計算機組成原理課程教學改革探析

王 俐

（貴州理工學院大數(shù)據(jù)學院，貴州 貴陽 550003）

1 引言

計算機組成原理是網(wǎng)絡(luò)工程、數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)空間安全等計算機相關(guān)專業(yè)的專業(yè)核心課程。課程主要是站在硬件的角度上側(cè)重講授計算機組成的一般原理，闡述計算機基本部件的構(gòu)成和組織方式，使學生形成計算機的整體概念。

從高校計算機相關(guān)專業(yè)的課程體系來看，計算機組成原理是一門理論性很強的課程，它的先修課程為數(shù)字電路技術(shù)，后續(xù)課程為計算機基礎(chǔ)、操作系統(tǒng)、編譯原理等，如圖1所示。作為一門承上啟下的專業(yè)課程，該課程在計算機相關(guān)專業(yè)的教學中占有十分重要的地位和作用，基本上國內(nèi)所有高校都將該門課程列為相關(guān)專業(yè)必修課，也是大部分計算機專業(yè)的考研課程，其重要程度可見一斑。但就學生的普遍反映來說，這門課程的學習難度大，教學成效有待進一步提升。

圖1 計算機組成原理在課程體系中的位置

2 課程教學現(xiàn)狀

一方面，各學校在教學上很重視計算機組成原理課程，因其具有涉及知識點多、難度大、內(nèi)容抽象[1]等特點，課時普遍安排多；另一方面，在教學效果上很多時候難以達到預(yù)期目標，總結(jié)起來存在以下困難：

（1）課程授課教師的講授難度大。計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對過去沒有接觸過太多計算機基礎(chǔ)知識的學生而言，內(nèi)容多、細節(jié)多、難點多，教師如何將計算機原理講解透徹，如何讓學生在整個課程的學習中保持興趣，還存在一定難度。

（2）當前各高校針對此門課程的教學手段普遍較為單一[2]。各高校對此門課程多采用PPT加黑板板書的傳統(tǒng)講授方式，如果教師本身對課程的理解不夠透徹，往往只根據(jù)教材照本宣科，更加難以激發(fā)學生的學習熱情。

（3）對本科階段的學生而言，大多數(shù)學子的硬件基礎(chǔ)還較為薄弱，會感覺到學習難度大，而教學過程中如果缺乏有效的激勵措施，部分學生很可能因?qū)W習受挫而對課程喪失興趣。

（4）學生因不了解計算機組成原理在計算機專業(yè)課程體系中的地位，對課程的重視程度不夠?，F(xiàn)在的普遍現(xiàn)狀是，學生一般對更為實用的軟件框架具有較高的熱情，從而表現(xiàn)出更愿意把時間和精力放在軟件類課程的學習偏好[3]，對計算機組成原理課程投入不足，學習效果不佳。

3 課程教學改革的思考

3.1 突出教學內(nèi)容的重點

計算機組成原理課程以馮?諾依曼計算機中的存儲器、計算器、控制器及輸入、輸出設(shè)備五大部件入手進行講授。通過對各部件的結(jié)構(gòu)與功能的層層細化，在邏輯上進行自上而下的知識點分解，提煉教學內(nèi)容的重點，讓學生對計算機的整體構(gòu)造與原理有深刻的理解，如圖2所示。對于存儲器，重點掌握靜態(tài)隨機存儲器與動態(tài)隨機存儲器存儲信息的原理、高速緩沖存儲器的作用及地址映射的概念，使學生真正建立起不同存儲器組成具有層次結(jié)構(gòu)的存儲系統(tǒng)概念。對于輸入輸出系統(tǒng)，重點掌握輸入輸出設(shè)備與主機信息傳送的程序查詢、程序中斷及直接存儲器存取三種控制方式的工作流程，加深學生對整機工作的理解。對于由計算器和控制器組成的中央處理器，重點掌握數(shù)的編碼方式、數(shù)的定點表示與運算、數(shù)的浮點表示與運算、中央處理器的功能與組成、指令周期分析、指令的尋址方式及控制單元。對于總線系統(tǒng)，重點掌握總線的概念、總線判優(yōu)控制及總線通信控制，讓學生深刻理解總線系統(tǒng)在計算機硬件結(jié)構(gòu)中的作用。

圖2 教學重點內(nèi)容分解

學生通過對課程重要知識點的掌握，能理解計算機系統(tǒng)中各部件的組成與工作原理及各部件的互聯(lián)方式，能理解計算機的層次結(jié)構(gòu)，掌握軟硬件之間指令系統(tǒng)的原理，能運用計算機組成的相關(guān)知識解決計算機系統(tǒng)的實際問題，并對各部件進行簡單的設(shè)計與分析。

3.2 混合教學模式的實施

教學絕不能僅僅停留在課堂本身，根據(jù)教學規(guī)律可知，沒有好的課前準備和課后鞏固，僅僅在課堂內(nèi)的有限時間進行學習，效果往往不佳，更難以入腦入心。必須把學習的全流程管理作為課程教學改革的主要抓手，課前、課中、課后協(xié)調(diào)配合，師生共同努力，切實提升教學效果[4]。

（1）課前導學環(huán)節(jié)

根據(jù)當前的教育發(fā)展趨勢，線上資源越來越充沛，不僅有課本上的知識點，拓展的內(nèi)容更是十分豐富，且不局限于國內(nèi)，全世界很多高校和教育機構(gòu)提供了大量的相關(guān)音視頻和文字材料。和過去相比，現(xiàn)在的主要問題不是資訊不足而是內(nèi)容太多，學生在選擇時可能會感到無所適從，出現(xiàn)盲目學習但效率不高的情況。因此課前導學主要的工作要點是教師課前在浩瀚的學習資源中篩選出最適合學生學習進度和水平的內(nèi)容，可以采取上線預(yù)習的方式，結(jié)合課程所要講授的內(nèi)容，提前給學生布置MOOC上相關(guān)課程的視頻資源進行觀看學習，并通過在雨課堂上或其他輔助教學平臺發(fā)布預(yù)習題，幫助學生更好地掌握課前預(yù)習的內(nèi)容。

（2）課堂教學環(huán)節(jié)

課堂教學可以更多地采取多媒體教學方式，特別是通過制作更加形象直觀的PPT動態(tài)演示以及靈活運用思維導圖等工具，幫助學生能深入理解課程中的知識點。對于重要知識，在輔助教學平臺上發(fā)布課堂試題，隨時查看學生做題情況，更有針對性地進行教學內(nèi)容講解，能使學生更好地掌握相關(guān)知識。

（3）課后指導環(huán)節(jié)

課后環(huán)節(jié)也是教學過程中不能忽視的部分，通過課后合理布置作業(yè)和思考題，可以提高學生對所學知識的理解。作為授課教師，所布置作業(yè)的廣度與深度必須切實考慮學生對知識掌握程度的個體差異，使學生通過課后練習更好地吸收教學內(nèi)容；而思考題布置的目的是要激發(fā)學生的好奇心與學習熱情，可以不拘泥于課本知識，相對要更具有挑戰(zhàn)性和延展性，鼓勵他們成立興趣小組共同完成學業(yè)報告，營造一種互相討論的氛圍。

3.3 案例庫的建設(shè)

將現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的構(gòu)成與課程知識點相結(jié)合，逐步建設(shè)生動有趣又與現(xiàn)實科技發(fā)展緊密聯(lián)系的案例庫。通過對相關(guān)案例的講解，可以更好地調(diào)動學生的主觀能動性，激發(fā)他們自主學習、解析問題的意愿和熱情。

（1）針對馮?諾依曼計算機框架，可通過以下問題建設(shè)案例：它是在什么背景下提出來的？為什么采用二進制？當數(shù)據(jù)與指令以同等的地位存儲在存儲器時，如何區(qū)分數(shù)據(jù)與指令？馮?諾依曼計算機框架與現(xiàn)代計算機相比較，區(qū)別是什么？

（2）針對存儲器，可通過以下問題建設(shè)案例：主存儲器和高速緩沖存儲器的發(fā)展過程中有哪些標準及其技術(shù)特點？現(xiàn)代計算機的存儲系統(tǒng)采用的層次結(jié)構(gòu)？為什么分立存儲數(shù)據(jù)與指令？分析某型計算機，其具有哪些類型的寄存器？

（3)針對總線系統(tǒng)，可通過以下問題建設(shè)案例：現(xiàn)代個人計算機所采用的總線結(jié)構(gòu)常用的總線標準有哪些及其使用場景？

（4）針對計算器，可通過以下問題建設(shè)案例：現(xiàn)代計算機采用的編碼方式？計算機系統(tǒng)中如何實現(xiàn)加減乘除運算？如何提高計算機的運算速度？

（5）針對輸入輸出系統(tǒng)，可通過以下問題建設(shè)案例：分析某型計算機，輸入輸出設(shè)備與主機交換信息時使用的控制方式有哪些？在怎樣的場景下，使用中斷方式或直接存儲器存取方式？

（6）針對指令系統(tǒng)，可通過以下問題建設(shè)案例：對某型計算機進行分析，其所采用的指令結(jié)構(gòu)是怎樣的？指令系統(tǒng)有哪些尋址方式？復(fù)雜指令系統(tǒng)與精簡指令系統(tǒng)的特點和區(qū)別是什么？

在教學實踐中，通過系統(tǒng)總線案例庫中現(xiàn)代計算機常用的USB、PCI、AGP等總線標準對學生進行講解，可以加深他們對相關(guān)知識的理解。如圖3所示，通過這樣的學習后，教師在課堂中發(fā)布練習題進行測試，65名學生中有94%正確完成習題，相比不使用案例庫的教學方式有顯著提升?？梢姲咐龓斓慕ㄔO(shè)確實可以提高學生對知識的吸收。但遺憾的是，當前的教學中，案例庫無論從內(nèi)容本身還是課程覆蓋范圍都還比較欠缺，有待相關(guān)教研人員和部門通過實踐和開發(fā)，不斷加強相關(guān)模塊的建設(shè)。

圖3 課堂測試結(jié)果

3.4 思政建設(shè)調(diào)動學習熱情

革命先輩所提出的“為中華崛起而讀書”激勵了一代代中華兒女刻苦學習，報效國家。這種精神在今天的高校仍然具有時代價值與意義，通過融入課程思政教學[5]，挖掘課程內(nèi)容，提高學生的思想覺悟，調(diào)動他們的學習熱情，不僅能夠提高學生的學習能力，還可以在這個過程中不斷培養(yǎng)“敬業(yè)、精益、專注、創(chuàng)新”的大國工匠精神，讓個人能受益終生。

（1）超級計算機研究

介紹我國超級計算機從落后到領(lǐng)先的發(fā)展過程，增強學生民族自豪感，引導他們努力學習，在我國科技發(fā)展中做出貢獻，為中華民族的偉大復(fù)興貢獻自己的力量。

（2）中央處理器的發(fā)展

介紹中央處理器芯片的發(fā)展歷程及我國芯片技術(shù)的現(xiàn)狀，激發(fā)學生的危機感和緊迫感，引導他們在國家“卡脖子”技術(shù)的研發(fā)工作中貢獻自己的智慧。

（3）指令系統(tǒng)的發(fā)展

介紹復(fù)雜指令系統(tǒng)與精簡指令系統(tǒng)的特點，給學生指明系統(tǒng)并不就越復(fù)雜越好，在項目的開發(fā)中總存在技術(shù)折中的情況。在課程的講授過程中，向?qū)W生介紹實際項目研發(fā)中的相關(guān)知識，激發(fā)學生學習的積極性。

4 結(jié)語

為提高計算機組成原理課程的教學效果和教學質(zhì)量，特別是培養(yǎng)學生在計算機系統(tǒng)的設(shè)計、分析及解決問題的能力，針對目前課程教學存在的不足和難點，可以考慮從課程的教學內(nèi)容、教學模式、教學方法與課程思政等方面進行思考與探討，促進課程的建設(shè)與發(fā)展，使學生更好地掌握計算機硬件系統(tǒng)的基本設(shè)計技術(shù)，為今后的進一步學習和工作打下良好基礎(chǔ)。