摘 要：針對軟件工程特殊的專業(yè)背景和應用性的需求，從教學思路、教學內(nèi)容、教學方法及教學實踐環(huán)節(jié)幾方面，對我校開展計算機組織與結構課程教學的新理念和新思路進行了探討，其經(jīng)驗對相同專業(yè)的其他教師有較好的借鑒作用。
　　關鍵詞：軟件工程專業(yè)；計算機組織與結構；教學內(nèi)容；教學方法
　　
　　目前軟件工程是信息領域發(fā)展最快的學科分支之一。面對國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略重點和激烈的人才競爭形勢，面向市場需求，改革軟件人才培養(yǎng)模式，加大軟件人才培養(yǎng)力度，已經(jīng)成為當前高等教育改革與發(fā)展的一項重要和緊迫任務。為此，教育部從2001年起選擇了若干高等學校，支持其試辦示范性軟件學院，并開設本科軟件工程專業(yè)。我校軟件學院是教育部、國家計委批準的首批試辦的示范性軟件學院。學院利用學校在計算機和數(shù)學學科上的優(yōu)勢，借鑒國內(nèi)外優(yōu)秀的管理經(jīng)驗和教學模式，十分注重軟件工程專業(yè)的培養(yǎng)目標，根據(jù)軟件企業(yè)的需求，按照工程化、國際化的培養(yǎng)方向，建立復合型軟件實用人才的培養(yǎng)模式，加大復合型軟件實用人才培養(yǎng)力度。
　　而“計算機組織與結構”作為計算機專業(yè)的重要專業(yè)基礎課也被列入我院軟件工程專業(yè)的培養(yǎng)計劃中，在一系列軟件、硬件課程中處于承上啟下的作用。但由于軟件工程專業(yè)自身特點，使得該課程的內(nèi)容選擇、教學目標、課時分配等方面都與傳統(tǒng)的計算機專業(yè)不盡相同，為了適應更好地適應本專業(yè)教學體系要求，我們對該課程教學進行了一些有益的嘗試和探索，獲得了學生的認同，取得了比較滿意的效果。
　　1 合理選擇教材與教學內(nèi)容
　　由于課時所限，我們將計算機科學專業(yè)開設的“計算機組成原理”和“計算機系統(tǒng)結構”兩門專業(yè)課整合為“計算機組織與結構”，安排在本科生第三
　　
　　學年上學期講授，理論教學計劃56學時。前修相關課程包括匯編語言、數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設計，后續(xù)相關課程包括操作系統(tǒng)、編譯原理等。此時學生對計算機應用性知識已經(jīng)相當熟悉，很大一部分學生已經(jīng)具有了比較好的軟件編程能力。但本課程所涉及的主要是計算機硬件原理知識，內(nèi)容比較抽象，而且理論概念較多，學生們覺得該門難懂難學，且對他們未來職業(yè)可用性不大，學習積極性普遍不高。針對這些情況，我們首先根據(jù)專業(yè)需求重新定位課程目標，目標不應再定位于培養(yǎng)學生未來從事硬件開發(fā)的能力，而是要求學生能從系統(tǒng)角度來理解計算機的整體實現(xiàn)，培養(yǎng)學生對硬件系統(tǒng)的分析及應用能力。
　　基于上述指導思想，我們在眾多教材中最終選定由William Stalling編寫、張昆藏翻譯的國外著名計算機教材《計算機組織與體系結構——性能設計》(第7版)為主教材[1]。因為：一是該教材把計算機系統(tǒng)性能問題和計算機組成的基本概念與原理有機聯(lián)系起來，而且介紹層次感更強，知識涵蓋性比較寬，但總體難度并不是特別大，學生接受起來比較容易；二是該教材版本更新非?？?，能很快捕捉業(yè)界新技術的發(fā)展，實用性比較強。同時，我們也推薦了白中英主編的《計算機組織與結構》(第4版)[2]和王愛英主編的《計算機組成與結構》(第4版)[3]作為輔助教材，滿足不同層次的學生學習的需要。
　　根據(jù)教學大綱以及教學計劃的安排，我們對本書18個章節(jié)都進行講授，但內(nèi)容側(cè)重不同，重點講授
　　
　　
　　作者簡介：李晨，女，講師，研究方向為計算機組成、信息融合理論；朱利，男，副教授，研究方向為計算機組成、計算機網(wǎng)絡。
　　
　　的內(nèi)容包括：第二部分中Cache存儲器章節(jié)，第三部分中CPU結構和功能以及指令級并行和超標量處理器章節(jié)，第四部分并行處理章節(jié)。對于這些章節(jié)，除了教材內(nèi)容講授，還穿插了例題講解、實例分析等多種手段來加深學生理解。而其他章節(jié)則主要以介紹教材內(nèi)容為主，同時也根據(jù)需要適當?shù)难a充相關知識，如在內(nèi)部存儲器部分，我們就補充了存儲器芯片字擴展、位擴展以及字位擴展的方法等，彌補了學生在考研復習時的盲區(qū)。
　　2 依據(jù)本專業(yè)特點講解知識內(nèi)容
　　相比傳統(tǒng)的計算機專業(yè)，軟件專業(yè)學生對軟件開發(fā)興趣很大，但對于硬件成分比較多的計算機組成和結構課畏懼情緒嚴重。我們針對學生的這些心理，在講課中堅持自頂向下、分層展開的原則來介紹計算機系統(tǒng)的性質(zhì)與特征，并將軟硬件互通的理念滲透講述之中，同時盡可能多地引入與軟件相關的例子，調(diào)動學生學習興趣。如在講CPU結構和功能這一章時，流水線的概念講解完，我們會啟發(fā)學生：這樣的硬件設計思想同樣也可以用于多線程并行處理，如在視頻處理時，一般都會有采集、編碼、打包及發(fā)送這樣步驟，可以把這幾個步驟像流水線一樣采用不同線程處理，在第一幀圖像進入編碼時，第二幀圖像就可以進入采集模塊，其他各幀類似，這樣就可以并行對不同圖像同時進行處理，計算效率更高，視頻通信將會變得更為平滑。通過這樣的講解，學生不但對流水線的思想理解深刻，而且他們也會很驚奇于軟硬件的聯(lián)系，感到學有所用，在下面學習中，會比較主動地找軟硬件之間的切入點。后面講到IA-64中軟件流水技術時，學生就非常容易理解，并能積極主動的表述自己的觀點。
　　在學習了流水線以及超標量設計思想后，學生已經(jīng)了解哪些情況會影響機器的并行性，這時我們會適時提示學生目前的機器基本都是采用流水線以及超標量的處理器，那么在軟件人員進行高級的開發(fā)編程時，就一定要考慮到硬件特性，盡量避免過多的子程序調(diào)用，以及不必要的循環(huán)，從而達到整體提升系統(tǒng)效率的效果。這樣一來，學生學習后的應用感就很強，學習動力得到了很大的提升。
　　3 多種教學方法并用，提升教學效果
　　在教學中為了達到教學目標，應當強調(diào)學生學習的主動性。作為專業(yè)基礎課，計算機組成與結構課程的教學大部分還是以老師為中心，以知識的傳遞為主體。但不能說整個教學過程都如此單一，這樣學生學習的主動性和積極性都會受到影響。我們要有意識地引導學生去主動思考[4]，通過以下嘗試讓學生參與到教學實踐活動中來。
　　1) 采用啟發(fā)式教學方式調(diào)動學生的思維，引導學生得出合理的結論。如在講存儲器的層次結構時，我們先介紹一下目前各類存儲器各自的特點，然后拋出問題讓學生考慮如何處理存儲器價格、速度和容量之間的矛盾。然后在學生充分思考的基礎上水到渠成地引出目前所采用的存儲器的三層結構，這樣學生不但能夠知其然，更能知其所以然。
　　2) 對于某些有重復的內(nèi)容，鼓勵學生自己上臺講解，然后老師進行總結補充。如當我們在講輸入輸出這一章里關于IO操作可采用的三種技術時，由于學生在之前的匯編語言課上已經(jīng)對編程式IO、中斷驅(qū)動式IO以及存儲器直接存取DMA方式進行了學習，在講這部分內(nèi)容時，學生往往覺得已經(jīng)學過就會思想放松，態(tài)度不認真而導致學習效果不好。我們提前告知學生，這部分內(nèi)容課堂上隨機抽取同學先從匯編角度談談自己對這三種技術的認識，這樣學生就會提前準備，學生講完后，我們再從組成角度談這三者的不同以及CPU不同的處理過程，這樣學生真正體會從另外一個角度分析問題的必要性，對知識的理解也會更加深刻。
　　3) 重點內(nèi)容加入討論式教學，加強互動。在講Cache時，同學們普遍反映映射技術替換算法很難理解，那么針對這個問題，我們在課堂上將這部分內(nèi)容講解完后，留出典型例子讓同學們討論分析當Cache應用三種不同的映射方式再采用不同的替換算法的會出現(xiàn)什么結果。學生覺得這種方式很新鮮，討論中沒有拘束感，氣氛很活躍。這樣在小部分理解能力強的學生的帶動下，大家基本都能對這三種映射方式和替換算法的過程了解得比較透徹，最后老師只要稍加總結，學生們馬上就能反映上來。
　　
　　4 實驗設計軟硬兼顧，訓練學生綜合能力
　　對于我們這門課，它是理論性和實踐性都很強的專業(yè)基礎課。因此課程教學與實驗上機相結合尤為重要，硬件實驗是非常必要且重要的[5-6]。如何讓軟件工程專業(yè)的同學對硬件實驗不但能提起興趣，做通搞懂，還能把這些實驗盡量和未來的就業(yè)需求有效結合，這成為擺在授課老師面前的一個難題。為此我們把軟件實驗也納入實驗環(huán)節(jié)，并把實驗分為如下三個層次：基礎性實驗、綜合性實驗，開發(fā)性實驗?；A性實驗是配合理論教學內(nèi)容，進一步加深學生對于理論知識的理解而開展；綜合性實驗為了培養(yǎng)學生的設計能力和分析解決問題的能力；研究性實驗是更高層次的要求，是為了培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和研究能力。這樣的分層次教學和堅持理論和實踐相統(tǒng)一的原則，更有利于培養(yǎng)軟件專業(yè)學生的適應能力。
　　一方面我們主要使用由杭州康芯電子有限公司生產(chǎn)的GW48-CP+計算機組成原理實驗開發(fā)系統(tǒng)(主芯片為FPGA)作為實驗教學平臺，另一方面引入少部分軟件實驗，配合驗證硬件的性能。
　　這里，我們在學了MMX指令以后，就布置了一個軟件驗證性實驗，讓學生使用一般技術和MMX技術方法實現(xiàn)圖像的淡入淡出操作來比較兩者的不同，進而驗證該硬件性能對處理速度的影響。這樣學生一方面可以通過實驗驗證理論，對硬件的作用也有更直觀的體會，另一方面對圖像處理的軟件編程有所觸及。實驗過程中由于圖像處理可視化效果好，學生做起來也很新鮮。
　　當然軟件實驗只是一種有益的補充，這門課還是要以硬件實驗為主，那么在基礎性實驗部分，我們也布置了如運算器、存儲器等實驗。一方面讓學生熟悉實驗環(huán)境和硬件編程語言，另一方面使學生進一步學習并掌握計算機主要部件工作原理，
　　在綜合性實驗部分，我們安排了設計基本8位模型機等，讓學生在前一階段的實驗基礎上，運用微程序的設計思想來構建模型機，掌握整機運行模式，進一步鞏固理論知識的理解。
　　在研究性實驗部分，打破完全硬件實驗的思路。我們要求學生在已有實驗平臺上根據(jù)某些應用的實際需求，完成一個基于NiosII的SOPC系統(tǒng)的設計，使系統(tǒng)具有一定的技術先進性和實用價值。在實施方法上，我們?nèi)膛浜祥_放性實驗室，實驗以分組形式進行共同設計調(diào)試，一般4～5人一組，。學生需要進行開發(fā)平臺應用分析，在此基礎之上學生根據(jù)自己的愛好、能力進行選題，每組學生需提交正式的選通報告，由指導老師對選題進行審核。接下來開始進行系統(tǒng)總體設計與系統(tǒng)詳細設計并提交相關報告，然后由各組自行安排組內(nèi)成員在QuartusII中搭建硬件原理圖并進行仿真測試，最后完成硬件測試報告。下一步就需要針對所要實現(xiàn)的具體功能，編寫相應的C語言控制程序，最終在NiosII的環(huán)境下，載入硬件系統(tǒng)進行軟硬件的聯(lián)調(diào)，并完成功能測試報告。在每個系統(tǒng)開發(fā)階段組織討論會，由老師檢查各階段的進度和質(zhì)量，最終驗收并評定成績，期間教師不過多參與學生設計，鼓勵學生相互交流討論，自己動手實驗解決問題，提高學生的自主學習和動手能力。通過這一階段實驗，學生對計算機的內(nèi)部結構有了更明確的了解，同時對當代計算機的硬件設計有了比較全面的認識，同時也發(fā)揮了本專業(yè)學生軟件編程的特長，對于底層的C語言開發(fā)進行了很好的鍛煉，使之了解軟硬件之間的配合，為以后的就業(yè)也打開了一個新的方向，學生們普遍反映收獲很大。
　　5 適時穿插本學科的最新科技動向
　　現(xiàn)在很多學生也都比較關注業(yè)界新技術的發(fā)展，但是他們對新技術的實質(zhì)以及他們和原有技術之間的關系都不清楚，對這方面知識有很強的渴望。那么教師在課堂上講到相關內(nèi)容時，適時地對新技術進行介紹，不但能化解學生心中的疑云，活躍課堂氣氛，更能促使他們自己查找資料跟蹤新技術新動向，為日后良好的職業(yè)習慣的培養(yǎng)奠定基礎。如講到磁盤時，可以針對目前市場上大容量磁盤采用的垂直存取技術進行介紹，讓學生能明白如何能在成本不變的條件下，達到磁盤容量大規(guī)模增加的效果。還有在講完并行系統(tǒng)時，可以對業(yè)界熱點——云計算技術進行說明，更讓學生感到新技術并不遙遠，促使其有深入研究的興趣。
　　6 結語
　　在研究型大學的背景下，在培養(yǎng)學生的過程中，我們本著對學生創(chuàng)新能力和實際工程能力培養(yǎng)相結合的思路，堅持以學生為本，對計算機組織與結構課程的教學進行一些改革和探索。隨著科學技術的不斷發(fā)展，計算機技術更是日新月異，課程教學也需要不斷更新變化，所以未來我們?nèi)砸粩鄬W習，結合實際繼續(xù)摸索，使課程改革成為一個持續(xù)不斷的過程，以取得更好的教學效果。 (下轉(zhuǎn)52頁)