計算機組成原理教學模式改革研究

王小芬 邱秀榮

摘要：作為計算機科學與技術(shù)專業(yè)的核心課程，計算機組成原理主要研究計算機各硬件部分的工作原理，針對該課程的教學現(xiàn)狀，分析傳統(tǒng)教學模式中存在的若干問題，提出了相應(yīng)的改革方案，實踐表明，采用新的教學模式取得了良好的教學效果。

關(guān)鍵詞：教學模式；計算機組成原理；教學改革；實踐教學

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）33-0144-02

計算機組成原理課程是計算機科學與技術(shù)專業(yè)本科生必修的核心課程之一，也是計算機科學與技術(shù)專業(yè)碩士研究生入學考試的必考課程之一，在計算機科學與技術(shù)專業(yè)碩士研究生入學考試實行全國統(tǒng)考后，專業(yè)課程考試大綱中計算機組成原理占45分，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)占45分，操作系統(tǒng)占35分，計算機網(wǎng)絡(luò)占25分，可見計算機組成原理課程在計算機科學與技術(shù)專業(yè)中的地位。計算機組成原理是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前導課程，而數(shù)字電子技術(shù)和離散數(shù)學又是計算機組成原理課程的前導課程，因此，計算機組成原理在整個課程體系中起著承上啟下的作用。

1 傳統(tǒng)教學模式中存在的問題

根據(jù)多年的教學經(jīng)驗和調(diào)查分析，得知傳統(tǒng)的《計算機組成原理》課程的教學模式存在如下問題。

1.1 生源存在差異，學生基礎(chǔ)薄弱

我校開設(shè)計算機組成原理課程的是計算機科學與技術(shù)專業(yè)的本科生，而計算機科學與技術(shù)專業(yè)的本科生生源有兩類，一類是普通高中畢業(yè)的學生，另一類是職業(yè)高中畢業(yè)的學生，由于生源類型不同，所以學生的基礎(chǔ)差異較大。部分同學高中物理知識學得較少，所以相應(yīng)的前導課程（電工電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、離散數(shù)學）掌握得不夠扎實，導致在學習《計算機組成原理》時許多概念不理解，許多圖形看不懂，比如在計算機組成原理課程中講到多級存儲結(jié)構(gòu)時，會涉及寄存器、鎖存器、緩存的概念和工作方式等，這無形中就影響了學習的積極性。在學習計算機各組成部分的硬件電路及其工作原理時，需要用到數(shù)字電子技術(shù)和離散數(shù)學等前導知識，而學生對相關(guān)的前導課程掌握得不夠深入，因而在該課程的學習過程中就會感到吃力，從而影響學習興趣。

1.2 實踐環(huán)節(jié)薄弱

《計算機組成原理》課程主要講授計算機硬件的結(jié)構(gòu)和工作原理，許多內(nèi)容是需要通過實驗設(shè)備來進行驗證和理解的，傳統(tǒng)的教學模式中實踐教學比例較小，實驗設(shè)備功能簡單，甚至沒有實踐教學環(huán)節(jié)，這無疑就增加了教師授課的難度和學生學習的難度，從而出現(xiàn)“教師難教，學生難學”的現(xiàn)象。

1.3 教學手段單一

傳統(tǒng)的教學手段多數(shù)是教師講、學生聽，但計算機組成原理課程中很多知識點是非常抽象的，比如指令的執(zhí)行周期、控制器的工作過程、數(shù)據(jù)如何在數(shù)據(jù)線上傳輸?shù)龋@些抽象的內(nèi)容僅用傳統(tǒng)的講授方式很難讓學生真正理解。

對于學生而言，該課程不像離散數(shù)學有一系列的推導和證明，大多數(shù)學生會感覺該課程的知識點比較零散，理論性太強，學習起來比較吃力，課后復習也比較困難，不知從何下手，因此，采用傳統(tǒng)的教學模式很難完成教學任務(wù)，如何改革計算機組成原理課程的教學模式，如何提高學生學習的積極性，已經(jīng)成為任課教師急需解決的問題。

2 教學模式改革方案

2.1 合理組織教學內(nèi)容

在教學內(nèi)容上，依據(jù)教學大綱的具體要求，以及計算機組成原理課程同先導、后續(xù)課內(nèi)容的緊密結(jié)合程度，合理組織教學內(nèi)容，增加內(nèi)容的趣味性。目前，我校開設(shè)該課程的是計算機科學與技術(shù)專業(yè)的本科生，使用由高等教育出版社出版、王誠教授主編的教材。本書分別介紹了計算機的五大構(gòu)成部件，而學生在學習過程中僅是單獨的學習每個部件的功能，缺乏對知識點的總結(jié)和歸納，為了培養(yǎng)學生整機的概念，必須重新整合教學內(nèi)容。教師在講解過程中，以某章的知識點為主，要結(jié)合其他章節(jié)的內(nèi)容，不能將計算機的五大構(gòu)成部件分離開，切實聯(lián)系實際生活中的例子（一臺計算機如同一個健全的人，計算機的硬件系統(tǒng)如同人的物質(zhì)性的肉體，計算機的軟件如同人的精神性的智力與思維），讓學生對知識點的理解化抽象為具體?？傊诮M織教學內(nèi)容時要注意主次分明、詳略得當，有些知識點讓學生有所了解就行，不必面面俱到，以達到對課程內(nèi)容的最優(yōu)化設(shè)計。

2.2 靈活運用多種教學方法和手段

啟發(fā)式教學。啟發(fā)式意在啟發(fā)學生的思維，所以應(yīng)注重學生思考能力的培養(yǎng)，通過啟發(fā)式調(diào)動學生學習的主動性。在授課過程中，教師可以將一個大問題分解成若干個小問題，教師需引導學生思考、分析，將一系列的小問題最終歸納成需要解決的大問題。例如，工作人員是如何計算二進制加法的，計算機是如何計算一位的二進制加法的，如何處理進位問題，如何進行十六位加法運算，如何實現(xiàn)更高位加法運算，如何實現(xiàn)減法運算，如何實現(xiàn)乘/除法運算，如何實現(xiàn)邏輯運算，最后實現(xiàn)運算器的設(shè)計。通過這種方式使學生對教學內(nèi)容有了由淺及深的了解和認識。

互動式教學。進行教學改革目的就是為了提高課堂教學質(zhì)量，教師應(yīng)該對教學內(nèi)容有深刻的理解，在授課過程當中，教師應(yīng)積極組織學生開展課堂討論，讓學生真正成為課堂教學過程中的主體，充分發(fā)揮教師的引導作用。例如，在“基本輸入輸出設(shè)備”知識點的教學過程中，讓學生自己（可以分組）制作 PPT，然后自己（每組代表）對基本輸入輸出設(shè)備的基本概念進行介紹，介紹其工作原理、最新技術(shù)和產(chǎn)品。 最后，教師對相關(guān)內(nèi)容進行補充和指導。 通過這種方式激發(fā)學生的學習積極性，營造好的學習氛圍。

多媒體輔助教學。在教學過程中使用多媒體技術(shù)手段可以對抽象的概念進行動畫模擬，例如，對于數(shù)據(jù)通路、指令周期等比較抽象的概念，僅僅使用傳統(tǒng)的板書，既浪費時間效果又差，如果使用多媒體動畫方式，則可以節(jié)省大量畫圖時間。通過這種方式可以極大地改善該課程帶給大家的枯燥印象，使得課堂氣氛生動、活潑。

2.3 突出理論知識的實際應(yīng)用

重視實踐環(huán)節(jié)，實踐教學可以深化課堂教學效果。目前，采用EDA仿真技術(shù)進行計算機組成原理實驗，實驗在 FPGA 綜合開發(fā)工具 Quartus II 9.0 軟件環(huán)境下進行，EDA 是電子設(shè)計自動化（ Electronic Design Automation）的縮寫，是上世紀 80 年代末電子設(shè)計領(lǐng)域中高速發(fā)展的一項新技術(shù)，在電子設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)非常普及。而近些年，越來越多的高校將 EDA 技術(shù)引入到了計算機組成原理實驗課教學中，并且出現(xiàn)與之配套的實驗電路箱，使計算機組成原理實驗課的教學模式發(fā)生了巨大的變革。通過仿真技術(shù)使學生對計算機硬件原理進行驗證，從而更好地理解計算機的工作過程。實驗項目主要包括運算器實驗、存儲器實驗、控制器實驗和總線實驗。

采用以教師為主導、學生為主體，基于項目、問題的探究式教學模式進行課堂教學。以班級為單位，每班一個項目，每班學生分成若干小組，分工協(xié)作，有步驟有計劃地共同完成該班的項目。

首先，教師導入項目內(nèi)容，讓學生們對該項目有個感性的認識，以此來布置任務(wù)，學生們分組對任務(wù)進行分析，應(yīng)用已學習的知識制定工作計劃；然后，學生根據(jù)制定的工作計劃逐步實施完成任務(wù)；最后，學生展示任務(wù)成果。在整個工作過程中，學生們是工作的主體，但教師也需要全程參與、跟蹤輔導，從而實現(xiàn)教師與學生以及學生與學生之間的交流，采用新的教學模式，可以使學生們有更多的自主學習的機會，并能主動參與到項目的設(shè)計與開發(fā)的過程中，能切實有效地激發(fā)學生對硬件設(shè)計的積極性，并能在計算機組成原理教學的過程中取得良好的教學效果。

3 教學模式改革條件保障

學校成立專門的部門對本項目的申請和實施提供便利條件，這對于本項目的實施具有很大的幫助。師資力量雄厚，項目組成員均長期從事計算機專業(yè)的教學，有能夠完成課題任務(wù)的專業(yè)師資隊伍，在教學過程中可以逐步改進教學方法。資料基礎(chǔ)廣泛，我?，F(xiàn)有電子圖書庫和免費的百度文庫使用權(quán)，可以利用這些資源查閱國內(nèi)外資料，教學設(shè)備設(shè)施可以滿足現(xiàn)有教學。改善和提升了校內(nèi)實訓基地的條件，實踐教學條件一直是影響計算機組成原理課程實踐教學質(zhì)量的重要客觀因素。我校已建有計算機組成原理課程實驗室，實驗實習條件將再次提升。

4 結(jié)束語

總之，計算機組成原理課程的地位和特點決定了該課程的教學模式改革是勢在必行的，通過教學模式的改革也促進了課程的建設(shè)與發(fā)展。教學模式的改革是一個長期的過程，廣大教師應(yīng)立足于提高教學質(zhì)量的出發(fā)點上，進一步推動教學模式的改革。

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【通聯(lián)編輯：王力】