計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的探索

寧菲菲 李鵬輝

摘要：工程教育認(rèn)證強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。本文以計(jì)算機(jī)組成原理課程中主存容量擴(kuò)展知識點(diǎn)為例，首先進(jìn)行了復(fù)雜工程問題的特征分析，然后從問題分析、教學(xué)方法、設(shè)計(jì)與改進(jìn)以及考核評價(jià)四個方面討論以解決復(fù)雜工程問題能力為導(dǎo)向的教學(xué)組織與安排。文章面向培養(yǎng)解決復(fù)雜工程能力所進(jìn)行的教學(xué)探索對提升人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要作用。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理;復(fù)雜工程問題;工程教育認(rèn)證

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）35-0172-02

2006年我國開始工程教育專業(yè)認(rèn)證工作，它以工程教育國際接軌為突破口，通過強(qiáng)化內(nèi)涵發(fā)展提升質(zhì)量，在促進(jìn)更新教育觀念、建立標(biāo)準(zhǔn)意識和強(qiáng)化質(zhì)量意識方面起到了重要作用[1]。2015年，中國工程教育認(rèn)證協(xié)會發(fā)布了《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（2015版）》?！豆こ探逃J(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（2015版）》所提出的12條畢業(yè)要求中有8條畢業(yè)要求共9次提到復(fù)雜工程問題，分別是工程知識、問題分析、設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具、工程與社會、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展、溝通[2]。

計(jì)算機(jī)組成原理課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程等專業(yè)的一門專業(yè)必修課，主要講解計(jì)算機(jī)硬件的工作原理和設(shè)計(jì)方案。培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力需要分解、落實(shí)到課程教學(xué)等人才培養(yǎng)的各個環(huán)節(jié)。選取課程教學(xué)大綱中運(yùn)算器設(shè)計(jì)、中斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)、存儲器設(shè)計(jì)等一些具有復(fù)雜工程問題特征的課題作為理論教學(xué)的重難點(diǎn)，是在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生分析、解決復(fù)雜工程問題能力的一條有效途徑。主存容量擴(kuò)展課題作為存儲器一章的重難點(diǎn)內(nèi)容，具有綜合性、應(yīng)用性較強(qiáng)的特點(diǎn)，本文選取這一課題闡述面向培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的教學(xué)探索思路。

1 復(fù)雜工程問題的特征分析

《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（2015版）》中所提到的“復(fù)雜工程問題”必須具備下述特征（1），同時具備下述特征（2）一（7）的部分或全部：（1）必須運(yùn)用深入的工程原理，經(jīng)過分析才可能得到解決;（2）涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突;（3）需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性;（4）不是僅靠常用方法就可以完全解決的;（5）問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)工程實(shí)踐的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中;（6）問題相關(guān)各方利益不完全一致;（7）具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題[3]。

本文闡述的主存容量擴(kuò)展具備復(fù)雜工程問題特征的第（1）、（2）、（7）條，具體分析如下：

（1）主存容量擴(kuò)展的設(shè)計(jì)需要學(xué)生運(yùn)用CPU對內(nèi)存進(jìn)行讀寫操作的工作原理、數(shù)字電路、系統(tǒng)總線的特性等理論知識，分析內(nèi)存分配、內(nèi)存芯片的組織、芯片引腳與系統(tǒng)總線的連接才可能得到解決。

（2）主存容量擴(kuò)展涉及內(nèi)存、主板、系統(tǒng)總線和CPU等多個硬部件。主存容量擴(kuò)展的設(shè)計(jì)方案有位擴(kuò)展、字?jǐn)U展和字位擴(kuò)展三種，在實(shí)際應(yīng)用場景中該主要考慮哪些因素、選擇何種方案都對擴(kuò)展后的內(nèi)存性能有著直接的影響。

（3）主存容量擴(kuò)展包含內(nèi)存芯片引腳結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)總線的構(gòu)成與工作特性、內(nèi)存的讀寫操作、內(nèi)存容量分配4個相互關(guān)聯(lián)的子問題，具有較高的綜合性。

2 復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐

2.1問題分析

根據(jù)問題場景首先需要分析內(nèi)存容量與芯片容量的關(guān)系以選定擴(kuò)展方案，如果芯片的存儲單元字長不能滿足內(nèi)存容量需求則應(yīng)該采用位擴(kuò)展方案;若是內(nèi)存芯片的存儲單元個數(shù)不能滿足內(nèi)存容量需求則采用字?jǐn)U展方案;如果內(nèi)存芯片的存儲單元個數(shù)和存儲單元字長兩方面均不能滿足內(nèi)存容量需求則采用字位擴(kuò)展方案。在確定擴(kuò)展方案后需要分析芯片的地址引腳、數(shù)據(jù)引腳和控制引腳以及系統(tǒng)總線的構(gòu)成，再設(shè)計(jì)內(nèi)存芯片與CPU引腳的連接圖，最后分析CPU對內(nèi)存的讀寫工作。

2.2教學(xué)方法

為了讓學(xué)生更好地掌握理解該部分內(nèi)容，在授課過程中主要采用案例教學(xué)、對分課堂和線上線下混合式教學(xué)等教學(xué)方法。針對主存容量擴(kuò)展的三種擴(kuò)展方案選取三個項(xiàng)目案例，結(jié)合案例對比分析三種主存容量擴(kuò)展方案分別適用的問題場景及特點(diǎn)。采用對分教學(xué)將課堂時間一半交由教師講授理論知識重難點(diǎn)，一半交由學(xué)生結(jié)合項(xiàng)目案例進(jìn)行分組討論交流，各小組代表講解項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，通過分組匯報(bào)教師能夠及時根據(jù)學(xué)生對知識的掌握情況進(jìn)行答疑解惑[4]。學(xué)生可以通過該課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺隨時隨地查看學(xué)習(xí)資源、發(fā)起問題討論、在線自我測評，線上教學(xué)的開展對培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力具有重要意義。

2.3設(shè)計(jì)與改進(jìn)

主存容量擴(kuò)展技術(shù)是由多片存儲芯片組織在一起構(gòu)成指定容量的存儲器，在根據(jù)問題場景確定擴(kuò)展方案后需要設(shè)計(jì)存儲芯片的組織連接圖。存儲芯片與CPU芯片連接時，要特別注意芯片與芯片之間的數(shù)據(jù)引腳、地址引腳、控制引腳的連接。CPU芯片的讀/寫引腳通?？芍苯优c存儲芯片的讀/寫控制引腳相連。存儲芯片的片選引腳CS的連接是CPU與存儲芯片正確工作的關(guān)鍵，CS與CPU的訪存控制信號MREQ和CPU地址線的位數(shù)有關(guān)，當(dāng)CPU的地址線多于存儲芯片的地址線時，將未連接在存儲芯片地址引腳上的CPU地址線高位和MREQ-起用于生成片選信號CS。存儲芯片的數(shù)據(jù)引腳與CPU的數(shù)據(jù)線相連，當(dāng)存儲芯片的存儲單元字長小于CPU數(shù)據(jù)線的數(shù)目時需要對芯片擴(kuò)位[5]。

2.4考核評價(jià)

計(jì)算機(jī)組成原理課程通過平時考核、實(shí)驗(yàn)考核及期末考試三部分綜合評價(jià)學(xué)生對課程核心知識的掌握情況，以及運(yùn)用計(jì)算機(jī)組成原理知識解決相關(guān)復(fù)雜工程問題的能力。主存容量擴(kuò)展部分的平時成績主要由學(xué)生在對分課堂上的課堂表現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)情況兩部分構(gòu)成;實(shí)驗(yàn)考核成績則由內(nèi)存擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)課上實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)完成度和實(shí)驗(yàn)報(bào)告三部分構(gòu)成。注重在教學(xué)過程中進(jìn)行全程化、多形式的考核，強(qiáng)調(diào)對學(xué)生認(rèn)知過程和解決復(fù)雜工程問題能力形成進(jìn)行評價(jià)[6]。

3 結(jié)束語

工程教育認(rèn)證對復(fù)雜工程問題提出了明確要求，本科工科教育可以基本定位在解決復(fù)雜工程問題[1]。本文面向工程認(rèn)證，圍繞培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，對計(jì)算機(jī)組成原理課程所涉及的主存容量擴(kuò)展這一復(fù)雜工程問題的理論教學(xué)組織與考核評價(jià)進(jìn)行教學(xué)探索。教學(xué)實(shí)踐表明，在課程教學(xué)中積極挖掘并合理利用課程中隱含的具有復(fù)雜工程問題特征的課題對培養(yǎng)、提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力具有積極作用。

參考文獻(xiàn)：

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[2]趙鵬.聚焦復(fù)雜工程問題的軟件工程專業(yè)建設(shè)探索——以安徽大學(xué)軟件工程專業(yè)為例[J].高教學(xué)刊，2019（15）：22-23+27.

[3]中國工程教育認(rèn)證協(xié)會.工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)[S].http：//ceeaa.heec.edu.cn/coloumn.php？cid=17

[4]寧菲菲，李真.“對分課堂”教學(xué)模式在計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)中的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2018，14（04）：96-97.

[5]唐朔飛.計(jì)算機(jī)組成原理第二版[M].北京：高等教育出版社，2008.

[6]黃嵐，呂春利，史銀雪，等.面向工程認(rèn)證的計(jì)算機(jī)組成原理課程建設(shè)探索[J].教育教學(xué)論壇，2018（12）：260-262.

【通聯(lián)編輯：王力】

收稿日期：2019-09-10

作者簡介：寧菲菲（1985-），女，河南省平頂山人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)樽匀徽Z言處理、機(jī)器學(xué)習(xí);李鵬輝（1999-），男，河南省平頂山人，平頂山學(xué)院2018級軟件工程專業(yè)學(xué)生。