劉亞楠，劉路路

(合肥師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230601)

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《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教學(xué)改革探討

劉亞楠，劉路路

(合肥師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230601)

[摘要]本文總結(jié)了針對(duì)“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教學(xué)中普遍存在的問(wèn)題所做的課程教學(xué)改革與探索經(jīng)驗(yàn)，授課中針對(duì)技術(shù)的發(fā)展和提升學(xué)生應(yīng)用能力的要求合理組織教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)有側(cè)重點(diǎn)；采用從問(wèn)題出發(fā)，實(shí)施動(dòng)力式教學(xué)的教學(xué)方法，充分利用現(xiàn)代教學(xué)手段，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；注重指導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，實(shí)踐環(huán)節(jié)加強(qiáng)動(dòng)手能力的提高。

[關(guān)鍵詞]計(jì)算機(jī)組成原理；課程；教學(xué)改革；應(yīng)用能力

1引言

《計(jì)算機(jī)組成原理》課程是計(jì)算機(jī)各本科專業(yè)的核心硬件課程，屬于必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。在各硬件及軟件的課程中，該課程處于核心重點(diǎn)地位，本課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)的基本組成部件、邏輯功能、工作原理、設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)等有關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)和技術(shù)，建立完整、清晰的計(jì)算機(jī)整機(jī)概念，并使學(xué)生具備對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整機(jī)和部件進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的能力。教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)(以下簡(jiǎn)稱教指委)在廣泛深入的調(diào)查研究基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)際上計(jì)算機(jī)專業(yè)辦學(xué)的發(fā)展與現(xiàn)狀，結(jié)合我國(guó)計(jì)算機(jī)教育的實(shí)際情況，對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)本科教育的發(fā)展方向和辦學(xué)單位的專業(yè)發(fā)展提出了指導(dǎo)性意見(jiàn)，并制定了具體的《專業(yè)規(guī)范》。專業(yè)規(guī)范為“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃的制定以及課程在課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)上提供了指導(dǎo)性的意見(jiàn)，是我們推進(jìn)課程改革的重要參考。同時(shí)聯(lián)系我校的實(shí)際情況，如學(xué)校育人目標(biāo)的定位、學(xué)校的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)條件、學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)等，從教學(xué)指導(dǎo)思想和教學(xué)方法兩個(gè)方面，從知識(shí)講授和能力培養(yǎng)兩個(gè)層次上，對(duì)“計(jì)算機(jī)組成原理”課程改革進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)與組織，建立了有效的教學(xué)模式，幫助學(xué)生從宏觀和微觀兩個(gè)層面系統(tǒng)地掌握課程知識(shí)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)和探索知識(shí)的意識(shí)、興趣和能力。課程除重點(diǎn)講解簡(jiǎn)單、單臺(tái)計(jì)算機(jī)的基本組成原理和內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制外，還增加高性能計(jì)算機(jī)、新一代計(jì)算機(jī)等知識(shí)的介紹，為學(xué)生學(xué)習(xí)其他后續(xù)課程，跟蹤國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)，將來(lái)承擔(dān)各項(xiàng)應(yīng)用性技能型工作提供基礎(chǔ)知識(shí)。

2教學(xué)中需改革的問(wèn)題

(1)“計(jì)算機(jī)組成原理”課程抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高。課程介紹計(jì)算機(jī)內(nèi)各功能部件的工作原理，講解的許多知識(shí)和內(nèi)容都發(fā)生在芯片內(nèi)部，例如計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)是如何表示、存儲(chǔ)和進(jìn)行運(yùn)算，CPU的控制器是如何發(fā)出控制信號(hào)協(xié)調(diào)各部件工作的，總線上有哪些信息，都是看不見(jiàn)的，學(xué)習(xí)內(nèi)容較抽象。而且課程中講授計(jì)算機(jī)各組成部分的硬件電路及其工作原理時(shí)，還需要經(jīng)常用到譯碼器等數(shù)字邏輯等先修課程的相關(guān)知識(shí)，而這些知識(shí)學(xué)生如果掌握不夠深入，基礎(chǔ)沒(méi)打好，綜合運(yùn)用這些知識(shí)時(shí)學(xué)生會(huì)感到學(xué)習(xí)吃力，興趣不高。

(2)教學(xué)內(nèi)容相對(duì)滯后，教學(xué)方法教單一

“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的內(nèi)容廣泛，包括計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組成、系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)方法、CPU的工作機(jī)制和高性能計(jì)算機(jī)的新技術(shù)。然而教材內(nèi)容滯后于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，很難激發(fā)出學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。長(zhǎng)期以來(lái)，作為專業(yè)基礎(chǔ)課，課程容易采取“灌輸式”的教學(xué)方法，較少采用啟發(fā)式、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式、課堂討論式的教學(xué)方法，無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，容易忽略學(xué)生的主體地位。

(3)實(shí)踐環(huán)節(jié)

計(jì)算機(jī)組成原理的課程實(shí)驗(yàn)雖然增加了理論向工程實(shí)際轉(zhuǎn)化的，符合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范的硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容。然而目前，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街兄饕球?yàn)證性實(shí)驗(yàn)及相關(guān)模式；即使含有部分“設(shè)計(jì)”內(nèi)容，也主要是根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各自規(guī)定的，非規(guī)范的方法，用既定的分離元件(也有包括部分可編程器件)和接口器件進(jìn)行拼裝搭接而成。學(xué)生顯然無(wú)法從這樣的“設(shè)計(jì)”過(guò)程中了解真實(shí)的現(xiàn)代實(shí)用CPU基本設(shè)計(jì)技術(shù)了。

3教學(xué)改革與探索

3.1合理組織教學(xué)內(nèi)容

在教學(xué)內(nèi)容上，針對(duì)技術(shù)的發(fā)展和提升學(xué)生應(yīng)用能力的要求，重新修訂課程標(biāo)準(zhǔn)，課程的重點(diǎn)放在運(yùn)算器的補(bǔ)碼加減乘除運(yùn)算方法、指令系統(tǒng)、運(yùn)算器、控制器的設(shè)計(jì)上，教學(xué)內(nèi)容有側(cè)重點(diǎn)，對(duì)于重點(diǎn)內(nèi)容力爭(zhēng)講清楚設(shè)計(jì)思路，原理，其他部分則讓學(xué)生自學(xué)或討論，避免通篇介紹。對(duì)于主要的教學(xué)內(nèi)容，我們分成幾個(gè)層次，逐步深入。首先介紹通用的原理基礎(chǔ)，即讓學(xué)生學(xué)習(xí)與理解計(jì)算機(jī)組成與運(yùn)行機(jī)制的核心知識(shí)，這些重要的原理設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)快速發(fā)展的過(guò)程中并不會(huì)發(fā)生太多的變化。接下來(lái)再結(jié)合具體的機(jī)型介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同部件的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)結(jié)果及其外部特性，可以體現(xiàn)用到的基本原理，這里可以及時(shí)結(jié)合較新的機(jī)型，發(fā)展的技術(shù)，將原理和實(shí)際相聯(lián)系、讓學(xué)生理解這門課程的學(xué)習(xí)價(jià)值。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程中讓學(xué)生綜合設(shè)計(jì)基本模型系統(tǒng)，讓學(xué)生將所學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用起來(lái)，以增加學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解深度和應(yīng)用能力，把學(xué)習(xí)知識(shí)和增長(zhǎng)能力結(jié)合起來(lái)。

3.2教學(xué)方法

(1)從問(wèn)題出發(fā)，實(shí)施動(dòng)力式教學(xué)

“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的教學(xué)，應(yīng)使學(xué)生盡快建立計(jì)算機(jī)的整體概念，透徹地理解和掌握課程知識(shí)點(diǎn)，從宏觀和微觀層面上理解和把握計(jì)算機(jī)各部件的原理、組成及相互聯(lián)系，進(jìn)而達(dá)到能力培養(yǎng)的目標(biāo)。在現(xiàn)代教育理念中，教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)以“學(xué)”為中心，學(xué)生是教學(xué)活動(dòng)的主體，是知識(shí)學(xué)習(xí)的主動(dòng)建構(gòu)者，教師在教學(xué)過(guò)程中發(fā)揮著組織者、指導(dǎo)者和促進(jìn)者的作用。課堂教學(xué)側(cè)重于引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)與思考，靈活地將互動(dòng)式、啟發(fā)式和任務(wù)驅(qū)動(dòng)式等教學(xué)方法結(jié)合起來(lái)，而不是單一地采用某種方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行灌輸。

設(shè)計(jì)一些教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)，在課堂內(nèi)外與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)與討論，尤其是一些新技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)研究的方法與方向，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性，進(jìn)而培養(yǎng)他們的自主學(xué)習(xí)能力、研究能力和創(chuàng)新能力。如在中央處理器一章中，要求學(xué)生對(duì)CPU 發(fā)展的新動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究，學(xué)生通過(guò)上網(wǎng)搜索、查閱文獻(xiàn)等手段收集了大量的資料，可以了解CPU 的發(fā)展歷程，對(duì)一些實(shí)際的參數(shù)，如Cache 的大小與級(jí)數(shù)、流水線條數(shù)、工作頻率、前段總線等都有所了解，加深了對(duì)CPU 的認(rèn)識(shí)。引導(dǎo)學(xué)生將單核、雙核和多核CPU 進(jìn)行對(duì)比，分析它們最新的技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)等。

加強(qiáng)課堂教學(xué)的提問(wèn)與討論環(huán)節(jié)，不僅可以活躍課堂氣氛，活躍學(xué)生思維，而且可以促使學(xué)生在課余主動(dòng)地學(xué)習(xí)和對(duì)問(wèn)題進(jìn)行鉆研，從而高效深入的學(xué)習(xí)和掌握知識(shí)。如針對(duì)計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備在種類和技術(shù)方面的一些問(wèn)題，提問(wèn)學(xué)生回答問(wèn)題，并藉此與學(xué)生討論新技術(shù)新發(fā)展，引領(lǐng)學(xué)生突破思維定勢(shì)，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。

(2)指導(dǎo)學(xué)生“學(xué)會(huì)”轉(zhuǎn)為引導(dǎo)學(xué)生“會(huì)學(xué)”

為了培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和總結(jié)問(wèn)題的能力，改變以往直接將各章重難點(diǎn)提煉給學(xué)生的傳統(tǒng)方法，而是在每章知識(shí)點(diǎn)講解完畢后讓學(xué)生自己總結(jié)重難點(diǎn)，讓學(xué)生提交一份材料包括自己分析歸納總結(jié)的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，并要求學(xué)生閱讀部分資料，將總結(jié)的知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)得經(jīng)典的習(xí)題也放在上面，這樣學(xué)生就不會(huì)被動(dòng)的接受知識(shí)，而是慢慢在各章的學(xué)習(xí)歸納總結(jié)中，提高了自己分析問(wèn)題的能力，并且由于讓學(xué)生自己選取對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)配套的習(xí)題，也從側(cè)面讓學(xué)生了解各知識(shí)點(diǎn)可以如何考核，從而進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率，經(jīng)實(shí)踐證明，效果明顯。

(3)充分利用現(xiàn)代教學(xué)手段

計(jì)算機(jī)組成原理由于具有較高的抽象性和技術(shù)性，其教學(xué)內(nèi)容難以通過(guò)課堂講授被學(xué)生完全理解和掌握?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)教學(xué)手段無(wú)法直觀、形象描述訓(xùn)算機(jī)內(nèi)部組成的工作過(guò)程和原理，特別是現(xiàn)在的電路集成度越來(lái)越高，很多部件和電路往往被封裝在一塊芯片中，學(xué)生不易掌握。所以在教學(xué)方式上，充分利用現(xiàn)代教學(xué)手段，采用多媒體技術(shù)動(dòng)態(tài)演示結(jié)構(gòu)原理圖來(lái)進(jìn)行講解，使原本枯燥、抽象、難懂的概念和原理變得生動(dòng)、形象、易懂?？偟慕虒W(xué)思想是:軟硬結(jié)合，重點(diǎn)突出，適當(dāng)重復(fù)，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)。例如 ，在講CPU的組成原理時(shí)，先將CPU邏輯框圖中各部件的邏輯功能講解清楚，然后通過(guò)執(zhí)行一小段程序來(lái)具體講解CPU的工作原理，通過(guò)動(dòng)態(tài)演示CPU執(zhí)行這一程序的過(guò)程讓學(xué)生形象的了解了每一條指令取指階段與執(zhí)行階段的分解動(dòng)作，學(xué)生既可以理解和掌握CPU的工作過(guò)程和工作原理，又具體認(rèn)識(shí)了每條指令的指令周期，這種由軟帶硬，軟硬結(jié)合的辦法，使抽象的圖變得具體起來(lái)，因而容易理解和掌握。同時(shí)，安排學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如此，學(xué)生印象就很深刻。最后，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)中遇到和提出的問(wèn)題再進(jìn)行講解，使得學(xué)生能比較深刻的理解所學(xué)原理。

3.3實(shí)驗(yàn)

擴(kuò)展基于VHDL和最新近EDA技術(shù)的關(guān)于CPU和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)技術(shù)方面較豐富的內(nèi)容。例如基于微程序控制模式的8位CISC模型CPU設(shè)計(jì)、基于狀態(tài)機(jī)控制模式的16位CISC CPU設(shè)計(jì)、MCS51單片機(jī)系列兼容型單片機(jī)軟核系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于流水線技術(shù)的16位RISC CPU設(shè)計(jì)，以及基于SOPC技術(shù)的32位NiosII軟核嵌入式系統(tǒng)軟硬件聯(lián)合設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

4總結(jié)

總之，“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教學(xué)應(yīng)在調(diào)整優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面積極探索，并充分利用網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)促進(jìn)教學(xué)互動(dòng)和教學(xué)相長(zhǎng)，注意增加高性能計(jì)算機(jī)、新一代計(jì)算機(jī)等知識(shí)的介紹，為學(xué)生學(xué)習(xí)其他后續(xù)課程，跟蹤國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)，將來(lái)承擔(dān)各項(xiàng)應(yīng)用性技能型工作提供基礎(chǔ)知識(shí)。

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A Discussion on Teaching Reform and Research for Principles of Computer Organization

LIU Yanan, LIU Lulu

(SchoolofComputerScience,HefeiNormalUniversity,Hefei230601,China)

Abstract：The paper summarizes teaching reform of and explorative experience in "Principles of Computer Organization". The teaching content should be reasonably organized with emphasis in accordance with the development of technology and the improvement of students' practical ability, and the dynamic problem-based teaching method should be implemented by making full use of modern teaching means so as to improve students' learning interest. Attention should be paid to help enhance students' ability to analyze and solve problems and strengthen the hands-on ability of experiments.

Key words：Principles of Computer Organization; course; teaching reform; practical ability

[收稿日期]2016-01-15

[基金項(xiàng)目]省級(jí)專業(yè)綜合改革試點(diǎn)-計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)(2013zy058)，省級(jí)教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(2015jyxm271)

[第一作者簡(jiǎn)介]劉亞楠(1984-)女，博士，合肥師范學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院教師。研究方向：圖像處理。

[中圖分類號(hào)]TP391.4

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1674-2273(2016)03-0079-03