)，由此可見本課程在計算機及相關(guān)專業(yè)課程中具有重要的地位。該課程主要介紹計算機的硬件的組成、結(jié)構(gòu)及工作原理，教學(xué)目標(biāo)是通過計算機硬件部件組成、設(shè)計思想、邏輯實現(xiàn)方法及工作原理等的介紹，使學(xué)生建立起計算機整機的概念，為其他后繼硬件課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。該課程的前導(dǎo)課有數(shù)字邏輯、匯編語言及計算機導(dǎo)論，后繼課有操作系統(tǒng)、微機原理與接口技術(shù)等，其關(guān)系圖如圖1所示。

可見該課程在基礎(chǔ)課與專業(yè)課、基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間具有承上啟下的作用。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以完整地理解計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，深入理解計算機基本工作原理，明確計算機軟件和硬件之間的關(guān)系。因此，掌握好本課程的知識對學(xué)習(xí)計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)至關(guān)重要。

1 計算機組成原理課程建設(shè)的背景

1.1 專業(yè)綜合改革

“專業(yè)綜合改革試點”項目[3]是為引導(dǎo)高校主動適應(yīng)國家戰(zhàn)略和地方經(jīng)濟社會發(fā)展需求、優(yōu)化專業(yè)結(jié)構(gòu)、加強專業(yè)內(nèi)涵建設(shè)、創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、大力提升人才培養(yǎng)水平而提出的。我校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)于2013年3月申報了陜西省普通本科高等學(xué)?！皩I(yè)綜合改革試點”項目并獲得了立項[4]。

1.2 計算機組成原理課程的現(xiàn)狀

計算機組成原理是我校計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)的專業(yè)必修課，該課程于2006年獲得咸陽師范學(xué)院校級精品課程建設(shè)項目，2007年該課程被定為咸陽師范學(xué)院校級重點建設(shè)課程，2013年該課程獲得“陜西省精品資源共享課”(省級精品課程)建設(shè)項目。此前，我們對計算機組成原理的教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容等進(jìn)行了改革與探索，但是在新的歷史任務(wù)下，我們必須以新的要求去探索本課程的建設(shè)方法，以達(dá)到專業(yè)綜合改革的目標(biāo)。目前，計算機組成原理課程教學(xué)主要存在以下問題：

圖1 計算機組成原理與其他課程的關(guān)系

1.2.1 教學(xué)內(nèi)容繁雜，新知識更較慢

計算機組成原理課程教學(xué)具有內(nèi)容多、概念抽象、知識更新快等特點。理論知識包括計算機各部分的硬件組成及結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)的機器層表示及運算方法、控制器的控制原理等，教學(xué)內(nèi)容繁多、難于理解。另外，隨著大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，大量新技術(shù)、新器件的不斷出現(xiàn)，然而現(xiàn)有的計算機組成原理教材對新知識的更新較慢，知識顯得陳舊，沒有與計算機的應(yīng)用領(lǐng)域相結(jié)合，很難激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的興趣。

1.2.2 教師缺乏實踐經(jīng)驗

目前，承擔(dān)計算機組成原理教學(xué)的教師大部分是長期從事教學(xué)活動，他們?nèi)狈ο到y(tǒng)開發(fā)實踐鍛煉及工程訓(xùn)練經(jīng)歷。因此，在教學(xué)過程中，他們無法傳授計算機系統(tǒng)設(shè)計及開發(fā)的相關(guān)知識，講解過程大多按照教材的內(nèi)容講述基本理論知識，無法讓學(xué)生深入理解計算機硬件系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。這樣以來，學(xué)生也只是學(xué)習(xí)一些基本理論和簡單概念，無法對硬件系統(tǒng)進(jìn)行深入的理解與掌握，使得他們漸漸形成偏軟件、怕硬件的思想。

1.2.3 教學(xué)方法單一

該課程教學(xué)大多數(shù)采用“講授式”教學(xué)方法，在教學(xué)過程中“滿堂灌”的現(xiàn)象較普遍，學(xué)生往往是忙于記筆記，而忽略了對問題實質(zhì)的理解和掌握，導(dǎo)致學(xué)習(xí)的知識是孤立的、片面的，無法建立“整機”概念。這種單一的教學(xué)方法，無法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，大大影響了教學(xué)效果。

1.2.4 學(xué)生基礎(chǔ)知識不夠扎實

新建本科院校的學(xué)生底子薄，學(xué)習(xí)能力不強，加之大多數(shù)學(xué)生本身就沒有完全掌握數(shù)字邏輯、匯編語言等先導(dǎo)課的知識，這就導(dǎo)致了學(xué)生對學(xué)習(xí)本課程信心不足，畏難情緒普遍存在，同時也增加了教師的教學(xué)難度。

1.2.5 實踐環(huán)節(jié)薄弱

我們的實驗設(shè)備陳舊，計算機組成原理實驗箱已有十年之久，好多接口及引腳磨損嚴(yán)重、接觸不良，導(dǎo)致實驗有時無法得到正常結(jié)果。另外，由于學(xué)生知識的限制，大多數(shù)教師的實驗內(nèi)容只設(shè)置了驗證性的實驗，設(shè)計性的實驗幾乎沒有，這樣導(dǎo)致學(xué)生不能透徹地理解計算機組成原理的相關(guān)知識。

2 計算機組成原理課程建設(shè)的新舉措

2.1 教學(xué)內(nèi)容改革

針對計算機組成原了課程知識內(nèi)容繁多，教材新知識更新不及時、課本內(nèi)容陳舊等現(xiàn)象，要以“五大部件為主線，兩大信息流為副線”[5]來開展教學(xué)工作，主要從以下幾個方面對其教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革：

2.1.1 制定新的教學(xué)大綱

根據(jù)本課程的發(fā)展需要，及時修改計算機組成原理教學(xué)大綱，刪除一些陳舊的知識(如在外設(shè)中要講到的軟盤)，增加一些新產(chǎn)品、新技術(shù)的介紹(如云計算等)。根據(jù)各專業(yè)的不同特點已經(jīng)完成了對軟件工程、計算機科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程3個專業(yè)計算機組成原理教學(xué)大綱的修訂工作。今后，我們要根據(jù)本課程發(fā)展及社會生產(chǎn)的需要，定期地對本教學(xué)大綱進(jìn)行修改，保證教學(xué)大綱的先進(jìn)性、實用性和科學(xué)性。

2.1.2 教材的選取

目前，計算機組成原理課程的精品教材很多，如北京理工大學(xué)蔣本珊編寫“計算機組成原理”，哈爾濱工業(yè)大學(xué)唐朔飛編寫的“計算機組成原理”等，這些教程要么是國家精品課程教材，要么是國家“十二五”規(guī)劃教材，但是這些教材都是根據(jù)自己學(xué)校學(xué)生的特點來編寫的，我們不能全盤照抄這些教材上的內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)。在教材的選取上我們分兩步來走，第一步，選取國內(nèi)優(yōu)秀教材，根據(jù)我們學(xué)生的特點對教材的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鰟h，第二步，組織相關(guān)教師和專家根據(jù)我校培養(yǎng)學(xué)生的目標(biāo)和學(xué)生的自身特點，編寫一部適合我校計算機組成原理教學(xué)的教材。

2.2 教學(xué)模式改革

充分利用現(xiàn)在教育教學(xué)手段，大膽嘗試新的教學(xué)方法，不斷革新本課程的教學(xué)模式。

2.2.1 多種教學(xué)方法的綜合運用

除了常用的“講授法”以外，要根據(jù)課程內(nèi)容的特點選取適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，例如在講計算機的五大部件時，可以采用比較法，將計算機想象為一個加工處理數(shù)據(jù)的工廠，如圖2所示。

圖2 “比較法”中對計算機部件的形象比

圖2中將ALU比作為“加工車間”，CU比作為“廠長”等，這樣在領(lǐng)導(dǎo)的正確指揮下，能夠源源不斷地取得原材料，工廠又有存放材料的庫房，車間能夠?qū)υ牧线M(jìn)行加工和處理，加工后的成品可以暢通地運往銷售或存儲在庫房，這里描述的僅限于硬件，當(dāng)然還必須有配套的軟件，就像工廠里的管理制度一樣，這樣學(xué)生就能形象地理解計算機各部件的功能和作用。

此外，在講CPU的功能時可以采用比較法(將其比作人體中的大腦)，在講到流水線時可將其比作實際工作的某些環(huán)節(jié)(例如4個同學(xué)來組裝一部計算機)等；在講解運算方法時可以運用“啟發(fā)式”教學(xué)法，可以有意識地去提出一些問題或運算可能出現(xiàn)的結(jié)果(例如，在定點數(shù)加法時，兩個正數(shù)相加等到了負(fù)數(shù)的情況)，先讓學(xué)生分析問題產(chǎn)生的原因，老師可以適當(dāng)?shù)亟o以引導(dǎo)和矯正，這樣可以加深學(xué)習(xí)的效果；此外還可以選擇討論法、案例法、項目式教學(xué)法[6]等，只有根據(jù)課程知識的特點綜合運用這些方法的，才能起到事半功陪的效果。

2.2.2 充分利用現(xiàn)代媒體手段，加強與學(xué)生的溝通和交流

我院在2005年就開展“輔導(dǎo)答疑”制度，通過“輔導(dǎo)答疑”環(huán)節(jié)來了解學(xué)生在學(xué)習(xí)過程存在的問題，“輔導(dǎo)答疑”成為了教師與學(xué)生在課堂后溝通的橋梁和紐帶，為教師第一時間了解學(xué)生學(xué)習(xí)動態(tài)、及時調(diào)整教學(xué)進(jìn)度或教學(xué)重難點提供了依據(jù)，這一舉措曾在2009年由我校教務(wù)處向全校其他院系推廣。然而，這種約定時間、地點的“輔導(dǎo)答疑”制度也存在不足之處，例如，因時間或地點的限制有的同學(xué)不能及時將自己的問題向老師咨詢；有的同學(xué)礙于面子，有問題也不去向老師“面對面”的咨詢，寧可“不懂裝懂”等。

為了彌補“輔導(dǎo)答疑”的不足，我們可以充分利用現(xiàn)代通訊工具和軟件，如可以通過“班級QQ群”、“微信公眾賬號”、“留言板”等方式加強與學(xué)生課后交流，這些輔導(dǎo)方式不受時間、地點的限制，又挽回了一些學(xué)生的“面子”。將這些輔導(dǎo)方式與“輔導(dǎo)答疑”相結(jié)合，使我們能夠準(zhǔn)確、及時了解學(xué)生學(xué)習(xí)過程種存在的問題，及時調(diào)整教學(xué)方法及教學(xué)內(nèi)容，為提高教學(xué)質(zhì)量提供支持。

2.2.3 學(xué)生充當(dāng)“教師”的角色

為了改變學(xué)生“被動”接受知識的現(xiàn)狀，在每節(jié)課堂教學(xué)過程中給學(xué)生安排5-7分鐘的時間，他們可以根據(jù)老師的提問內(nèi)容(① 本節(jié)課教學(xué)的重難點；② 本節(jié)課的概念或相關(guān)理論方法；③ 對前一節(jié)課所講的知識進(jìn)行回顧與總結(jié)；)進(jìn)行講解，這些提問在第一次上課前已經(jīng)告訴給了學(xué)生，他們根據(jù)這些問題進(jìn)行課前的預(yù)習(xí)及課后復(fù)習(xí)。老師根據(jù)學(xué)生的講解給出適當(dāng)?shù)难a充，并給講解進(jìn)行打分，計入學(xué)生課堂成績。通過兩學(xué)期的教學(xué)實踐證明，此方法有效地調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，督促學(xué)生養(yǎng)成了本課程課前預(yù)習(xí)與課后復(fù)習(xí)的習(xí)慣，學(xué)習(xí)效果有了明顯提高，本方法擬在其他課程中進(jìn)行開展。

2.3 加大教師培訓(xùn)力度

為了加強教師隊伍建設(shè)，我們采用對內(nèi)培訓(xùn)與對外引進(jìn)相結(jié)合的方法。首先，加強對現(xiàn)有從事計算機組成原理教學(xué)的教師進(jìn)行培訓(xùn)，組織教師去國內(nèi)重點大學(xué)學(xué)習(xí)或去企業(yè)參加工程性訓(xùn)練，及時了解和吸收國內(nèi)外先進(jìn)的教學(xué)理念和教學(xué)方法，鼓勵青年教師考取本專業(yè)博士。據(jù)統(tǒng)計，我院2013年國內(nèi)訪學(xué)教師1人次，參加專業(yè)培訓(xùn)教師6人次，考取博士1人；2014年國內(nèi)訪學(xué)1人次，參加專業(yè)培訓(xùn)9人次，考取博士1名。其次，對外引進(jìn)本專業(yè)工程實訓(xùn)能力較強的優(yōu)秀博士，在引進(jìn)人才的過程中，不只看他們的學(xué)歷，更看重他們的實踐開發(fā)能力，讓他們進(jìn)入到系統(tǒng)開發(fā)實踐的第一線，切實將計算機理論知識與開發(fā)實踐相結(jié)合。不斷改善教師隊伍的學(xué)歷結(jié)構(gòu)，努力提升教師的實踐能力，為計算機組成原理的教學(xué)提供雄厚的師資力量。

2.4 實踐環(huán)節(jié)改革

2.4.1 改善實驗條件

計算機組成原理實驗室的設(shè)備已經(jīng)陳舊，有的計算機運行程序異常緩慢、甚至出現(xiàn)死機的情況。為了改善條件，2014年已經(jīng)完成了對計算機組成原理實驗室微型計算機進(jìn)行了更新，下一步的工作是申請對計算機組成原理的試驗箱進(jìn)行更換，計算機組成原理課程全體教師要認(rèn)真論證、科學(xué)調(diào)研，選擇一款知識先進(jìn)、實驗項目設(shè)置靈活、可重用性強、適合本校計算機原理組成實踐教學(xué)實際的實驗設(shè)備，為計算機組成原理課程實驗的開展提供支持。

2.4.2 增加實踐課時比例

在學(xué)校培養(yǎng)方案總課時進(jìn)行壓縮的前提下，在有限的課時內(nèi)我們加大了實驗課時的比例，改革前實驗課時占總課時的比例為16.17%，改革后調(diào)整為21.88%，如表1所示。

表1 “計算機組成原理”課程改革前后學(xué)時比例

2.4.3 更新實驗項目

根據(jù)新的組成原理實驗箱及計算機組成原理課程新技術(shù)、新知識的需要，修改實驗大綱，更新實驗項目，刪除了原來的通用寄存器、緩沖輸入/鎖存輸出等驗證性實驗，增設(shè)了基本模型機設(shè)計與實現(xiàn)、帶移位運算的模型機設(shè)計與實現(xiàn)、基于32位NIOS CPU 的秒表程序設(shè)計等設(shè)計性實驗，設(shè)計性實驗的比例從原來的16.7%提高到了42.8%，如表2所示。

表2 改革前后實驗項目對比表

實驗項目的設(shè)置應(yīng)該循序漸進(jìn)，遵循由淺入深，先局部后整體的原則，符合學(xué)生接受知識的規(guī)律，使學(xué)生逐漸形成計算機整機的概念[7]。

2.4.4 開放實驗室

在課堂教學(xué)及計劃實驗教學(xué)之外，每周四下午，計算機組成原理實驗室對本院學(xué)生開放，學(xué)生可以根據(jù)自己對知識的掌握程度進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，特別是我們組建的大學(xué)生創(chuàng)新團隊[8]，可以以此為平臺開展大學(xué)生創(chuàng)新項目，這樣不但掌握了本課程的相關(guān)知識，又培養(yǎng)了大學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3 教學(xué)效果

選取了計算機組成原理課程教學(xué)改革前(軟件1201)與改革后(計科1301)兩個班的期末考試成績比對，如圖2所示。

圖3 改革前后考試成績對比圖

從圖中可以看出，課程改革前軟件1201班成績狀態(tài)分布圖的峰值出現(xiàn)在66-70分值段，55分以下有7人；課程改革后計科1301班成績狀態(tài)分布圖的峰值出現(xiàn)在81-85分值段，55分以下只有2人；可見通過計算機組成原理課程改革后考試不及格的人數(shù)有了明顯降低，優(yōu)秀成績的人數(shù)有了大幅提高。

4 總結(jié)

通過對計算機組成原理課程的改革與實踐，本課程的教學(xué)效果有了明顯的改善，但離我們建設(shè)的目標(biāo)還有一定的距離，我們要以專業(yè)綜合改革試點為契機，以提高教育教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)，以專業(yè)建設(shè)為抓手，集思廣益、大膽嘗試，不斷推進(jìn)本課程的改革，為其適應(yīng)新時期的教學(xué)需要而不懈努力。

[1] 教育部高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會.高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)公共核心知識體系與課程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[2] 教育部考試中心,中國學(xué)位與研究生教育學(xué)會工科工作委員會.計算機學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)綜合考試大綱( 2012年版)[M].北京:高等教育出版社,2011．

[3] 張偉.地方高校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合改革之初探[J].微型電腦應(yīng)用,2016,32(11):60-62.

[4] 《關(guān)于開展2013年陜西普通本科高?！皩I(yè)綜合改革試點”項目評審工作的通知》[R].陜教高〔2013〕8號.

[5] 蔣本珊.計算機組成原理(第2版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[6] 張偉,解爭龍.項目式教學(xué)法在《計算機組裝與維護》課程中的應(yīng)用[J].教育理論與教學(xué)研究,2012,8(上):64-65.

[7] 丁柏秀,王文濤,呂曉麗等.“計算機組成原理”教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法探討[J].長春理工大學(xué)學(xué)報,2012,7(1):196-197.

[8] 張偉.計算機專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新團隊的建設(shè)與實踐[J].微型電腦應(yīng)用,2014,30(6):59-61.

The Course Construction and Practice for Computer Composition Principle under the Background of Professional Comprehensive Reform

Zhang Wei

(School of Computer, XianYang Normal University, Xianyang 712000, China)

Aiming at the characteristic of computer composition principle which includes the various teaching contents, concepts and so on, guided by the construction of the comprehensive reform project target, based on the analysis of the current situation of this course, we proposed new measures of this course teaching in the teaching contents, teaching methods, practice teaching, teacher team construction and so on, and put it into practice in this professional course teaching. Through the comparison of before and after teaching reform, the new measures have effectively improved the school record, which laid a foundation for comprehensive reform.

Professional comprehensive reform; Computer composition principle; Course construction

陜西普通本科高校省級"專業(yè)綜合改革試點"項目(陜高教〔2013〕8號)；計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)(嵌入式方向)"團隊式"人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗區(qū)項目(陜教高〔2011〕38號)

張 偉(1981-)，男，禮泉人，副教授，碩士，咸陽師范學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程系系主任，研究方向：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)

1007-757X(2017)03-0038-04

TP311

A

2016.03.15)