計算機組成原理課程在專業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展過程中的建設(shè)與探索

牛玉軍+張敏+王東

摘要：該文總結(jié)了本校軟件工程專業(yè)在轉(zhuǎn)型發(fā)展過程中計算機組成原理課程建設(shè)的經(jīng)驗和成果。以培養(yǎng)企業(yè)需求的應(yīng)用型工程技術(shù)人才為目標(biāo)，針對計算機組成原理課程的特點及教學(xué)中的難點，對該課的教學(xué)內(nèi)容和方法、實驗內(nèi)容、前修和后繼課程進(jìn)行了全面的改革和探索。并以計算機組成原理課程知識為基礎(chǔ)，鼓勵學(xué)生進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)、機器人等方面的應(yīng)用實踐。經(jīng)過在實際教學(xué)中的應(yīng)用和完善，教學(xué)效果較好。

關(guān)鍵詞：計算機組成原理；教學(xué)改革；專業(yè)轉(zhuǎn)型；課程建設(shè)

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）02-0097-02

1 概述

大連大學(xué)作為地方性大學(xué)，以培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和公共服務(wù)發(fā)展需要的高層次技術(shù)技能人才為主要目標(biāo)，正在向應(yīng)用技術(shù)類型高校轉(zhuǎn)型發(fā)展[1-3]。本校軟件工程專業(yè)根據(jù)這一思想的指導(dǎo)，對本專業(yè)的教學(xué)大綱和教學(xué)計劃進(jìn)行了修改和完善。其中計算機組成原理課程是軟件工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是軟件工程專業(yè)國家碩士研究生統(tǒng)一考試的四門專業(yè)課之一。該課程主要講述計算機底層功能部件的組成結(jié)構(gòu)和工作原理[4-7]，而軟件工程專業(yè)的學(xué)生在底層硬件方面的知識儲備欠缺，有的學(xué)生甚至對以計算機硬件為主的課程感到畏懼和排斥。所以對計算機組成原理課程的建設(shè)具有一定的難度和意義。

2 計算機組成原理課程的建設(shè)

軟件工程專業(yè)為發(fā)揮學(xué)科專業(yè)建設(shè)優(yōu)勢，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，服從遼寧省 “十三五”信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃需要，滿足軟件產(chǎn)業(yè)和企業(yè)信息化的發(fā)展需求，明確軟件工程專業(yè)定位為：面向軟件行業(yè)，服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)，培養(yǎng)社會認(rèn)可、企業(yè)滿意的應(yīng)用型工程技術(shù)人才。根據(jù)這一目標(biāo)我們定制了計算機組成原理課程的教學(xué)目的與教學(xué)任務(wù)：①掌握計算機系統(tǒng)各部件的基本組成、邏輯實現(xiàn)、設(shè)計方法及其互聯(lián)技術(shù)；②注重培養(yǎng)學(xué)生的硬件電路設(shè)計能力，最終建立一套整機的概念和設(shè)計思想，使學(xué)生深入理解計算機系統(tǒng)的工作過程；③掌握Verilog HDL語言的程序設(shè)計方法，能夠在FPGA上實現(xiàn)MIPS指令集和中央處理器的設(shè)計，提高學(xué)生的工程實踐能力和利用數(shù)字系統(tǒng)解決實際問題的能力，并為學(xué)生以后的學(xué)習(xí)、研究和工作奠定計算機硬件方面的基礎(chǔ)。相應(yīng)的我們對計算機組成原理課程的教學(xué)大綱進(jìn)行了重新的定制，對課程的教學(xué)內(nèi)容和方法、實驗內(nèi)容、前修和后繼課程進(jìn)行了建設(shè)。并在這兩年的實際教學(xué)實施中進(jìn)行修改與完善，得到了較好的教學(xué)效果。

2.1 前修課程的設(shè)置

計算機組成原理課程難度較大，要求學(xué)生有數(shù)字電路方面知識的儲備，對學(xué)生起點要求較高。在開始此門課程之前，我們開設(shè)了數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程，并做了多方面的準(zhǔn)備。

①加強數(shù)字電路的學(xué)習(xí)。將原來第三學(xué)期開設(shè)的電子技術(shù)課程改為上數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，去掉了強電部分，加強了數(shù)字電路的內(nèi)容，課時設(shè)置為64學(xué)時。使學(xué)生熟悉數(shù)字電路的基礎(chǔ)理論知識，掌握數(shù)字電路與系統(tǒng)的工作原理和分析方法，能對主要的邏輯部件進(jìn)行分析和設(shè)計，學(xué)會使用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路。為以后計算機組成原理課程的學(xué)習(xí)、或?qū)嵺`應(yīng)用奠定扎實的理論與實踐基礎(chǔ)。

②選修硬件方面的課程。由于軟件工程專業(yè)是以軟件系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計為主要教學(xué)任務(wù)，由于本專業(yè)總課時的限制，所以硬件方面的課程不能開設(shè)太多，計算機組成原理課程的前驅(qū)課程只有數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)這門課程。為了彌補這一問題，我們把邏輯與計算機設(shè)計基礎(chǔ)、單片機等課程開設(shè)為選修課，讓有精力和興趣的同學(xué)去選修。

③實訓(xùn)的激勵。在第二學(xué)期期末有兩周的實訓(xùn)，由學(xué)校和企業(yè)聯(lián)合教學(xué)。讓學(xué)生去企業(yè)參觀實際的應(yīng)用項目，例如一些物聯(lián)網(wǎng)、機器人項目的展示。使學(xué)生明白，計算機的軟件和硬件是不分家的，軟件工程專業(yè)的學(xué)生不僅要學(xué)好軟件系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，還要掌握硬件方面的知識，為學(xué)習(xí)計算機組成原理課程培養(yǎng)興趣。

2.2 課程內(nèi)容的設(shè)置與教學(xué)方法

為了能夠跟隨計算機技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展，培養(yǎng)出企業(yè)和社會需要的工程技術(shù)人才，我們選用了南京大學(xué)袁春風(fēng)教授主編的《計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》作為上課的主教材。該教材根據(jù)教育部“高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)規(guī)范”組織編寫，與美國ACM和IEEE CS Computing Curricula 最新進(jìn)展同步，也是“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材。該教材試圖改變國內(nèi)同類教材通常的就硬件講硬件、軟硬件分離的傳統(tǒng)內(nèi)容的組織方式。依據(jù)該教材，計算機組成原理課程的主要內(nèi)容為：計算機系統(tǒng)概述、數(shù)據(jù)的機器級表示、運算方法與運算部件、指令系統(tǒng)、中央處理器、指令流水線、存儲器分層體系結(jié)構(gòu)和互聯(lián)及輸入輸出組織。根據(jù)以上的課程內(nèi)容，在實際的教授過程中，我們應(yīng)用了以下的教學(xué)方法：

①案例驅(qū)動的方法。 在教授某一部件的工作原理和設(shè)計方法時，都有實際應(yīng)用的例子，以達(dá)到深入淺出的講解問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如果有多個知識點是連貫的，我們就以一個綜合的案例為例，分步剖析，使學(xué)生具有系統(tǒng)的分析設(shè)計能力。例如在講解“最簡單的CUP→總線式CPU→單周期CPU→多周期CPU→基本流水線CPU”過程中均以MIPS處理器為例。

②理論講授與設(shè)計實驗相結(jié)合。在某一個部件的工作原理與設(shè)計方法講解完后，都安排有相應(yīng)的設(shè)計實驗。實驗的課時由原來的16學(xué)時增加到32學(xué)時。在上實驗課時有專門的實驗老師對學(xué)生進(jìn)行精心的講解和指導(dǎo)。

③激勵學(xué)生參加相關(guān)競賽。在課程講授的同時，組織指導(dǎo)學(xué)生參加計算機系統(tǒng)設(shè)計、機器人、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)競賽，把學(xué)到的知識及時應(yīng)用到實踐。既可以鞏固學(xué)到的知識，又可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.3 實驗內(nèi)容的設(shè)置

軟件工程專業(yè)投入了專項資金，購買了30套計算機組成原理實驗設(shè)備FPGA開發(fā)板，可提供30人的班型每人一臺的實驗環(huán)境。實驗課時由原來的16學(xué)時擴(kuò)展到了32學(xué)時。實驗內(nèi)容主要是利用Verilog語言進(jìn)行MIPS指令集和中央處理器的設(shè)計實現(xiàn)，使學(xué)生深入理解計算機系統(tǒng)的工作過程，提高學(xué)生的硬件電路設(shè)計能力。而軟件工程專業(yè)的學(xué)生大多數(shù)沒有接觸過Verilog語言，所以在做實驗前安排2學(xué)時講授Verilog語言基本語法與簡單的程序應(yīng)用，并要求學(xué)生利用課余時間加強學(xué)習(xí)。endprint

實驗的主要內(nèi)容包括： ①多路選擇器的設(shè)計與實現(xiàn)（用結(jié)構(gòu)化的行為描述實現(xiàn)32位多路選擇器）；②7段譯碼器的設(shè)計與實現(xiàn)（使用ISE軟件進(jìn)行4位7段譯碼器設(shè)計實現(xiàn)）；③SOC的設(shè)計與應(yīng)用；④CPU的設(shè)計與實現(xiàn)（設(shè)計一個簡單的單周期CPU，來替換SOC實驗中的CPU模塊）；⑤CPU的擴(kuò)展（對僅支持9條指令的CPU進(jìn)行功能擴(kuò)展，增加I型指令）；⑥基本IO設(shè)計與實現(xiàn)（使用前面實驗設(shè)計的CPU增加簡單的接口設(shè)備和驅(qū)動實現(xiàn)最簡單的SOC或微控的應(yīng)用）；⑦計數(shù)/定時器（在實驗6的基礎(chǔ)上增加計數(shù)器的設(shè)計與實現(xiàn)）；⑧中斷（修改前面實驗CPU模塊中的PC發(fā)生器，并增加中斷返回指令）。

2.4 后繼課程的設(shè)置

為了加強計算機組成原理課程知識向應(yīng)用實踐的轉(zhuǎn)化，在計算機組成原理課程結(jié)束后，我們開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計和移動應(yīng)用開發(fā)兩門課程。 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程是以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)（主要是計算機組成原理課程知識）為基礎(chǔ)，進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計，并將應(yīng)用設(shè)計擴(kuò)展到機器人、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。而移動應(yīng)用開發(fā)是從嵌入式系統(tǒng)分離出來的手機應(yīng)用開發(fā)課程。對于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計和移動應(yīng)用開發(fā)比較優(yōu)秀的學(xué)生，在大四可以到合作的企業(yè)免費實習(xí)，有的被合作企業(yè)聘用為正式員工，直接解決了學(xué)生的就業(yè)問題。

2.5 鼓勵學(xué)生應(yīng)用實踐

軟件工程專業(yè)專門成立了以計算機組成原理課程知識為基礎(chǔ)的應(yīng)用工作室，提供專門的房間和經(jīng)費支持。工作室的成員主要由參加相關(guān)競賽或科研項目的學(xué)生組成，學(xué)生在課余時間便可去工作室進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究。專業(yè)教研室指派專業(yè)老師輪流對工作室進(jìn)行管理和對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。工作室的題目主要來自大學(xué)生競賽、老師的科研項目或合作的企業(yè)。這樣為學(xué)生應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)提供了場地、設(shè)備與資金等方面的支持。工作室的學(xué)生參加了計算機系統(tǒng)設(shè)計、機器人、物聯(lián)網(wǎng)等方面的競賽，取得了較好的成績。

2.6 校企合作為課程建設(shè)注入了活力

校企合作為計算機組成原理課程建設(shè)提供了充足的動力。授課的教師都是在合作企業(yè)培訓(xùn)過，或參加過相關(guān)的企業(yè)項目設(shè)計開發(fā)。教師在企業(yè)要注重企業(yè)實際應(yīng)用案例的收集整理，然后應(yīng)用到教學(xué)中。并隨著新的應(yīng)用技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用的發(fā)展，不斷地更新教學(xué)的案例。形成了軟件工程專業(yè)與企業(yè)共同進(jìn)行課程建設(shè)的合作模式，使得師生能夠了解當(dāng)前社會的實際需求，及時調(diào)整教學(xué)與實踐內(nèi)容，跟上社會發(fā)展的步伐，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，為課程的建設(shè)與發(fā)展注入了活力。

到目前為止，本校的軟件工程專業(yè)已經(jīng)與多家計算機企業(yè)建立了良好的校企合作關(guān)系，包括北京千峰互聯(lián)科技有限公司、北京尚觀科技有限公司、大連達(dá)內(nèi)軟件有限公司、東軟集團(tuán)、中軟國際、藍(lán)鷗科技（大連）有限公司等IT企業(yè)。

3 結(jié)論

計算機組成原理課程知識是嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)、機器人等應(yīng)用的基礎(chǔ)。而軟件工程專業(yè)在專業(yè)轉(zhuǎn)型的過程中，如何以應(yīng)用為導(dǎo)向，與合作企業(yè)聯(lián)合把該門課程建設(shè)好，使培養(yǎng)出的學(xué)生真正滿足社會的需求，是一個值得研究的問題。本文對本校軟件工程專業(yè)在專業(yè)轉(zhuǎn)型過程中計算機組成原理課程建設(shè)進(jìn)行了總結(jié)，經(jīng)過實際教學(xué)中的修改和完善，取得了較好的教學(xué)效果。希望對其他地方高校在專業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展過程中的課程建設(shè)起到一定參考作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 繆峰. 由教改實踐談對地方新建本科院校轉(zhuǎn)型發(fā)展的思考——以民辦高校三江學(xué)院建筑系為例[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2016（27）：142-143.

[2] 魏莉， 趙純堅. 基于地方本科高校轉(zhuǎn)型發(fā)展的校企合作應(yīng)用技術(shù)人才培養(yǎng)的研究與實踐[J]. 高教學(xué)刊， 2015（23）：207-208.

[3] 樓建明， 鮑淑娣， 傅越千， 劉良旭. 基于“卓越計劃”工程實踐教學(xué)的改革與實踐[J]. 實驗室研究與探索， 2015，34（2）：177-181.

[4] 林浩. 計算機組成原理課程教學(xué)改進(jìn)的探討[J]. 福建電腦，2017（9）：179-180.

[5] 唐朔飛， 劉旭東， 王誠， 包健， 熊桂喜.“計算機組成原理”課程教學(xué)實施方案[J]. 中國大學(xué)教學(xué)， 2010（11）：42-45.

[6] 周駿. 計算機組成原理課程教學(xué)改革思考[J]. 西 南 師 范 大 學(xué) 學(xué) 報， 2014，39（6）：161-165.

[7] 李東勤， 徐勇， 常郝.計算機組成原理課程教學(xué)改革的研究和探索[J]. 電腦知識與技術(shù)， 2017，13（3）107-109.endprint