計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)改革探索與實(shí)踐

蘭 勇，張朝陽(yáng)，王 偉，張少博

（長(zhǎng)安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引 言

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，對(duì)后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)起著至關(guān)重要的奠基作用，同時(shí)也是一門公認(rèn)的難學(xué)難教的課程。一方面，涉及繁雜嚴(yán)密的邏輯過(guò)程的計(jì)算機(jī)組成原理課程，其知識(shí)點(diǎn)大都比較抽象、枯燥，學(xué)習(xí)難度較大；另一方面，學(xué)生從公共基礎(chǔ)課過(guò)渡到專業(yè)課的學(xué)習(xí)，本身需要一個(gè)適應(yīng)轉(zhuǎn)變的過(guò)程[1]，而計(jì)算機(jī)組成原理又是學(xué)生最先接觸到的專業(yè)課程，進(jìn)一步增加學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。因此，教授好本課程，為本專業(yè)的學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的專業(yè)理論基礎(chǔ)，成為計(jì)算機(jī)組成原理課程教師不斷改進(jìn)和創(chuàng)新教學(xué)方法的原動(dòng)力。

1 基于課程知識(shí)難點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容改進(jìn)

計(jì)算機(jī)組成原理難學(xué)難教的原因之一，就是知識(shí)點(diǎn)多且難。主流的計(jì)算機(jī)組成原理教材內(nèi)容雖然涵蓋比較全面的專業(yè)知識(shí)，但是紙質(zhì)介質(zhì)的教材本身可表達(dá)的信息量十分有限，對(duì)專業(yè)知識(shí)的表述不能面面俱到，有時(shí)甚至缺乏深度，因此授課教師雖然要基于教材講授，但是卻不應(yīng)受限或迷信于教材，更不能照本宣科，進(jìn)行填鴨式的教學(xué)，要在教材有限知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，不斷拓展知識(shí)點(diǎn)的寬度和深度。另外，雖然擔(dān)任計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)的任課教師，不一定必須是科班出身，但是必須要重視教授課程應(yīng)具備的專業(yè)水準(zhǔn)。計(jì)算機(jī)科學(xué)的專業(yè)知識(shí)是一個(gè)系統(tǒng)性很強(qiáng)的知識(shí)體系，教師應(yīng)該在教學(xué)過(guò)程中不斷凝練知識(shí)點(diǎn)，做到對(duì)專業(yè)知識(shí)的融會(huì)貫通。

1.1 注重課程內(nèi)容的承上啟下

數(shù)字邏輯是計(jì)算機(jī)組成原理重要的先修課程，運(yùn)算方法和運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)組成原理的重要知識(shí)點(diǎn)之一，然而，即使是現(xiàn)在比較主流的教材，在此章節(jié)中也未清晰地闡明計(jì)算機(jī)組成原理課程中運(yùn)算方法和運(yùn)算器知識(shí)點(diǎn)同數(shù)字電路課程中加法器知識(shí)點(diǎn)的關(guān)系，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)此知識(shí)點(diǎn)的過(guò)程中產(chǎn)生疑惑，為此，教師在教學(xué)過(guò)程中需改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容。教師要在課程開(kāi)始時(shí)向?qū)W生闡明二者之間的承接關(guān)系，即數(shù)字電路課程中的加法器是一種不考慮符號(hào)的、基于純粹的二進(jìn)制編碼實(shí)現(xiàn)的加法器，但人們面對(duì)的運(yùn)算是有正負(fù)符號(hào)的，也就是真值的運(yùn)算。如果將真值的正負(fù)符號(hào)也轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制編碼表示，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)器碼，機(jī)器碼本身也是一種純粹的二進(jìn)制編碼，于是就可以充分利用數(shù)字電路課程中的加法器進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)真值的加法，不過(guò)需要在完成基于機(jī)器碼的機(jī)器加法后，再將機(jī)器碼轉(zhuǎn)換為具有正負(fù)符號(hào)的真值。

針對(duì)Cache存儲(chǔ)器、虛擬存儲(chǔ)器等知識(shí)點(diǎn)，現(xiàn)有的教材幾乎都未提及這些知識(shí)點(diǎn)與操作系統(tǒng)課程的關(guān)系，但在后續(xù)的專業(yè)學(xué)習(xí)中，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)操作系統(tǒng)課程中存儲(chǔ)器管理知識(shí)點(diǎn)與本知識(shí)點(diǎn)具有高度的重復(fù)性，會(huì)再次產(chǎn)生疑惑。授課教師在此知識(shí)點(diǎn)的講授上，應(yīng)該清楚地告訴學(xué)生本課程所講述的存儲(chǔ)體系知識(shí)點(diǎn)與操作系統(tǒng)課程的關(guān)聯(lián)，闡明構(gòu)建計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)的原理和機(jī)制。操作系統(tǒng)是一種管理計(jì)算機(jī)軟硬件資源的系統(tǒng)軟件；操作系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)資源的管理策略正是依賴于此處所講述的存儲(chǔ)系統(tǒng)原理和機(jī)制，并以此進(jìn)行系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的。由此，既能強(qiáng)調(diào)此知識(shí)點(diǎn)對(duì)后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的重要性，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到學(xué)好此知識(shí)點(diǎn)具有事半功倍的效果，又能消除學(xué)生在后續(xù)操作系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)中的疑惑。

此外，本課程的諸多知識(shí)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)等專業(yè)課程的承接關(guān)系（如圖1所示），都應(yīng)盡可能闡明。當(dāng)然，這需要任課教師自身具備全面、系統(tǒng)、深入的專業(yè)知識(shí)。所謂“名師出高徒”“強(qiáng)將手下無(wú)弱兵”，教師本身也要不斷提升自身專業(yè)水平和專業(yè)素養(yǎng)，做到術(shù)有專攻，業(yè)有所長(zhǎng)，才能更好地授業(yè)解惑[2]。

圖1 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系中的課程承接關(guān)系

1.2 注重邏輯與物理概念的建立與區(qū)分

通常，計(jì)算機(jī)組成原理課程的概論里會(huì)指出：計(jì)算機(jī)組成是對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。然而，這個(gè)概念對(duì)于剛剛接觸專業(yè)課程學(xué)習(xí)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，實(shí)在太過(guò)抽象，這也是本課程難學(xué)的原因所在。邏輯概念的建立與運(yùn)用，是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生分析和解決計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)問(wèn)題的一個(gè)重要手段。為此，教師應(yīng)在整個(gè)課程教學(xué)中結(jié)合相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，闡明相應(yīng)的知識(shí)理論是基于邏輯的描述，還是物理的概念，如針對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的知識(shí)點(diǎn)[3]，應(yīng)該及時(shí)闡明并強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分層原理的“自上而下”是基于邏輯上的描述，而非物理的“上下”，而且正是這種邏輯上的分層，可以使繁雜的計(jì)算機(jī)技術(shù)逐層逐級(jí)地各個(gè)解決。針對(duì)計(jì)算機(jī)組成部件的劃分與相互關(guān)系、運(yùn)算方法的機(jī)器運(yùn)算過(guò)程描述、指令周期的劃分等諸多知識(shí)點(diǎn)的講授，都應(yīng)注重強(qiáng)調(diào)邏輯實(shí)現(xiàn)及其與物理實(shí)現(xiàn)的區(qū)別，讓學(xué)生深刻理解什么是邏輯實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生及早掌握基于邏輯的分析方法和具備解決計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域問(wèn)題的能力。

1.3 借鑒通俗淺顯的科學(xué)原理講授知識(shí)難點(diǎn)

通過(guò)長(zhǎng)期的計(jì)算機(jī)組成原理課程講授以及對(duì)專業(yè)知識(shí)的領(lǐng)悟，筆者進(jìn)一步將計(jì)算機(jī)的基本工作原理提煉為“從微觀到宏觀，從量變到質(zhì)變”的過(guò)程。計(jì)算機(jī)運(yùn)行的微觀過(guò)程注重解決好基于時(shí)間、空間的邏輯實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，在此基礎(chǔ)上，以時(shí)序?yàn)榛鶞?zhǔn)，基于高速的時(shí)鐘頻率重復(fù)這些實(shí)現(xiàn)了的微觀過(guò)程；宏觀上展現(xiàn)出的就是質(zhì)變的、具有高速計(jì)算能力的機(jī)器，甚至是智能的機(jī)器。這種“微觀到宏觀，量變到質(zhì)變”的原理，與日光燈、動(dòng)畫(huà)、電影等的工作原理如出一轍，以此引導(dǎo)學(xué)生，能讓學(xué)生更通俗、更淺顯地理解計(jì)算機(jī)組成原理的知識(shí)重點(diǎn)和難點(diǎn)?！皬奈⒂^到宏觀，從量變到質(zhì)變”的科學(xué)原理，首先適用于計(jì)算機(jī)組成原理課程諸多知識(shí)點(diǎn)的講授，尤其是講授中央處理器章節(jié)中的指令周期、微程序控制器原理等知識(shí)點(diǎn)時(shí)，能使抽象繁雜的邏輯過(guò)程變得深入淺出；其次能強(qiáng)化學(xué)生在解決計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域問(wèn)題時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先著眼于解決好微觀的邏輯過(guò)程實(shí)現(xiàn)。

1.4 注重課程設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容的“設(shè)計(jì)”

課程設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)組成原理課程十分重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。與理論教學(xué)中的幾個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)不同，課程設(shè)計(jì)的教學(xué)需要教師全力引導(dǎo)學(xué)生從設(shè)計(jì)的角度實(shí)現(xiàn)對(duì)理論知識(shí)的深入認(rèn)識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用。以基于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的簡(jiǎn)單或復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計(jì)的課程設(shè)計(jì)為例，教師應(yīng)當(dāng)按照硬件、指令系統(tǒng)、測(cè)試程序的至上而下層次結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生從無(wú)到有、逐層逐級(jí)地完成模型機(jī)設(shè)計(jì)，尤其在硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，教師應(yīng)該注意糾正學(xué)生“已有實(shí)驗(yàn)箱，無(wú)需硬件設(shè)計(jì)”的錯(cuò)誤觀念。教師要注重引導(dǎo)學(xué)生：實(shí)驗(yàn)箱僅提供必備的硬件模塊，如運(yùn)算器模塊等，但實(shí)驗(yàn)箱之間的邏輯實(shí)現(xiàn)，需要學(xué)生進(jìn)一步設(shè)計(jì)完成，同時(shí)需要通過(guò)模塊連線完成硬件的物理實(shí)現(xiàn)，在完成模型機(jī)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，機(jī)器指令系統(tǒng)、微指令格式設(shè)計(jì)及編碼、微指令在控存中的微地址安排等，均應(yīng)按照從無(wú)到有、逐級(jí)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程設(shè)計(jì)完成。課程設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫和成績(jī)?cè)u(píng)定，更要體現(xiàn)出設(shè)計(jì)思想，而非實(shí)驗(yàn)報(bào)告，一定要避免讓學(xué)生將課程設(shè)計(jì)當(dāng)成再一次的驗(yàn)證性大實(shí)驗(yàn)完成了結(jié)，否則就完全背離課程設(shè)計(jì)教學(xué)的根本目的。

2 教學(xué)方法改進(jìn)與創(chuàng)新

2.1 充分運(yùn)用多媒體教學(xué)手段表現(xiàn)抽象的邏輯過(guò)程

計(jì)算機(jī)組成原理難學(xué)難教是因?yàn)橛?jì)算機(jī)的工作原理涉及大量的、繁雜的、嚴(yán)密的邏輯過(guò)程。邏輯過(guò)程是與時(shí)間和空間密切相關(guān)的，而靜態(tài)的書(shū)面文字和圖片又難以深入淺出地描述抽象繁雜的邏輯過(guò)程。現(xiàn)代的教學(xué)課堂大多配備多媒體教學(xué)設(shè)備，教師應(yīng)充分利用PPT等工具，將抽象難理解的邏輯過(guò)程用形象的動(dòng)畫(huà)表現(xiàn)出來(lái)，這就要求教師不僅能熟練地運(yùn)用PPT等各種多媒體表現(xiàn)功能，而且要對(duì)教學(xué)內(nèi)容的多媒體表現(xiàn)形式進(jìn)行合理巧妙的構(gòu)思，讓抽象的工作原理和邏輯過(guò)程展現(xiàn)得恰到好處、一目了然，極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，讓教學(xué)內(nèi)容變得深入淺出。以對(duì)微程序控制器工作原理知識(shí)點(diǎn)的講授為例，教師可以將時(shí)間軸（時(shí)序）、微指令周期、指令周期以及微程序控制器原理框圖結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)成一頁(yè)P(yáng)PT，通過(guò)動(dòng)畫(huà)形式，如采用箭頭圖形在時(shí)間軸上前進(jìn)的形式指示微指令周期的改變并觸發(fā)相應(yīng)的微指令執(zhí)行過(guò)程，直觀地表現(xiàn)基于時(shí)序的計(jì)算機(jī)指令執(zhí)行和控制的過(guò)程，既強(qiáng)化學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)時(shí)序的理解，又讓抽象的微程序控制器原理變得通俗易懂。

2.2 進(jìn)行線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式改革

計(jì)算機(jī)組成原理作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，通常學(xué)時(shí)數(shù)多、課程量大，若只依賴有限的課堂教學(xué)時(shí)間，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解與掌握必定是十分有限的?，F(xiàn)代教學(xué)應(yīng)當(dāng)充分利用無(wú)處不在的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，為學(xué)生開(kāi)發(fā)和提供基于網(wǎng)絡(luò)的線上學(xué)習(xí)資源，圖2所示為基于線上線下融合的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式示意圖。在教學(xué)過(guò)程中，針對(duì)課程的知識(shí)重點(diǎn)和難點(diǎn)，我們分別錄制定點(diǎn)加法運(yùn)算、定點(diǎn)乘除法運(yùn)算、Cache的地址映像與變換、微程序控制器工作原理、微程序設(shè)計(jì)舉例等微課視頻并分享到學(xué)生QQ群、微信等線上平臺(tái)，供學(xué)生課前預(yù)習(xí)或課后復(fù)習(xí)。其中，定點(diǎn)加法運(yùn)算微課視頻獲得陜西省第二屆高校教師微課教學(xué)比賽二等獎(jiǎng)，并同時(shí)在全國(guó)高校微課教學(xué)比賽網(wǎng)站上線。

圖2 基于線上線下融合的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式示意圖

在具備豐富線上學(xué)習(xí)資源的基礎(chǔ)上，適時(shí)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式[4]改進(jìn)，可以更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)習(xí)效果，如針對(duì)指令系統(tǒng)尋址方式知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)，可以安排學(xué)生提前進(jìn)行線上學(xué)習(xí)，并在線下（課堂）教學(xué)中將學(xué)生分組，各組指定代表上臺(tái)講解，并引發(fā)討論，教師參與討論并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步理解和掌握該知識(shí)點(diǎn)。課程設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程更適合翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，在將學(xué)生分組的基礎(chǔ)上，按照模型機(jī)設(shè)計(jì)的流程，每完成一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)后，都安排一次小型的翻轉(zhuǎn)課堂，由各組對(duì)階段設(shè)計(jì)的完成情況和下一步的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行講解并引發(fā)討論。在課程設(shè)計(jì)的答辯環(huán)節(jié)，改變過(guò)去由指導(dǎo)教師到各小組進(jìn)行問(wèn)答的評(píng)分模式，改為給定每組20 min，由各組預(yù)先制作簡(jiǎn)短的PPT，全體組員上臺(tái)協(xié)作講解、演示和答辯并評(píng)分的模式；同時(shí)，對(duì)各組答辯的過(guò)程進(jìn)行全程錄屏錄像，并將錄制的視頻返給學(xué)生，以此進(jìn)一步增強(qiáng)成績(jī)?cè)u(píng)定的客觀公正性，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，更好地達(dá)到課程設(shè)計(jì)的教學(xué)目的。

3 結(jié) 語(yǔ)

計(jì)算機(jī)組成原理課程雖然具有難學(xué)難教的特點(diǎn)，但是其教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量的好壞，本質(zhì)上還是取決于教學(xué)內(nèi)容的凝練與教學(xué)方法的科學(xué)合理。通過(guò)不斷改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，凝練關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，并基于線上線下的翻轉(zhuǎn)課堂創(chuàng)新傳統(tǒng)教學(xué)模式和教學(xué)方法，能夠使枯燥乏味的計(jì)算機(jī)組成原理課程學(xué)習(xí)充滿樂(lè)趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。教學(xué)改革在屢次的教學(xué)檢查和教學(xué)評(píng)估中獲得了學(xué)生的高度好評(píng)和一致認(rèn)可，收到良好的教學(xué)效果，為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定了堅(jiān)實(shí)的專業(yè)理論基礎(chǔ)。