高職院校計算機組成原理教學改革實踐

文/廣東理工學院 韓長河

“計算機組成原理”是普通高等院校計算機科學與技術(shù)專業(yè)本科生必修的核心骨干課程之一，在先修課(數(shù)字邏輯)和后續(xù)課(計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、微型計算機接口技術(shù))之間起著重要的承上啟下作用。一方面，通過“計算機組成原理”(以下簡稱組成原理)課程的學習，把“數(shù)字邏輯”課程中的基本數(shù)字邏輯單元組合成具有一定獨立功能的計算機部件；另一方面，從微處理器數(shù)據(jù)通路設(shè)計角度引入指令集及軟硬件功能分界面的概念，對學生理解計算機系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計思想產(chǎn)生深刻的影響，從而為后續(xù)的“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”分析系統(tǒng)性能優(yōu)化提供所需硬件支持，并為系統(tǒng)復(fù)雜度、性能等內(nèi)容提供知識準備。

當前的計算機內(nèi)部結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜、龐大和集成化，學生普遍感到組成原理難懂、概念抽象、感性認識差。在教學中，僅僅使用傳統(tǒng)的教學方法和手段很難實現(xiàn)教學目標，如何改革組成原理教學過程、吸引學生興趣、改善教學效果和效率，并緊密結(jié)合計算機技術(shù)的發(fā)展趨勢成為任課教師亟待解決的問題。經(jīng)過多年的教學改革實踐，我們探索出一些激發(fā)學習興趣、提高理論知識的掌握與理解程度、增強實踐動手能力的教學改革措施。

本文剖析了當前組成原理課程教學中面臨的教與學、多樣化教材和統(tǒng)一考試、重實用和重基礎(chǔ)幾個方面的挑戰(zhàn)，闡述了在教學內(nèi)容、方法、手段、實驗教材編寫等方面進行教學改革的思路和方法。

一、“計算機組成原理”教學面臨的挑戰(zhàn)

1.難教與難學的困境

計算機微體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展使得新概念、新技術(shù)層出不窮，為了確保授課內(nèi)容貼近本領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的前沿，任課教師需要不斷地跟蹤學習國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)文獻，以掌握微處理器設(shè)計的核心技術(shù)并滲透于教學內(nèi)容中，大大增加了備課的難度。從學生的角度來說，由于組成原理中類似離散數(shù)學的證明、推導(dǎo)較少，也缺乏類似數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的算法，學生覺得組成原理課“理論性、規(guī)律性不強”“知識點零散”“復(fù)習時無從下手”等，而且，在學習計算機各組成部分的硬件電路及其工作原理時，有時要用到數(shù)字電路、數(shù)字邏輯等先修課程的相關(guān)知識，學生對這些知識掌握得不夠深入、基礎(chǔ)薄弱，綜合運用時就會感到吃力，因而興趣不高。這種雙方面的困難造成了組成原理課程既難教又難學的困境，往往教師課外花費大量的時間備課，課堂教學時卻很難真正引起學生的興趣。

2.多樣化教材與全國統(tǒng)考的矛盾

目前，國內(nèi)主流的“計算機組成原理”教材很多，側(cè)重點各有不同。自2009年計算機專業(yè)研究生入學考試改為全國統(tǒng)一考試以來，“計算機組成原理”成為在專業(yè)基礎(chǔ)綜合卷中所占比重較大的課程。經(jīng)過認真分析考試大綱，我們發(fā)現(xiàn)其中的知識點涵蓋了多本相關(guān)教材，并不局限于某一本教材。在目前考研人數(shù)居高不下的形勢下，如何精心選擇一本適合的教材并兼顧其他，使學生廣采眾家之長，在就業(yè)和考研競爭中占有優(yōu)勢，是任課教師在教學中面臨的又一個難題。

3.“重實用”與“重基礎(chǔ)”的矛盾

上課時經(jīng)常遇到學生提問：學習本課程對以后工作有什么用處？對此，需要教育學生重視夯實專業(yè)基礎(chǔ)，不要為流行一時的應(yīng)用技術(shù)迷惑，只有真正理解和掌握了計算科學的實質(zhì)才能在今后的研究和工作中選準方向。當前國內(nèi)計算機硬件人才培養(yǎng)弱化，軟件人才需求旺盛且待遇較高的現(xiàn)實情況，也造成了學生“重軟件、輕硬件”的認識。在課堂教學中，要注意糾正學生的這種偏見，強化軟件性能取決于軟件設(shè)計者對系統(tǒng)中硬件的理解程度，操作系統(tǒng)的設(shè)計者也需要有較強的計算機組成與設(shè)計的背景知識等意識。

二、教學改革與實踐

經(jīng)過多年來對組成原理課程進行的教改實踐，為達到培養(yǎng)學生具有扎實的理論基礎(chǔ)和良好的動手能力的教學目的，本文從以下幾個方面對該課程的教學進行了一些有益的探索。

1.合理組織教學內(nèi)容

在教學內(nèi)容的安排上，將“計算機組成原理”課程的重點放在指令系統(tǒng)、運算器、控制器的設(shè)計上，對于重點內(nèi)容講深、講透，其他部分則通過學生自學或討論課講授。對于核心教學內(nèi)容，按照基本原理、簡明示例、真實計算機系統(tǒng)舉例3個層次逐層遞進安排。

(1)基本原理是基礎(chǔ)

基本原理是學習和理解計算機組成與運行機制的核心知識，具有穩(wěn)定性和通用性，是學生一定要掌握的內(nèi)容。例如，對于“馮·諾依曼計算機的基本組成”這一基本原理的講解，設(shè)計了如下教學步驟：首先說明計算機系統(tǒng)是對人腦功能的模擬；然后分析人腦具有的感知、存儲、分析、輸出和協(xié)調(diào)能力，從而引出馮·諾依曼計算機與上述功能對應(yīng)的5個主要功能部件：輸入設(shè)備、存儲器、運算器、輸出設(shè)備和控制器；接下來，在后續(xù)章節(jié)的教學中，不僅分析各功能部件的組成方式，還注重介紹各部件之間的聯(lián)系和相互影響，使學生能夠牢牢抓住本課程的基本原理，不至于淹沒在繁復(fù)的細節(jié)中。通過精心設(shè)計教學步驟，將計算機的組成與人腦自身的功能形成類比，學生覺得概念和原理都鮮活了起來，理解更加深入和持久。再如，在介紹尋址方式時，強調(diào)所謂“尋址就是根據(jù)指令中的地址碼信息找到操作的對象的過程”這一基本原理，從可能的存儲位置出發(fā)分析各種尋址過程，突出尋址方式與數(shù)據(jù)通路設(shè)置的相互作用關(guān)系，從而引出計算機內(nèi)部兩種主要信息流之一——“數(shù)據(jù)流”的概念。

(2)模型計算機作為簡明示例

模型計算機系統(tǒng)處于基本原理和真實計算機系統(tǒng)兩個層次之間，具有基本的計算機系統(tǒng)功能而刪減了性能、成本等，優(yōu)化了技術(shù)細節(jié)，學生運用所學習的基本原理知識就可以完成模型機的設(shè)計和分析。通過設(shè)計實現(xiàn)一臺簡單的模型計算機系統(tǒng)，增加學生對所學知識的理解深度和應(yīng)用能力。例如，在介紹尋址方式的概念后，通過擬定模型計算機指令系統(tǒng)、設(shè)計模型計算機數(shù)據(jù)通路的實踐，學生對指令格式與尋址方式、尋址方式與數(shù)據(jù)通路設(shè)計之間作用關(guān)系的理解更加深刻，在印證理論知識的同時加深了對基本原理的理解。

(3)以真實計算機系統(tǒng)作為實例

以真實的計算機系統(tǒng)舉例，不但可以運用課堂所學的基本原理，還可以貼近計算機硬件設(shè)計的前沿技術(shù)。在教學中，我們分別以精簡指令集(risc)和復(fù)雜指令集(cisc)兩種處理器架構(gòu)的代表mips和pentium為例，說明不同的計算機系統(tǒng)設(shè)計理念產(chǎn)生了不同的寄存器設(shè)置、內(nèi)部數(shù)據(jù)通路設(shè)計、時序控制方式及中斷等外設(shè)控制方式。例如，在尋址方式部分，通過x86系列計算機和mips計算機的機器指令集的具體示例，深刻揭示cisc架構(gòu)和risc架構(gòu)計算機的區(qū)別，為后續(xù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程學習打下良好基礎(chǔ)。一方面提高了學生的學習興趣，另一方面彌補了教材與實際系統(tǒng)的縫隙，既注重基礎(chǔ)又體現(xiàn)了時代特性。

2.靈活運用多種教學方法

根據(jù)組成原理課程特點，我們采用了以下教學方法，取得了較好的教學效果。

(1)課堂教學多采用問題驅(qū)動

在講授新的單元內(nèi)容之前，先對上一個單元進行簡單扼要的總結(jié)，然后利用“接下來的內(nèi)容將要解決的是什么問題”或者“還有什么更先進的方法”等問題引起學生興趣，導(dǎo)出新的教學單元。例如，在講授補碼加減法時，教師通過分析原碼加減法操作過程中需要比較操作數(shù)絕對值大小，使學生認識到原碼表示法不適合于加減運算，從而引入補碼表示法和補碼加減運算的內(nèi)容；同理，在介紹乘除法器設(shè)計時，也通過設(shè)問方式，讓學生自主選擇適合的機器數(shù)表示形式及運算方法。通過提問，促使學生主動思考問題，進而比較自己的解決方法和已有方法的不同，發(fā)現(xiàn)好的思維方法，促進學生學習的主動性。

(2)突出理論知識的實際應(yīng)用

在教學過程中，講授計算機基本組成和工作原理的同時，注意使所學的理論知識用于指導(dǎo)實踐操作，激發(fā)學生學習的積極性和主動性。例如，在講授控制器內(nèi)容時，教師在講授完控制器的基本組成和工作原理后，可以通過一個只能執(zhí)行幾條指令的最簡單模型機的示例來說明控制器設(shè)計的5個基本步驟：擬定指令系統(tǒng)、確定數(shù)據(jù)通路、安排時序、編寫微操作時間表和微命令序列、控制邏輯實現(xiàn)。然后，讓學生獨立完成對該模型機的功能擴展，通過實踐比較不同方式實現(xiàn)可擴展性的難易程度。

(3)合理設(shè)置課后習題

為方便學生課后復(fù)習，我們遵循驗證所學、啟發(fā)思考的選題思路，選取有代表性的習題編輯成《計算機組成原理知識要點及習題解析》。習題主要包含兩部分：一是針對理論課教學中一些比較抽象的、容易混淆的基本概念和基本原理而設(shè)計的習題；二是針對基本理論的運用而設(shè)計的習題。教師通過了解第一類習題的完成情況，可以及時發(fā)現(xiàn)教學中的問題，對于學生普遍掌握不好的內(nèi)容采取適當?shù)姆椒ㄟM行補充，以達到單元教學的目的；對第二類習題，教師組織學生討論，進行集體學習，在各種解決方案的提出、論證、分析以及評估過程中，通過解決已有問題并提出新的問題的學習活動，使學生的獨立思考能力得到很大的鍛煉和提高。

3.充分利用多種教學手段

組成原理課程中介紹的很多工作過程都發(fā)生在芯片內(nèi)部，內(nèi)容很抽象。本文利用計算機動畫演示各部件連接關(guān)系、數(shù)據(jù)流、控制流以及工作時序等內(nèi)容，不僅能把高度抽象的知識直觀地顯示出來，而且借助于聲音、圖像的多重作用幫助學生加深理解。例如，通過動畫演示指令執(zhí)行的全過程，包括取指、分析譯碼及在微命令控制下各部件執(zhí)行指令流程等內(nèi)容，使學生迅速地了解cpu的整個工作過程并且課下還可以反復(fù)觀看，提高了知識傳授效率。此外，還建設(shè)了組成原理課程網(wǎng)站，把講課的視頻、相關(guān)資料和自測系統(tǒng)放到教學網(wǎng)站上，方便學生課后學習和進行自我評價。另外，提供一些相關(guān)的硬件知識網(wǎng)站和論壇的鏈接，鼓勵學生通過網(wǎng)絡(luò)自主學習，擴大知識面。

4.加強實踐教學環(huán)節(jié)

“計算機組成原理”屬于工程性、技術(shù)性和實踐性都很強的課程，因此在開展理論教學的同時，也要非常重視實踐教學環(huán)節(jié)。

實驗教學內(nèi)容可分為3個層次：基礎(chǔ)驗證型實驗、設(shè)計應(yīng)用型實驗和綜合設(shè)計型實驗。3類實驗難度依次遞增，分別在組成原理實驗箱和仿真軟件上進行。

(1)基礎(chǔ)驗證型實驗

該類實驗利用計算機組成原理教學實驗箱完成，包括運算器實驗、存儲器實驗、總線傳輸實驗和微程序控制器實驗，實驗?zāi)康氖亲寣W生掌握實驗系統(tǒng)單元模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及相關(guān)集成電路芯片的基本邏輯，理解單元模塊的工作原理及該模塊在整機系統(tǒng)中的作用。通過基礎(chǔ)驗證型實驗，學生加深了對理論課教學內(nèi)容的理解。

(2)設(shè)計應(yīng)用型實驗

該類實驗要求學生利用電子仿真軟件進行功能部件的邏輯設(shè)計，在計算機上功能仿真通過后，再下載到可編程邏輯器件中進行物理測試。例如，在運算器設(shè)計實驗中，學生設(shè)計并實現(xiàn)一個16位運算器，實現(xiàn)基本的算術(shù)和邏輯運算，學生對于這類實驗課的積極性很高，提出了一些獨特的設(shè)計方案。

(3)綜合設(shè)計型實驗

在前面已完成的各功能部件邏輯設(shè)計的基礎(chǔ)上，要求學生設(shè)計一個16位risc架構(gòu)的模型計算機，并在仿真軟件上實現(xiàn)。該類實驗幫助學生掌握微程序控制計算機的設(shè)計方法，加深了解微程序的特點，理解指令流和數(shù)據(jù)流的流動過程，建立起整機概念。微程序設(shè)計技術(shù)是計算機組成原理理論教學中的一個難點，核心內(nèi)容是理解在微程序的控制下處理器如何完成基本數(shù)據(jù)的通路操作。內(nèi)容涉及時序安排、微指令編碼方式、微程序設(shè)計等許多概念，學生感覺難以理解。綜合設(shè)計實驗使學生從微觀角度分析微程序執(zhí)行的整個過程，并通過親手解剖一個小小的“麻雀”來了解微程序控制單元的設(shè)計方法。

三、結(jié)語

“計算機組成原理”課程通過從底層剖析電子數(shù)字計算機的基本組成和工作原理，使學生掌握計算機硬件系統(tǒng)的基本設(shè)計技術(shù)并培養(yǎng)系統(tǒng)觀點，從而訓(xùn)練學生的計算思維和解決數(shù)字系統(tǒng)實際問題的能力。通過近年來不斷探索“計算機組成原理”課程的教學改革并積極實踐，提高了課程的教學水平和教學質(zhì)量，促進了課程的建設(shè)與發(fā)展，對培養(yǎng)學生的硬件設(shè)計能力和系統(tǒng)思維能力起到了積極的作用。在以后的工作中，還需注意結(jié)合社會需要，將計算機硬件技術(shù)的新成果引入到教學內(nèi)容中，不斷提高教學水平。