《計(jì)算機(jī)組成原理》課程在應(yīng)用型本科教學(xué)中的探索

李忠玉

摘 要：《計(jì)算機(jī)組成原理》作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的一門核心專業(yè)課，在教學(xué)過程中存在諸多問題。為了提升教學(xué)水平，改善教學(xué)效果，本文從《計(jì)算機(jī)組成原理》該門課程的特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的定位，針對該門課程在理論課程環(huán)節(jié)和實(shí)踐課程環(huán)節(jié)中存在的問題，在課程內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法、實(shí)踐內(nèi)容等方面進(jìn)行了一些的思考，提出了一些建議。

關(guān)鍵詞：人才培養(yǎng) 課程改革 計(jì)算機(jī)組成原理 應(yīng)用型本科

中圖分類號(hào)：G623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）04（a）-0199-03

Abstract：The principle of computer composition is one of the core courses of computer science and technology， and there are many problems in the course of teaching. In order to improve the level and perfect the quality of education.This paper is based on the characteristics of Principle of computer organization course， also combining the orientation of the training of Applied Undergraduate Talents ，and considers the problems existing in the theoretical courses and practical courses. Some Suggestions are put forward in the course content， teaching mode， practice content and so on.

Key Word：Cultivation of talents； Curriculum reform； Principles of computer organization； Application-oriented Undergraduate.

培養(yǎng)高層次應(yīng)用型人才，以培養(yǎng)知識(shí)、能力和素質(zhì)全面而協(xié)調(diào)發(fā)展，面向生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)一線的高級(jí)應(yīng)用型人才是國家培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才的宗旨，計(jì)算機(jī)組成原理作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)核心基礎(chǔ)課，旨在講授單核處理系統(tǒng)的組成和工作原理，并由此擴(kuò)展到并行體系結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)等專業(yè)核心課打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該課程具有知識(shí)范圍寬，內(nèi)容晦澀、抽象等特征，多數(shù)高校普遍存在學(xué)生聽不懂、老師上課痛苦等現(xiàn)象。因此探索這些現(xiàn)象的根源，解決這些問題顯得尤為迫切。我們結(jié)合近幾年對于這門課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對課程進(jìn)行一些思考，提出了一些改進(jìn)方法，取得了一定的效果。

1 課程的特點(diǎn)

我院的《計(jì)算機(jī)組成原理》這門課程選用的是科學(xué)出版社出版的白中英版的《計(jì)算機(jī)組成原理》作為教材，這本教材內(nèi)容豐富、系統(tǒng)性較強(qiáng)。從教材和實(shí)際的課程內(nèi)容可以看出計(jì)算機(jī)組成原理具有如下特點(diǎn)：

（1）計(jì)算機(jī)組成原理是偏硬件性的課程。課程的內(nèi)容比較晦澀，計(jì)算機(jī)的硬件對于學(xué)生來說只是一堆耗材，比如：CPU，學(xué)生就知道CPU的主頻越高，計(jì)算機(jī)的運(yùn)行就越快。對于學(xué)生來說是很難想象CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)怎么連接，為什么主頻越高，運(yùn)行速度就越快。

（2）課程的內(nèi)容太籠統(tǒng)。這門課的課程內(nèi)容是從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成，基本部件，各個(gè)部件的功能、指令等等方面進(jìn)行講解，整個(gè)計(jì)算機(jī)的體系內(nèi)容太“豐富”，指令系統(tǒng)偏底層，本科階段的學(xué)生在學(xué)習(xí)上沒有系統(tǒng)的思維模式，由此導(dǎo)致學(xué)生學(xué)起來比較吃力。

（3）課程實(shí)踐性較強(qiáng)并與電子技術(shù)基礎(chǔ)等課程聯(lián)系緊密。不僅要求學(xué)生有較強(qiáng)的實(shí)踐能力，還要求具有較好的電路分析能力。

（4）課程學(xué)習(xí)要求學(xué)生具有系統(tǒng)“整機(jī)”的思維。

2 課程教學(xué)中存在的問題

2.1 對于學(xué)生

（1）學(xué)生對計(jì)算機(jī)專業(yè)缺乏深刻的認(rèn)識(shí)，多數(shù)同學(xué)認(rèn)為，計(jì)算機(jī)專業(yè)就是寫代碼的，只要我學(xué)了寫程序的語言就能寫代碼，未來就可以去找個(gè)寫代碼的工作，這就沒必要了解計(jì)算機(jī)內(nèi)部是怎么工作的，這就直接導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)習(xí)激情不足。

（2）學(xué)生的學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)方法存在不足。多數(shù)學(xué)生在課程中，依舊是課上做筆記，課下背筆記。

（3）學(xué)生硬件基礎(chǔ)薄弱。由于計(jì)算機(jī)專業(yè)的大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)電子技術(shù)基礎(chǔ)相關(guān)課程時(shí)沒有引起足夠的重視，沒有打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)硬件相關(guān)課程效果不好。

2.2 對于教師

（1）教學(xué)模式比較滯后，教學(xué)方法過于單一。目前大多數(shù)高校在該門課程理論教學(xué)中大多采用傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)，輔之少量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，多采用簡單的實(shí)驗(yàn)箱驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑苯訉⒄n內(nèi)實(shí)驗(yàn)代碼燒錄到實(shí)驗(yàn)箱中，看看結(jié)果。這直接導(dǎo)致學(xué)生的興趣不強(qiáng)，感覺沒法學(xué)到知識(shí)，實(shí)驗(yàn)中敷衍了事。

（2）硬件設(shè)備不足。多數(shù)高校在對于計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)的定位是軟件人才，導(dǎo)致在計(jì)算機(jī)組成原理這門偏硬件課程的實(shí)際教學(xué)過程中，沒有相應(yīng)的硬件設(shè)備作為實(shí)踐環(huán)節(jié)的支撐。

3 新行業(yè)背景下課程教學(xué)的建議

結(jié)合計(jì)算機(jī)組成原理的課程特點(diǎn)和在實(shí)際教學(xué)中存在的問題，對課程教學(xué)提出如下建議：

3.1 課程內(nèi)容

3.1.1 教學(xué)過程中貫穿交叉課程相關(guān)內(nèi)容

計(jì)算機(jī)組成原理這門課程是偏硬件的一門課程，教師在教學(xué)過程中要結(jié)合先修課程電子技術(shù)基礎(chǔ)來進(jìn)行，適時(shí)的給學(xué)生進(jìn)行復(fù)習(xí)和鞏固，同時(shí)講到與后續(xù)的嵌入式系統(tǒng)、傳感器技術(shù)等課程有關(guān)的內(nèi)容時(shí)應(yīng)該給學(xué)生重點(diǎn)講授，加深印象。嵌入式系統(tǒng)、傳感器技術(shù)等課程是人工智能硬件方向的核心課程，必須讓學(xué)生引起足夠的重視，為就業(yè)做鋪墊。

3.1.2 優(yōu)化課程內(nèi)容，適當(dāng)取舍傳統(tǒng)內(nèi)容

應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的實(shí)質(zhì)是面向應(yīng)用。對于這門課程來說，結(jié)合目前智能硬件應(yīng)用的時(shí)代背景，應(yīng)必須對傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行取舍，在傳統(tǒng)內(nèi)容中重點(diǎn)講解。多層次存儲(chǔ)器中虛擬存儲(chǔ)器和cache的原理、指令系統(tǒng)、中央處理器和總線系統(tǒng)。輔助在講指令系統(tǒng)中引入及ARM匯編指令，由于目前人工智能系統(tǒng)中使用的控制芯片大多采用ARM體系結(jié)構(gòu)，因此有必要引入ARM指令集為學(xué)生后續(xù)的嵌入式系統(tǒng)這門課打下基礎(chǔ)。在講解中央處理器時(shí)引入增強(qiáng)型STM32系列MCU的講解，為后續(xù)的單片機(jī)課程打下基礎(chǔ)。由于目前多數(shù)智能機(jī)器人的總線結(jié)構(gòu)均采用CAN模式，所以在講解總線系統(tǒng)時(shí)宜引入CAN總線結(jié)構(gòu)的講解。定點(diǎn)乘法運(yùn)算、定點(diǎn)除法運(yùn)算在實(shí)際的講解過程中，學(xué)生較難理解，對于實(shí)際的上層應(yīng)用中也較少用到可以一帶而過。避免學(xué)生感覺內(nèi)容過于冗余。

3.2 教學(xué)模式和方法

3.2.1 教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生對課程進(jìn)行系統(tǒng)的思考

計(jì)算機(jī)組成原理在教學(xué)中大多是先從數(shù)據(jù)的格式開始先講定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、二進(jìn)制開始，然后講解ALU、存儲(chǔ)器、指令系統(tǒng)、中央處理器、總線系統(tǒng)、外設(shè)和輸入輸出系統(tǒng)進(jìn)行講解。這直接導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)了很長一段時(shí)間過后不知道各個(gè)部分的學(xué)習(xí)到底有什么作用，也感覺每部分都比較難。因此，可以打破傳統(tǒng)的教學(xué)順序，從系統(tǒng)的角度來進(jìn)行講解，引領(lǐng)學(xué)生從宏觀上認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)（可將計(jì)算機(jī)比作人）?？梢韵葟挠?jì)算機(jī)最核心的部分中央處理器（比作人的大腦）進(jìn)行講解，接著講解計(jì)算機(jī)中進(jìn)行傳輸?shù)穆窂剑嚎偩€系統(tǒng)（比作人的血管），再按照存儲(chǔ)器（比作人的記憶系統(tǒng)）、輸入輸出系統(tǒng)（比作人的四肢）的順序來進(jìn)行授課；這樣可以便于同學(xué)們自上而下的認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

3.2.2 問題引導(dǎo)式授課

在每一次課程的教學(xué)過程中，對于每一個(gè)新的知識(shí)點(diǎn)可以采用問題引導(dǎo)法，比如：講解CPU時(shí)，可先以人作為一個(gè)類比，問學(xué)生：“你每天的行動(dòng)是由什么來控制，”由人的行動(dòng)是由大腦來控制，引出計(jì)算機(jī)的活動(dòng)是由CPU來控制，借此闡述CPU的功能，從宏觀上讓學(xué)生們了解CPU。這樣學(xué)生學(xué)起來會(huì)更有興趣，也更容易理解。同時(shí)老師在課堂上要注意引導(dǎo)學(xué)生問問題，通過學(xué)生提出的各種問題，老師再引導(dǎo)學(xué)生自己解決自己提出的各種問題。學(xué)生在自己提出問題，進(jìn)而解決問題的過程中可以達(dá)到知識(shí)的升華和鞏固，也進(jìn)一步鍛煉了學(xué)生提問題和解決問題的能力。

3.2.3 授課中結(jié)合行業(yè)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情

多數(shù)老師在第一次課上進(jìn)行簡單的自我介紹后直接就進(jìn)行課程內(nèi)容的講解，這就導(dǎo)致了學(xué)生根本就不知道這門課程對后續(xù)的學(xué)習(xí)和工作有什么作用。因此老師有必要在第一次課和后續(xù)適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)告知學(xué)生計(jì)算機(jī)組成原理這門課程的作用。該課程的內(nèi)容是電子信息行業(yè)的核心基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)、智能交通、智慧城市等等中的信號(hào)傳輸模型和控制模型都與計(jì)算機(jī)組成原理這門課程息息相關(guān)，例如：在物聯(lián)網(wǎng)中的控制部分大多是采用ARM系統(tǒng)構(gòu)架的MCU，而計(jì)算機(jī)組成原理中講解的8086和擴(kuò)展講到的ARM 指令集就是其控制原理的基本闡述。

3.2.4 植入翻轉(zhuǎn)課堂、微課

傳統(tǒng)教學(xué)模式下學(xué)生的在課堂的參與度不高；教師可以對課程中的一些與實(shí)際問題相關(guān)的知識(shí)模塊采用翻轉(zhuǎn)課堂的形式，以問題的形式拋給學(xué)生，讓學(xué)生深入的通過圖書館或者網(wǎng)絡(luò)資源來解決并制作成課件或者微課，課上讓學(xué)生來講授。

3.3 實(shí)踐內(nèi)容

應(yīng)用型本科與教學(xué)型、科研型的區(qū)別是偏向于實(shí)際的應(yīng)用環(huán)節(jié)，其突出應(yīng)用，突出技術(shù)，故實(shí)踐教學(xué)體系對于應(yīng)用型本科的人才培養(yǎng)至關(guān)重要。計(jì)算機(jī)組成原理作為傳統(tǒng)的理論+實(shí)踐的課程，這門課程傳統(tǒng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)是以單純的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，這導(dǎo)致了多數(shù)同學(xué)對課程的認(rèn)同度不高，動(dòng)手能力較差，所以應(yīng)該建立以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為輔，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主，加之以綜合性實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐模式，可以適當(dāng)引入實(shí)際一些實(shí)際產(chǎn)品的小模塊，以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力。

（1）驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)。應(yīng)用于教學(xué)的初始階段，主要設(shè)置在概論的知識(shí)部分；以加深學(xué)生從宏觀上對相關(guān)知識(shí)的理解。

（2）設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。主要設(shè)置于運(yùn)算器、指令系統(tǒng)、外存與I/O系統(tǒng)和輸入輸出設(shè)備部分，引入一些實(shí)際的產(chǎn)品模塊，讓學(xué)生模仿進(jìn)行一些簡單的設(shè)計(jì)或者思考如何用軟件編程來實(shí)現(xiàn)，例如：對于補(bǔ)碼的加減法，可以讓學(xué)生用C語言或者匯編語言來實(shí)現(xiàn)功能，加深學(xué)生對運(yùn)算器的理解。對于存儲(chǔ)器，可以給學(xué)生一款實(shí)際的存儲(chǔ)器，讓學(xué)生用Visio或者Protel繪制簡單的存儲(chǔ)器原理圖；增加學(xué)生的興趣。

（3）綜合性的實(shí)驗(yàn)。綜合性的實(shí)驗(yàn)可作為課程結(jié)束后，以分組的形式進(jìn)行，例如：講解完這門課程后可以給學(xué)生幾周的時(shí)間，讓學(xué)生課下查閱相關(guān)資料完成具有中斷功能的模擬機(jī)的設(shè)計(jì)。學(xué)生通過此綜合性的實(shí)驗(yàn)可以從系統(tǒng)的角度掌握計(jì)算機(jī)組成原理這門課程的整個(gè)知識(shí)系統(tǒng)構(gòu)架。

4 結(jié)語

人工智能的大背景下，給計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生創(chuàng)造了更多的契機(jī)，智能硬件作為人工智能中一個(gè)非常重要的應(yīng)用方向，也給《計(jì)算機(jī)組成原理》這門課程的教學(xué)帶來的新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)；結(jié)合行業(yè)背景，探索更適合于應(yīng)用型本科的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)模式，努力引導(dǎo)學(xué)生積極參與到教學(xué)活動(dòng)中，是值得每一位課程教師深思的事情，這是一個(gè)長期的過程，我們應(yīng)以行業(yè)作為課程教學(xué)和改革的推動(dòng)力。

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