摘 要：分析我校計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，從教學(xué)內(nèi)容設(shè)置、理論教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)規(guī)劃、課程考核制度、師資隊(duì)伍建設(shè)和綜合教學(xué)平臺(tái)六方面，對(duì)建設(shè)計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)核心課程提供創(chuàng)新思路和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)效果提供參考和經(jīng)驗(yàn)。
　　關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)；核心課程建設(shè)；教學(xué)創(chuàng)新
　　
　　
　　依據(jù)上海理工大學(xué)實(shí)施教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的要求，上海理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系確立了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)工程兩個(gè)本科專業(yè)定位為培養(yǎng)計(jì)算機(jī)工程領(lǐng)域需求的工程性人才。在參考ACM/IEEE-CS CC2005[1]對(duì)計(jì)算機(jī)工程(CE)學(xué)科課程體系設(shè)置的基礎(chǔ)上，我們將計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的知識(shí)組織為一門(mén)統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程，并采用白中英教授主編的《計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)》作為理論教學(xué)教材[2]。
　　計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程涵蓋兩個(gè)方面：計(jì)算機(jī)組成的基本原理和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)量化設(shè)計(jì)的基本方法。計(jì)算機(jī)組成原理是通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一般性邏輯實(shí)現(xiàn)方法；計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)揭示計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，包括概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，確定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬件的界面。二者既有區(qū)別，又有內(nèi)在聯(lián)系，因此，適合于整合為一門(mén)綜合性專業(yè)基礎(chǔ)課程。但是，由于計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)全國(guó)研究生統(tǒng)一入學(xué)考試的專業(yè)基礎(chǔ)課，因此，我們確定本課程的教學(xué)內(nèi)容側(cè)重于計(jì)算機(jī)組成原理的教學(xué)。
　　根據(jù)教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)制定的《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)核心課程教學(xué)實(shí)施方案》中關(guān)于計(jì)算機(jī)組成原理課程的實(shí)施方案[3]，我們確立了計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)的教學(xué)目標(biāo)是圍繞單CPU計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組成和工作原理，系統(tǒng)講述計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)及功能部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能特征、工作原理、交互方式和基本設(shè)計(jì)方法，使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)與工作原理，掌握計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本分析與設(shè)計(jì)方法，為計(jì)算機(jī)工程領(lǐng)域培養(yǎng)具有硬件設(shè)計(jì)和實(shí)施能力的工程性人才；主要教學(xué)任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的分析、應(yīng)用、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)能力，系統(tǒng)地理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件的工作原理和運(yùn)行機(jī)制。
　　1 教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題
　　多年來(lái)，計(jì)算機(jī)組成原理被認(rèn)為是一門(mén)既難教又難學(xué)的課程。而計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)則包括計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，這使得教學(xué)內(nèi)容更多、學(xué)習(xí)難度更大。因此，很多同行一直在通過(guò)各種方式提高這門(mén)課程的教學(xué)質(zhì)量[4-7]。結(jié)合我校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的具體情況，我們分析發(fā)現(xiàn)造成這一問(wèn)題的因素有三個(gè)。
　　第一，本課程需要有數(shù)字電路、數(shù)字邏輯知識(shí)為基礎(chǔ)。但是，由于大一大二兩學(xué)年我院采用工科通識(shí)教育的缺陷，使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)工程兩個(gè)專業(yè)的本科生在學(xué)習(xí)本課程前沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)數(shù)字電路和模擬電路，也不了解數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)的方法。因此，學(xué)生基礎(chǔ)差，難以跟上教學(xué)進(jìn)度。
　　第二，本課程涉及的知識(shí)面廣、概念多，而且計(jì)算機(jī)內(nèi)部芯片高度集成化，學(xué)生缺乏對(duì)計(jì)算機(jī)各部件的感性認(rèn)識(shí)。因此，理解其物理結(jié)構(gòu)和工作原理比較抽象，學(xué)生難以理解。而且，由于該課程講授的計(jì)算機(jī)最基本的原理和方法，課程教學(xué)內(nèi)容的直接應(yīng)用目標(biāo)也不可能很明確，學(xué)生難以理解該課程的直接應(yīng)用價(jià)值，對(duì)該課程的重視度不夠。
　　第三，在計(jì)算機(jī)軟件的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)編程技術(shù)可以獲得可見(jiàn)的結(jié)果。而對(duì)比計(jì)算機(jī)硬件課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生難以把學(xué)到的硬件知識(shí)馬上應(yīng)用起來(lái)，不容易獲得類似軟件編程的直觀感受，學(xué)生普遍的認(rèn)識(shí)有偏差。這導(dǎo)致學(xué)生誤認(rèn)為本課程學(xué)習(xí)內(nèi)容的實(shí)用性不強(qiáng)或者誤認(rèn)為軟硬件之間的聯(lián)系不大，以后自己只從事軟件編程工作，不需要掌握計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。
　　基于以上對(duì)計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程的定位，結(jié)合我校人才培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)現(xiàn)狀，下面，我們將從教學(xué)內(nèi)容設(shè)置、理論教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)規(guī)劃、課程考核制度、師資隊(duì)伍建設(shè)和綜合教學(xué)平臺(tái)建設(shè)六個(gè)方面具體提出本課程的建設(shè)方案。
　　2 核心課程創(chuàng)新建設(shè)的綜合方案
　　2.1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)置
　　教學(xué)內(nèi)容設(shè)置方面的建設(shè)主要集中在三個(gè)方面：第一是補(bǔ)充本課程的基礎(chǔ)知識(shí)，包括數(shù)字電路中的TTL門(mén)、MOS管技術(shù)等和數(shù)字邏輯課程中的邏輯代數(shù)基礎(chǔ)及組合電路邏輯設(shè)計(jì)方法；第二是補(bǔ)充《計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)》教材中缺失的內(nèi)容，比如增加計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中關(guān)于指令級(jí)并行軟硬件設(shè)計(jì)方法、Cache失效性分析、多處理機(jī)同步與通信機(jī)制等。在計(jì)算機(jī)組成原理的教學(xué)內(nèi)容上，盡量補(bǔ)充計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)量化分析的方法和設(shè)計(jì)原理；第三是補(bǔ)充多核處理器技術(shù)的最新設(shè)計(jì)方法和工作機(jī)制，這部分內(nèi)容主要提供給對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)感興趣的、學(xué)有余力的學(xué)生自學(xué)之用。
　　為保證理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間的充裕性，我們將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)單獨(dú)開(kāi)課，實(shí)驗(yàn)課的進(jìn)度和理論課的進(jìn)度相匹配，其中理論教學(xué)安排64學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)16學(xué)時(shí)，使得理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)時(shí)比為4:1。此外，對(duì)學(xué)有余力和參加競(jìng)賽的同學(xué)另行再組織和指導(dǎo)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，使得理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)環(huán)相扣，逐步深化，并使得培養(yǎng)的學(xué)生具有一定的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和實(shí)踐能力。理論教學(xué)計(jì)劃如表1所示。
　　這種教學(xué)計(jì)劃使得計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)內(nèi)容更加豐富，既避免了本課程只講授計(jì)算機(jī)組成原理或者只講授計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)知識(shí)的弊端，又能保證學(xué)生將來(lái)參加研究生入學(xué)考試時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理知識(shí)的全面掌握。
　　2.2 理論教學(xué)方法
　　在講授基本原理的過(guò)程中，我們注意融入計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)發(fā)展的新技術(shù)并作為學(xué)生課后自學(xué)的內(nèi)容，注重基礎(chǔ)理論與最新技術(shù)的融合。由于計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)知識(shí)比較抽象，理論學(xué)習(xí)比較枯燥，因此教學(xué)過(guò)程中我們要與學(xué)生交流互動(dòng)，向?qū)W生提出啟發(fā)式和開(kāi)放式的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生深入思考。講課中注意觸類旁通，采用舉例、類比的方法，將深?yuàn)W、難以理解的問(wèn)題用學(xué)生最容易接受的方式和語(yǔ)言表達(dá)。理論課程全部采用課堂教學(xué)方式，以多媒體課件為主，適當(dāng)使用一些板書(shū)。充分發(fā)揮多媒體教學(xué)采用動(dòng)畫(huà)技術(shù)或Flash技術(shù)，充分展現(xiàn)基礎(chǔ)性方法和原理的動(dòng)態(tài)執(zhí)行過(guò)程。比如：SRAM讀寫(xiě)周期的過(guò)程、Cache的訪問(wèn)和替換策略、指令流水線的過(guò)程等。
　　
　　然而，多媒體教學(xué)方法對(duì)運(yùn)算方法和運(yùn)算過(guò)程的教學(xué)效果卻不盡人意。經(jīng)分析，我們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題主要是定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行加減、乘除的計(jì)算過(guò)程沒(méi)有采用傳統(tǒng)板書(shū)教學(xué)并按步驟書(shū)寫(xiě)，而是采用多媒體教學(xué)且放映速度較快，學(xué)生來(lái)不及仔細(xì)體會(huì)其中的設(shè)計(jì)技巧和驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。
　　因此，后期涉及到計(jì)算相關(guān)的教學(xué)，我們都盡量采用傳統(tǒng)的板書(shū)教學(xué)方法；而對(duì)于簡(jiǎn)單的控制流程、運(yùn)行機(jī)制、狀態(tài)更新等內(nèi)容主要采用多媒體教學(xué)方法，這既發(fā)揮了多媒體教學(xué)生動(dòng)、信息量大的特點(diǎn)，又體現(xiàn)了傳統(tǒng)板書(shū)教學(xué)的細(xì)致和嚴(yán)謹(jǐn)。
　　此外，理論教學(xué)過(guò)程中建議采用引導(dǎo)式教學(xué)方法，而不能采用填鴨式灌輸教學(xué)。講授第二章運(yùn)算方法和運(yùn)算器前，先要介紹計(jì)算的基本功能就是進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算，既然是算術(shù)邏輯運(yùn)算，那就有二進(jìn)制數(shù)參與運(yùn)算，那么就會(huì)介紹各種數(shù)的機(jī)器表示形式；然后介紹數(shù)值數(shù)據(jù)的加減法和乘除法，包括原碼、補(bǔ)碼和移碼的計(jì)算，然后介紹計(jì)算過(guò)程的硬件邏輯實(shí)現(xiàn)過(guò)程；最后介紹浮點(diǎn)數(shù)的加減乘除運(yùn)算過(guò)程和硬件設(shè)計(jì)框圖。
　　2.3 實(shí)踐教學(xué)規(guī)劃
　　在實(shí)踐教學(xué)方面，我們從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方式開(kāi)展教學(xué)革新。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，分別針對(duì)基礎(chǔ)性原理、綜合性知識(shí)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)有針對(duì)性的開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)。針對(duì)基礎(chǔ)性原理設(shè)計(jì)了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，比如采用多功能運(yùn)算部件74LS181設(shè)計(jì)16位運(yùn)算器的實(shí)驗(yàn)電路，驗(yàn)證運(yùn)算器的功能等；對(duì)于綜合知識(shí)，我們組織設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，比如給每組學(xué)生分配一張指令表，指令表中包含十余條不同的機(jī)器指令(主要包括設(shè)計(jì)H