楊旭東　肖鐵軍　丁偉　趙蕙

摘要：針對(duì)“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的特點(diǎn)及目前教學(xué)中存在的問題，對(duì)該課程教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行研究與探討，提出加強(qiáng)教材建設(shè)、合理組織教學(xué)內(nèi)容、采用多種教學(xué)模式和教學(xué)方法、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)等多項(xiàng)改革措施。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；教學(xué)改革；教學(xué)方法；教學(xué)模式

文章編號(hào)：1672-5913（2013）07-0046-04

中圖分類號(hào)：G642

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心硬件基礎(chǔ)課程，是全國(guó)計(jì)算機(jī)專業(yè)碩士研究生入學(xué)考試的重點(diǎn)專業(yè)考試課程之一。它在計(jì)算機(jī)及其相關(guān)專業(yè)本科教學(xué)課程體系中起著承前啟后的作用。該課程內(nèi)容涵蓋計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本硬件部件構(gòu)成和組成方式，包括基本的運(yùn)算操作原理和單元設(shè)計(jì)思想、操作方式及其實(shí)現(xiàn)等。

通過對(duì)該課程的學(xué)習(xí)，不僅可以幫助學(xué)生理解單處理器計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組織結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握單處理器計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本分析和設(shè)計(jì)方法及相互關(guān)系，還使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu)概念，明晰硬件與軟件之間的接口界面，建立起一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念，為后續(xù)相關(guān)硬件課程如計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原理與接口等課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1教材建設(shè)問題

計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)課時(shí)相對(duì)較少，但是其理論性強(qiáng)、知識(shí)面廣、內(nèi)容多且更新快，教師難教，學(xué)生難學(xué)?，F(xiàn)有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部都是由超大規(guī)模集成電路組成，缺乏和書本相一致的硬件電路幫助學(xué)生加深認(rèn)識(shí)。如果在沒有相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的前提下，直接介紹現(xiàn)有的較復(fù)雜的新技術(shù)、新方法和新知識(shí)，學(xué)生熟悉和掌握有一定困難。

1.2教學(xué)方法存在的問題

由于“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的知識(shí)點(diǎn)較多，現(xiàn)有的教學(xué)課時(shí)數(shù)較少，所以教師在教學(xué)過程中基本采用傳統(tǒng)的“填鴨灌輸式”教學(xué)方法，雖然教學(xué)工具從“粉筆+黑板”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂诎?課件”，提高了教學(xué)效率，使教學(xué)內(nèi)容更加緊湊，但仍然存在許多弊端，比如因?yàn)閮?nèi)容較多，學(xué)生在聽課時(shí)沒有充分思考的時(shí)間，缺乏足夠的課堂交互，過分依賴拷貝教師的課件，不注重課堂理解，使教學(xué)效果較差。

1.3實(shí)踐教學(xué)問題

計(jì)算機(jī)組成原理課程的實(shí)踐教學(xué)在整個(gè)課程教學(xué)中有著重要作用，其主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器等各部件實(shí)驗(yàn)以及基本模型機(jī)的課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。但在現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)過程中，基本是由老師給出實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生負(fù)責(zé)驗(yàn)證完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)其中用到的相關(guān)知識(shí)及工作原理學(xué)生不能完全理解，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的分析和解決能力。如果改用FPGA平臺(tái)采用VHDL或Verilog語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，雖然相對(duì)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)而言，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容得到了改進(jìn)，但由于學(xué)生個(gè)體差異較大，有的學(xué)生在相對(duì)有限的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)無法完成，實(shí)際效果大打折扣。

2 教學(xué)改革

針對(duì)以上問題，筆者所在的課程教研組從教材建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容組織、教學(xué)模式、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)等幾個(gè)角度出發(fā)，進(jìn)行了一系列教學(xué)改革和實(shí)踐。

2.1教材建設(shè)

通過分析CC2005教程體系、《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨專業(yè)規(guī)范和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)研究生入學(xué)考試專業(yè)基礎(chǔ)課全國(guó)統(tǒng)一命題考試大綱》對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程知識(shí)點(diǎn)的要求，筆者所在的教研組重新編寫了課程教材，將重點(diǎn)放在講述一般性原理，不針對(duì)任何具體的商業(yè)機(jī)型，綜合國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)類型中較為成熟的先進(jìn)技術(shù)，兼顧計(jì)算機(jī)發(fā)展的新技術(shù)、新成果，力求做到深入淺出。同時(shí)，為了避免一般性的抽象原理不利于分析理解，該教材即反映了不同的典型結(jié)構(gòu)，也有深入的分析，點(diǎn)面結(jié)合；通過一個(gè)模型機(jī)的實(shí)例將相關(guān)章節(jié)聯(lián)系起來，最終形成一個(gè)整機(jī)的概念，系統(tǒng)性較強(qiáng)。新教材緊密聯(lián)系實(shí)踐環(huán)節(jié)，加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解深度和應(yīng)用能力，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了良好的學(xué)習(xí)效果。

2.2教學(xué)內(nèi)容組織

計(jì)算機(jī)組成原理課程教材的內(nèi)容覆蓋范圍廣、知識(shí)點(diǎn)多、理論性強(qiáng)，但是在當(dāng)前課時(shí)日益減少的情況下，不適合不加取舍地照本宣科，如何站在計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)課程群的角度對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)取舍，對(duì)前導(dǎo)課程計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、數(shù)字邏輯電路已經(jīng)講過的相關(guān)內(nèi)容可以略過，以習(xí)題或課堂提問的方式引導(dǎo)學(xué)生回憶曾經(jīng)學(xué)習(xí)的內(nèi)容。對(duì)于將在后繼課程中講到的內(nèi)容，比如流水線技術(shù)、虛擬存儲(chǔ)技術(shù)、通道輸入輸出方式等，只提及基本概念、結(jié)構(gòu)和工作原理，不需要精講分析，將相關(guān)內(nèi)容留給后繼課程去講解。

2.3教學(xué)模式選擇

改革現(xiàn)有的以課堂教學(xué)為主的教學(xué)模式，輔以多媒體、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。在多媒體課件設(shè)計(jì)的過程中，竭力避免大段抄襲教材內(nèi)容的課件，強(qiáng)調(diào)概括突出章節(jié)知識(shí)要點(diǎn)，針對(duì)課程內(nèi)容抽象、實(shí)物演示存在難度的特點(diǎn)，課件主要內(nèi)容以動(dòng)態(tài)演示為主，生動(dòng)形象地描述地址流、數(shù)據(jù)流、指令流在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的操作過程，讓學(xué)生能以更直觀的方式理解計(jì)算機(jī)內(nèi)部的信息處理過程，提升課堂教學(xué)效果。此外，在網(wǎng)絡(luò)上提供一個(gè)以學(xué)生為中心的網(wǎng)上學(xué)習(xí)環(huán)境，除了實(shí)現(xiàn)課程相關(guān)資源上網(wǎng)以外，針對(duì)每個(gè)章節(jié)設(shè)置試題庫(kù)，考核學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，并設(shè)置板塊對(duì)歷年考研試題進(jìn)行解答分析，安排任課教師輪流在網(wǎng)絡(luò)上對(duì)學(xué)生反饋的相關(guān)學(xué)習(xí)問題進(jìn)行答疑解析，使學(xué)生與老師的互動(dòng)不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制。

2.4教學(xué)方法改革

傳統(tǒng)的教學(xué)方法是灌輸式的，筆者在對(duì)中西方教學(xué)方法進(jìn)行了解和比較后，探索將啟發(fā)式教學(xué)、類比式教學(xué)、案例教學(xué)等多種教學(xué)方法綜合應(yīng)用到計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)當(dāng)中。

現(xiàn)有的情境教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)強(qiáng)調(diào)創(chuàng)設(shè)適合問題的情境。所謂問題的情境是指不能直接使用自身已有的知識(shí)處理，但可以間接利用已有知識(shí)處理的情境。這就需要教師根據(jù)本課程的教學(xué)內(nèi)容，圍繞特定的課程主題，設(shè)計(jì)合適的問題，激發(fā)學(xué)生的求知欲，強(qiáng)化其學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)其主動(dòng)探求更多的新知識(shí)。在教學(xué)過程中，教師需要鼓勵(lì)學(xué)生敢于質(zhì)疑，敢于提問，而且要從不同角度提出問題、思考問題。例如在講解運(yùn)算器ALU的時(shí)候，可以先提出問題，為什么衡量計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度可以采用每秒鐘多少次加法這個(gè)性能指標(biāo)？加減乘除四則運(yùn)算之間是否可以合并化簡(jiǎn)？從而讓學(xué)生思考計(jì)算機(jī)的算術(shù)運(yùn)算功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠什么部件，是否存在同一個(gè)部件能夠同時(shí)完成所有的四則運(yùn)算功能？這就可以引申出加法器的基本概念，使學(xué)生明白在計(jì)算機(jī)中用來實(shí)現(xiàn)運(yùn)算的核心部件是加法器。在實(shí)際教學(xué)過程中，還需要尊重學(xué)生的個(gè)性思維，給予他們開放式的答案，這對(duì)于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，保持學(xué)生持續(xù)的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)非常有幫助。

類比教學(xué)是指在講授過程中將一些概念、策略和思想等比較抽象的內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)生活中的生動(dòng)事例進(jìn)行關(guān)聯(lián)、類比，從而將學(xué)生可能認(rèn)為抽象的概念、理論形象化、生動(dòng)化，使其掌握知識(shí)更牢固。例如，將日常生活中最簡(jiǎn)單的接電話與中斷處理過程相聯(lián)系起來，在日常的工作過程中，突然出現(xiàn)的手機(jī)鈴聲就是中斷請(qǐng)求信號(hào)，打進(jìn)電話的呼叫者就是發(fā)送請(qǐng)求的中斷源，因?yàn)楸缓艚姓邿o法預(yù)知呼叫的時(shí)間，所以打進(jìn)電話的過程是個(gè)隨機(jī)事件，具有和中斷相同的特征——隨機(jī)性。手機(jī)的分組鈴聲和來電顯示可以用來區(qū)分呼叫者的身份，是用來識(shí)別不同中斷來源的標(biāo)志，這個(gè)過程是個(gè)中斷識(shí)別的過程。而被呼叫者中止當(dāng)前正在執(zhí)行的工作，選擇接聽或者掛斷電話的過程是中斷響應(yīng)的問題，接聽是響應(yīng)中斷，掛斷則是不響應(yīng)。如果設(shè)置了來電過濾的黑名單和白名單屬于中斷屏蔽的問題，黑名單上的呼叫者將會(huì)被屏蔽掉，白名單上的則不會(huì)受影響。被呼叫者接聽電話回應(yīng)呼叫者的過程屬于中斷處理過程。接聽完畢，掛斷電話，重新開始原來被中斷的日常工作屬于中斷返回。整個(gè)過程和中斷處理過程如出一轍，通過這樣一件簡(jiǎn)單的日常事例，學(xué)生可以由此及彼的掌握整個(gè)中斷過程。

案例教學(xué)法在一些法學(xué)、管理類教學(xué)中早已廣泛運(yùn)用，它是通過實(shí)際案例來反映教學(xué)內(nèi)容中的一些基本原理和方法，提高學(xué)生思考問題、分析問題和解決問題的能力，重視培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的一種教學(xué)方法。案例教學(xué)法關(guān)鍵在于選擇合適的案例，案例必須具有典型性，具有普遍意義，這樣的實(shí)例在教學(xué)過程中值得花費(fèi)精力討論和設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)組成原理課程內(nèi)容比較抽象，案例教學(xué)對(duì)CPU數(shù)據(jù)通路的教學(xué)非常有效，特別是指令執(zhí)行過程部分，通過對(duì)模型機(jī)案例的信息流分析以及和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的直觀對(duì)比，介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的新理論和新技術(shù)，加深學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)各功能部件的基本原理、基本結(jié)構(gòu)的理解和掌握。

2.5實(shí)踐教學(xué)改革

2.5.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革

學(xué)院從過去的固定結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，過渡到FPGA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更加靈活，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與教材內(nèi)容保持一致，避免實(shí)驗(yàn)與課堂教學(xué)脫節(jié)的問題，做到課堂教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)的統(tǒng)一，鞏固教學(xué)效果。

2.5.2實(shí)踐教學(xué)方法改革

從2004年開始，筆者所在的教研組針對(duì)不同類型的學(xué)生，采用了層次化教學(xué)法，并在后續(xù)的實(shí)踐中，陸續(xù)采用了任務(wù)驅(qū)動(dòng)式實(shí)踐教學(xué)，建立實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)等多種方法提高教學(xué)效果。層次化教學(xué)法是針對(duì)學(xué)生的個(gè)體差異，在教學(xué)大綱允許的范圍內(nèi)，將實(shí)踐任務(wù)分成基本、常規(guī)、提高3個(gè)層次，基本層次完成原理驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，常規(guī)層次完成給定框架內(nèi)的設(shè)計(jì)并進(jìn)行驗(yàn)證，提高層次鼓勵(lì)學(xué)生綜合所學(xué)知識(shí)，實(shí)踐自己的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。課程組在編寫指導(dǎo)書時(shí)就對(duì)不同層次分別指導(dǎo)，如課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書中基本層次完成CPU的微程序設(shè)計(jì)，著重于理解指令的實(shí)現(xiàn)過程，常規(guī)層次還要完成CPU的硬件設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)的角度理解計(jì)算機(jī)的工作原理。在實(shí)施中采用學(xué)生申請(qǐng)、指導(dǎo)老師審核的方式選擇層次，層次的選擇不影響成績(jī)的檔次，保證每個(gè)學(xué)生都能通過實(shí)驗(yàn)有所收獲。

任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)就是把所要學(xué)習(xí)的知識(shí)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的任務(wù)，教師通過引導(dǎo)學(xué)生分析任務(wù)、通過主動(dòng)探求完成任務(wù)來實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)。它符合探究教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)知識(shí)和技能的傳授應(yīng)以完成典型“任務(wù)”為主，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在密切聯(lián)系學(xué)習(xí)、生活和社會(huì)實(shí)踐的有意義的“任務(wù)”情境中，通過完成任務(wù)來學(xué)習(xí)知識(shí)、獲得技能、形成能力。在計(jì)算機(jī)組成原理課程的實(shí)踐教學(xué)過程中，以模型機(jī)CPU的設(shè)計(jì)作為實(shí)踐教學(xué)的核心任務(wù)。之所以選擇CPU，主要是由于CPU對(duì)大多數(shù)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生而言，是既陌生又熟悉的一個(gè)具有神秘感的硬件，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；同時(shí)CPU又是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制處理中心，負(fù)責(zé)指令的解釋執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)功能部件的管理控制，可以幫助學(xué)生深入理解計(jì)算機(jī)的工作原理。在整個(gè)實(shí)踐教學(xué)過程中，這個(gè)核心任務(wù)被分解成若干個(gè)環(huán)環(huán)相扣的子任務(wù)，如伴隨課堂教學(xué)進(jìn)度進(jìn)行的運(yùn)算器、高速緩存、控制器等部件設(shè)計(jì)，由淺入深、循序漸進(jìn)，在期末課程設(shè)計(jì)的時(shí)候，由學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各種不同結(jié)構(gòu)和功能的CPU。學(xué)生可以將所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通、綜合運(yùn)用到CPU設(shè)計(jì)過程中，給有潛力的同學(xué)留下了足夠的創(chuàng)新空間，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、創(chuàng)新思維有著較大幫助。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前存在的學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，課程理論性知識(shí)較多，課堂內(nèi)容抽象等問題，課程組通過對(duì)教材建設(shè)、教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容的組織等多個(gè)方面的不斷改革，取得了較好的教學(xué)效果。多項(xiàng)教學(xué)改革的綜合應(yīng)用表明，師生之間的教學(xué)互動(dòng)得到了加強(qiáng)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣大大提高，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性被充分調(diào)動(dòng)，課程教學(xué)從課堂內(nèi)延伸到課外。但還應(yīng)注意到，隨著生產(chǎn)工藝的不斷提高，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件不斷地被取代，單核處理器已逐漸被淘汰，計(jì)算機(jī)組成原理的教學(xué)改革任重而道遠(yuǎn)，在今后的教學(xué)實(shí)踐過程中，應(yīng)結(jié)合當(dāng)前的發(fā)展動(dòng)態(tài)、發(fā)展方向，結(jié)合學(xué)校學(xué)生的實(shí)際情況，不斷深入和完善。

（編輯：趙廓）