計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)改革與研究

劉俊杰，王俊波，連晉平

（肇慶學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院，廣東 肇慶）

一 前言

肇慶學(xué)院作為地方本科高校，以“建設(shè)特色鮮明的高水平應(yīng)用型綜合大學(xué)”為總體目標(biāo)，學(xué)科基礎(chǔ)教育課程以高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)。計(jì)算機(jī)組成原理作為計(jì)算機(jī)專業(yè)課程的必修基礎(chǔ)課程，因此，本課程的培養(yǎng)目標(biāo)是以系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)闡述計(jì)算機(jī)各大部件的邏輯組成、內(nèi)部工作原理和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法及互連構(gòu)成整機(jī)的技術(shù)，使學(xué)生掌握有關(guān)軟、硬件的基本知識(shí)，尤其是各基本組成部件有機(jī)連接構(gòu)成整機(jī)系統(tǒng)的方法，為培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)和使用能力打下基礎(chǔ)。

計(jì)算機(jī)組成原理課程在整個(gè)計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系中位置十分關(guān)鍵，前置課程包括數(shù)字邏輯、電子技術(shù)基礎(chǔ)等，后續(xù)課程包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、操作系統(tǒng)等等，本課程起到承上啟下作用，其重要地位不言而喻。因此，結(jié)合本校辦學(xué)特色與專業(yè)培養(yǎng)方向，我們對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)做出了一些探索與改革。

二 教學(xué)現(xiàn)狀與問題

（一） 教學(xué)內(nèi)容難度大、復(fù)雜

（1）計(jì)算機(jī)組成原理課程內(nèi)容細(xì)而且多，條理繁雜，講課過程中一般性的敘述多，涉及到的實(shí)際例子往往不能給人以較深刻、準(zhǔn)確的印象，課程整體內(nèi)容難以梳理清晰，同時(shí)也給老師授課帶來巨大的困難與挑戰(zhàn)。

（2）計(jì)算機(jī)是一個(gè)內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)不能直接觀察、高度復(fù)雜的封閉式系統(tǒng)，信息（指令、數(shù)據(jù)、控制信號(hào)）以一定的時(shí)間序列在計(jì)算機(jī)內(nèi)部各部件之間保存、運(yùn)算、傳送，比較難以敘述、展現(xiàn)清楚，而這恰恰是《計(jì)算機(jī)組成原理》的主要內(nèi)容，很多情況下比較難以理解到位；同時(shí)計(jì)算機(jī)內(nèi)部CPU結(jié)構(gòu)、寄存器、存儲(chǔ)器、指令系統(tǒng)、總線系統(tǒng)等概念眾多，需要記憶而且理解知識(shí)點(diǎn)也很多，學(xué)生普遍感覺課程難度大，課程結(jié)束后往往難以建立比較清晰的整機(jī)概念。

（二） 教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際脫節(jié)，理論與實(shí)踐結(jié)合度不夠

本課程學(xué)習(xí)教學(xué)內(nèi)容廣泛, 涉及知識(shí)點(diǎn)豐富，原理內(nèi)容多，一般授課以部件結(jié)構(gòu)以及工作原理的講解為主，目前，市面上教材內(nèi)容普遍滯后于當(dāng)前計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展[1]，導(dǎo)致教學(xué)對(duì)象學(xué)習(xí)積極性不高，更加難以掌握這門課教學(xué)內(nèi)容[2]。

（三） 計(jì)算機(jī)組成原理前置課程內(nèi)容要求多、復(fù)雜

本課程前置課程包括數(shù)字邏輯、電子技術(shù)基礎(chǔ)等硬件類課程，部分基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生必須不斷復(fù)習(xí)前續(xù)課程學(xué)習(xí)過的知識(shí)，耗時(shí)長(zhǎng)且效果一般，導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)畏難情緒。

三 教學(xué)改革研究

（一） 提高課程重要性認(rèn)識(shí)

學(xué)院于2016年進(jìn)行了人才培養(yǎng)方案修訂，通過對(duì)珠海、廣州、深圳三地為代表的用人單位企業(yè)，包括格力電器、遠(yuǎn)光軟件、東軟睿道以及博看文思等國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)調(diào)研，一致認(rèn)為計(jì)算機(jī)組成原理對(duì)學(xué)生，尤其是應(yīng)用型高校本科，無(wú)論學(xué)生畢業(yè)后從事軟件開發(fā)或者計(jì)算機(jī)類相關(guān)行業(yè)，有著至關(guān)重要的作用，是全面提高計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)認(rèn)知、設(shè)計(jì)能力的必備基礎(chǔ)。同時(shí)，作為計(jì)算機(jī)類考研必考科目之一，也是學(xué)生進(jìn)一步深造的必備基礎(chǔ)。

（二） 梳理、調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)調(diào)研反饋意見，結(jié)合本校辦學(xué)特色，對(duì)本課程內(nèi)容進(jìn)行梳理、調(diào)整。通過梳理課程前置以及后續(xù)課程，整理教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)與體系，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件課程群統(tǒng)籌規(guī)劃，在把握好各門課程之間的內(nèi)在聯(lián)系和疏通計(jì)算機(jī)知識(shí)結(jié)構(gòu)體系的前提下，科學(xué)安排內(nèi)容。例如，通過進(jìn)一步加深數(shù)字邏輯課程中門電路知識(shí)講解，促進(jìn)學(xué)生更好的掌握和理解本課程與之相關(guān)內(nèi)容；適當(dāng)刪減部分虛擬存儲(chǔ)器內(nèi)容，降低難度。

（三） 結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)背景，豐富教學(xué)手段與形式

時(shí)代在發(fā)展，社會(huì)在進(jìn)步，相應(yīng)的每門課程的教學(xué)內(nèi)容也在不斷的拓展，僅僅靠課程的書本知識(shí)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)人才的需求，同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的更新和軟硬件設(shè)備的升級(jí)，課程的也有新的概念和新的知識(shí)點(diǎn)。因此，在互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的推動(dòng)下,教學(xué)方式、內(nèi)容、手段已經(jīng)多種多樣。通過“線上”和“線下”兩種教學(xué)組織形式的有機(jī)結(jié)合，提升教學(xué)質(zhì)量。

（1）理論知識(shí)與實(shí)例相結(jié)合

上課期間借助多媒體設(shè)備展示圖片和視頻以幫助同學(xué)們更好地理解所學(xué)內(nèi)容外, 還可以利用交互式課件進(jìn)行演示，例如指令執(zhí)行過程。當(dāng)今計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展迅速，通過結(jié)合授課內(nèi)容以及熱門硬件，分析其性能與指標(biāo)，例如，CPU的功能、寄存器多級(jí)緩存等可類比目前主流CPU，如INTEL I5 8400, AMD R5 2600等，增加課堂的時(shí)效性與趣味性。

（2）借助實(shí)物，加深理解

計(jì)算機(jī)作為一個(gè)封閉式系統(tǒng)，信息的傳輸?shù)入y以展現(xiàn)清楚，但部分元器件可以借助實(shí)物加深理解，培養(yǎng)興趣。本學(xué)院設(shè)置有“計(jì)算機(jī)認(rèn)知與實(shí)踐”課程，作為前置課程，通過對(duì)計(jì)算機(jī)拆解、電子器件、電子工藝實(shí)踐等教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)電子有一個(gè)充分的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)知識(shí)的能力和興趣。

計(jì)算機(jī)組成原理課堂中，也可以通過實(shí)物演示，加深理解，提高興趣，例如講授知識(shí)點(diǎn)硬盤存儲(chǔ)器可通過拆解后的硬盤，加深學(xué)生理解硬盤內(nèi)容盤片、電機(jī)等結(jié)構(gòu)。

（3）互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，大大方便了知識(shí)的獲取，尤其是高質(zhì)量的教學(xué)資源。題庫(kù)、教學(xué)PPT、視頻，MOOC課程等，極大地豐富了學(xué)習(xí)資源。目前主要問題是大部分學(xué)生缺乏自我約束、自我管理，自學(xué)能力較差。因此，課外的學(xué)習(xí)資源一是需要提高師生的主觀能動(dòng)性，主動(dòng)去獲取，學(xué)習(xí)這些網(wǎng)絡(luò)資源；二是老師要做好引導(dǎo)與篩選，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)資源，有針對(duì)性地對(duì)重難點(diǎn)知識(shí)借鑒網(wǎng)絡(luò)資源以及在線課程，以幫助學(xué)生深入理解課堂知識(shí)點(diǎn)。

充分利用學(xué)者網(wǎng)等在線平臺(tái)，把課件、參考資料、知識(shí)點(diǎn)微視頻以及交互課件等資源上網(wǎng)，學(xué)生可以根據(jù)自身學(xué)習(xí)進(jìn)度，隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)，同時(shí)還可以在線留言，師生進(jìn)行交互。教師可以登錄后臺(tái)，對(duì)學(xué)生的作業(yè)提交，考勤，活躍度等情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，全面了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況。

（四） 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

我校使用的是清華科教的TEC-9計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)箱，開設(shè)有寄存器、運(yùn)算器、微過程控制器以及CPU組成與機(jī)器指令執(zhí)行等實(shí)驗(yàn)，課程修訂后，增加了實(shí)驗(yàn)課時(shí)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)。雖然學(xué)時(shí)增多了，但客觀上很難照顧到所有學(xué)生，因此，制定如下策略：一個(gè)班有五十多名學(xué)生，根據(jù)課堂教學(xué)反饋，挑選若干名學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)助教，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可對(duì)這幾名學(xué)生進(jìn)行預(yù)先指導(dǎo)，然后由這幾名學(xué)生再分散去指導(dǎo)其他學(xué)生，最終絕大部分學(xué)生能完成實(shí)驗(yàn)；由于是學(xué)生之間互相講解，對(duì)于知識(shí)點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的加深理解有很大的幫助。

四 結(jié)語(yǔ)

在充分考慮課程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合本校實(shí)際與學(xué)情，充分利用互聯(lián)網(wǎng)+，在本課程教學(xué)方法、內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)等做出了一定的改革。今后，將進(jìn)一步改進(jìn)計(jì)算機(jī)組成原理的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，課程上線。此外，科技競(jìng)賽為大學(xué)生提供了一個(gè)競(jìng)技平臺(tái)，競(jìng)賽大都圍繞計(jì)算機(jī)前沿科技展開，對(duì)參賽學(xué)生專業(yè)綜合素質(zhì)要求極高。我們將積極組織學(xué)生參加與硬件知識(shí)相關(guān)的技能競(jìng)賽，將硬件設(shè)計(jì)大賽與課程教學(xué)相結(jié)合，以賽促學(xué)，了解社會(huì)對(duì)硬件人才的具體需求，指引學(xué)生學(xué)習(xí)方向。