劉毅文　米春橋　劉佳

摘要：《計(jì)算機(jī)組成原理》課程作為高校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的通識(shí)專業(yè)課，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的深入理解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和解決數(shù)字系統(tǒng)復(fù)雜工程問(wèn)題都具有舉足輕重的作用。在實(shí)際課程教學(xué)中往往會(huì)出現(xiàn)學(xué)生對(duì)課程重要性認(rèn)識(shí)不足、缺少學(xué)習(xí)動(dòng)力、缺乏前導(dǎo)課程基礎(chǔ)，課堂所學(xué)理論不能很好地用于社會(huì)實(shí)踐等現(xiàn)象。文章圍繞如何引導(dǎo)學(xué)生學(xué)好計(jì)算機(jī)組成原理這門課程，從改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和方法、教學(xué)手段以及考核方式改革等方面提出相關(guān)的思考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；深入理解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)；課程教學(xué)改革；匯編程序設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)專業(yè)統(tǒng)考科目

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）05-0095-03

Abstract： Principles of computer organization course， as a general course of computer related majors， plays an important role in both of cultivating students' understanding of modern computer system and solving complex engineering problems of digital systems. In the actual teaching， students often lack the awareness of the importance of the curriculum， learning motivation，the basis of the leading curriculum and can not used classroom theory for social practice. Based on the above problems，the reflection is put forward on how to improve from the teaching contents and methods， teaching methods and assessment methods.

Key words： principles of computer organization； understanding of modern computer system； course teaching； assembly； computer professional examination subject

1 引言

隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日新月異的發(fā)展，各式各樣的計(jì)算機(jī)智能設(shè)備層出不窮，豐富著人類的日常生活。早期的程序員需要了解硬件架構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行編程，同時(shí)也要掌握計(jì)算機(jī)的工作原理。隨著計(jì)算機(jī)復(fù)雜度、專業(yè)度越來(lái)越高，人與計(jì)算機(jī)的交流也逐步交給操作系統(tǒng)和專業(yè)軟件，除了少數(shù)底層硬件架構(gòu)專家之外，普通人群和學(xué)生很難接觸到計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)和制造，無(wú)法完整理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理。

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)本科生必修的一門核心專業(yè)通識(shí)課程，2009年開始列入全國(guó)碩士研究生計(jì)算機(jī)專業(yè)統(tǒng)考科目之一。它不僅從底層視角為學(xué)生展現(xiàn)單處理機(jī)系統(tǒng)的基本組成和工作原理，培養(yǎng)學(xué)生著手研究數(shù)字系統(tǒng)復(fù)雜工程的能力。在學(xué)習(xí)和掌握各部件功能結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以發(fā)揮主觀能動(dòng)性，去自主、系統(tǒng)地分析、設(shè)計(jì)、解決實(shí)際問(wèn)題，在整個(gè)過(guò)程中數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研發(fā)和動(dòng)手等能力逐步獲得提升。它在計(jì)算機(jī)學(xué)科的教學(xué)體系中，起著承上啟下的作用，扮演著極其重要的角色。上接高級(jí)程序設(shè)計(jì)（C語(yǔ)言）、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、數(shù)字電路設(shè)計(jì)以及數(shù)字邏輯等先導(dǎo)課程；下連操作系統(tǒng)原理、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等后續(xù)核心專業(yè)課程。

然而，通過(guò)實(shí)際教學(xué)發(fā)現(xiàn)一些存在的問(wèn)題，例如：學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)該課程的重要性認(rèn)識(shí)不足，缺少學(xué)習(xí)動(dòng)力，缺乏前導(dǎo)課程基礎(chǔ)，課堂所學(xué)理論不能很好地運(yùn)用于社會(huì)實(shí)踐。圍繞以上問(wèn)題提出一些思考與想法。

2 課堂教學(xué)現(xiàn)狀

2.1 學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)識(shí)不足，自主學(xué)習(xí)性不強(qiáng)

不少畢業(yè)就想從事工作的學(xué)生認(rèn)為現(xiàn)今互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的主要工作是研發(fā)上層應(yīng)用軟件——寫程序、敲代碼，有成熟的操作系統(tǒng)和開發(fā)框架的幫助，不用關(guān)心計(jì)算機(jī)內(nèi)部各部件的基本組成和工作原理，對(duì)今后的崗位競(jìng)爭(zhēng)沒(méi)有多大幫助，所以學(xué)習(xí)動(dòng)力不足；還有一部分想繼續(xù)深造的同學(xué)，僅僅把該課程當(dāng)作一門課程來(lái)學(xué)，知識(shí)點(diǎn)死記硬背，應(yīng)付考試即可。如何在教學(xué)過(guò)程中作積極、有效的引導(dǎo)，對(duì)課本內(nèi)容作有必要的取舍是教師需要思考的首要問(wèn)題。

2.2 學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，硬件接觸少，知識(shí)點(diǎn)難消化

計(jì)算機(jī)組成原理課程中主要講授底層硬件的結(jié)構(gòu)和工作原理，在計(jì)算機(jī)多級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)章節(jié)中，會(huì)涉及寄存器，鎖存器，緩存的概念和工作方式，這些知識(shí)在匯編語(yǔ)言、數(shù)字邏輯等課程中就是個(gè)難點(diǎn)，很多內(nèi)容在當(dāng)時(shí)提出來(lái)就是一篇高水平的論文，難度大，學(xué)生吃不透，在腦海中只有一個(gè)模糊的概念；學(xué)生接觸硬件的機(jī)會(huì)少，普通存在“吃軟怕硬”的現(xiàn)象。在心理上首先敗下陣來(lái)，甚至有抵觸心理，更不用去要求學(xué)生理解透徹，掌握深入了。學(xué)生基礎(chǔ)沒(méi)打好，課程消化不了，在綜合運(yùn)用知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)會(huì)感到學(xué)習(xí)很吃力，無(wú)從下手，興趣不高。事實(shí)上，我院其他專業(yè)如網(wǎng)絡(luò)工程、軟件工程的學(xué)生已經(jīng)沒(méi)有開設(shè)匯編程序設(shè)計(jì)課程，跨度更大。

2.3 課程內(nèi)容抽象

課程中的不少知識(shí)和內(nèi)容都是圍繞CPU芯片內(nèi)部的處理，操作展開講述的，例如數(shù)值在計(jì)算機(jī)中的表示、存儲(chǔ)、算術(shù)運(yùn)算、溢出、邏輯運(yùn)算，CPU的控制器是如何取指令、分析指令、執(zhí)行指令的，數(shù)字信息、地址信息和控制信息的傳遞是如何沿著總線進(jìn)行的，這些都是看不見，摸不著的，課程內(nèi)容很抽象。學(xué)生在沒(méi)有掌握的前提下往往會(huì)把各部件孤立起來(lái)學(xué)習(xí)，抓不住主線，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)沒(méi)有整體概念。

2.4 課程定位模糊

課程的內(nèi)容廣泛，包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成、各部分組件的功能、結(jié)構(gòu)、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)，學(xué)校的電氣工程專業(yè)、數(shù)學(xué)專業(yè)與計(jì)算機(jī)專業(yè)的本科生都在使用。根據(jù)學(xué)生培養(yǎng)方案的不同，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)有所側(cè)重，有所取舍。照著一套講義與不同需求的學(xué)生講課，顯然違背了教師“因材施教”的原則。此外，教材還是按照學(xué)術(shù)性人才培養(yǎng)模式編寫，不能很好地順應(yīng)我校從研究型向應(yīng)用型轉(zhuǎn)型的理念。

2.5 課本知識(shí)結(jié)構(gòu)滯后，教學(xué)方法不夠靈活

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度大規(guī)模集成化，云計(jì)算、物互聯(lián)、大數(shù)據(jù)正在快速地改變?nèi)祟惖纳罘绞健Ｄ壳按蠖鄶?shù)教材介紹舉例的機(jī)型還是8086系列，相比其他機(jī)型8086結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單原理清晰，但與現(xiàn)實(shí)生活使用的機(jī)型還有很大的距離。在應(yīng)用型本科院校的學(xué)生培養(yǎng)模式上，引導(dǎo)學(xué)生了解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最新發(fā)展，了解的最新發(fā)展技術(shù)，在利用新技術(shù)的基礎(chǔ)上加入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，符合時(shí)代的需要。

3 教學(xué)改革與探索

3.1 合理組織教學(xué)內(nèi)容，以趣導(dǎo)學(xué)

計(jì)算機(jī)組成原理課程組的老師圍繞教學(xué)內(nèi)容開展過(guò)數(shù)次研討，在完成教學(xué)大綱的基本要求上，兼顧專業(yè)與應(yīng)用的需求，將課程重點(diǎn)放在補(bǔ)碼基本運(yùn)算、存儲(chǔ)器分層與Cache設(shè)計(jì)原理、指令系統(tǒng)、運(yùn)算與控制器、總線的設(shè)計(jì)上，重點(diǎn)內(nèi)容力爭(zhēng)講深、講透，再結(jié)合當(dāng)前熱門技術(shù)云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)中涉及的一些關(guān)鍵點(diǎn)，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，用理論闡述技術(shù)背后的原理。如云計(jì)算中虛擬節(jié)點(diǎn)與物理處理機(jī)的映射、虛擬存儲(chǔ)和物理存儲(chǔ)間的映射、物聯(lián)網(wǎng)通信同步與異步的處理方式等。我們按照從設(shè)計(jì)背景、設(shè)計(jì)思路著手，以通用基本原理、真實(shí)計(jì)算機(jī)舉例原理抽取、簡(jiǎn)單原理示例3個(gè)層次來(lái)逐層講解。計(jì)算機(jī)的部件發(fā)展受人類社會(huì)物質(zhì)發(fā)展的制約，從圖靈機(jī)到ENIAC，到8086機(jī)器，再到現(xiàn)在的云計(jì)算，一次次計(jì)算機(jī)軟硬件的飛躍，都有歷史背景的烙印和實(shí)際需求。在課堂上我們可以從背景、意義、設(shè)計(jì)思路入手，開拓學(xué)生視野，引起學(xué)生共鳴，再切入正題，做到水到渠成，沒(méi)有為講知識(shí)而講知識(shí)的突兀感。

通用基本原理是基礎(chǔ)，最重要的是要講清每個(gè)原理的穩(wěn)定性、通用性、思想性，這是學(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)。穩(wěn)定性是指原理不隨時(shí)間變遷而改變，通用性是指不隨具體機(jī)型而變化，思想性是指原理抓住一定的規(guī)律，通過(guò)思考，反復(fù)歸納總結(jié)才設(shè)計(jì)出的，這些都是學(xué)生一定要掌握的內(nèi)容。例如從1946年至今計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)依然沿用馮諾依曼架構(gòu)，講清楚它的架構(gòu)特點(diǎn)，并帶領(lǐng)學(xué)生去思考設(shè)計(jì)思路。

在具體的計(jì)算機(jī)終端設(shè)備舉例方面，不同樣式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，不同部件的設(shè)計(jì)，概括最基本結(jié)構(gòu)和工作原理，更多強(qiáng)調(diào)了解計(jì)算機(jī)當(dāng)前的技術(shù)水平和發(fā)展現(xiàn)狀，主要以Pentium機(jī)、移動(dòng)終端為主，甚至以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算為例；從典型案例中提取出所學(xué)原理，這樣既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又彌補(bǔ)了教材與實(shí)際的脫節(jié)，提高了這門課的使用價(jià)值。簡(jiǎn)明原理示例來(lái)自實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這個(gè)層次處在基本通用原理和真實(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)例這兩個(gè)層次之間，強(qiáng)調(diào)運(yùn)用學(xué)習(xí)到的基本原理知識(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一臺(tái)簡(jiǎn)單（易學(xué)、價(jià)廉）實(shí)例計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的方法與過(guò)程，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 采用多種教學(xué)方法

3.2.1 貫徹以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)課堂教學(xué)，以實(shí)例講解原理知識(shí)

講授每一個(gè)新內(nèi)容之前，教師針對(duì)上一節(jié)內(nèi)容簡(jiǎn)單扼要的總結(jié)，歸納出重要知識(shí)點(diǎn)，然后承上啟下地誘導(dǎo)出新內(nèi)容。提出“解決這樣的問(wèn)題該怎么辦”或者“既然用這一種方法來(lái)解決問(wèn)題存在著這樣缺點(diǎn)，那么，還有什么更先進(jìn)的方法”，或者“學(xué)了這幾種方法后，對(duì)比下哪個(gè)方法好，哪種方法差呢”等問(wèn)題，用問(wèn)題激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，再引出原理。如果學(xué)生認(rèn)為這些問(wèn)題依然很抽象，教師可以適當(dāng)從生活中舉例，請(qǐng)學(xué)生自己考慮如果解決生活中的實(shí)際問(wèn)題。通過(guò)提問(wèn)，讓學(xué)生主動(dòng)去思考解決的方法，對(duì)比自己思考的方法和書中提供的方法，再引導(dǎo)學(xué)生在不同的場(chǎng)景下選用不同的方法，從而形成良好的思維方式和思維方法。

3.2.2 綜合性的知識(shí)點(diǎn)采用翻轉(zhuǎn)課堂

課下提出精心準(zhǔn)備的問(wèn)題，課上放手讓學(xué)生自學(xué)或討論，既培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力，又能培養(yǎng)學(xué)生思考問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。例如 20世紀(jì)90年代Sun公司首席執(zhí)行官Scott McNealy曾提出了“網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)”的概念，結(jié)合課程中所講到的馮諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，讓學(xué)生討論這樣的問(wèn)題“網(wǎng)絡(luò)究竟是計(jì)算機(jī)嗎？你是如何理解的？”，會(huì)加深學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)各組件的結(jié)構(gòu)和工作方式的理解。

3.2.3 使用軟件仿真硬件功能

教師課堂講授計(jì)算機(jī)各部件的基本組成原理和工作原理時(shí)，也要注意理論知識(shí)的實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，結(jié)合專業(yè)學(xué)生的學(xué)科特點(diǎn)，使學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)與理性認(rèn)識(shí)結(jié)合起來(lái)，使用C語(yǔ)言模擬內(nèi)存、運(yùn)算器、指令系統(tǒng)的工作方式，仿真硬件功能，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，體會(huì)硬件工作的機(jī)理和復(fù)雜性。例如在運(yùn)算器教學(xué)環(huán)節(jié)，教師在講授完補(bǔ)碼，浮點(diǎn)數(shù)和定點(diǎn)數(shù)的溢出與運(yùn)算等后，可以要求學(xué)生思考如何用C語(yǔ)言編程來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)編寫程序，讓學(xué)生獨(dú)立完成整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，然后再講解書中使用硬件方法是如何來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這樣一種理論與實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)過(guò)程，讓學(xué)生親身體會(huì)過(guò)全過(guò)程，切身感受到硬件設(shè)計(jì)者的聰明才智，能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到較好的教學(xué)目的。

3.2.4 習(xí)題引導(dǎo)應(yīng)遵循循序漸進(jìn)、檢驗(yàn)所學(xué)、啟發(fā)思考的原則

選題時(shí)應(yīng)該注意題不一定要多，但需要具有代表性，使學(xué)生能舉一反三。習(xí)題一般應(yīng)由兩部分構(gòu)成，一是針對(duì)一些比較抽象、容易混淆的基本概念和基本原理而設(shè)計(jì)的習(xí)題；二是針對(duì)基本理論的操作和應(yīng)用而設(shè)計(jì)的習(xí)題。針對(duì)第二類習(xí)題通過(guò)組織學(xué)生討論、集體學(xué)習(xí)提出、不斷鍛煉學(xué)生的獨(dú)立思考問(wèn)題的能力。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)可從研究生入學(xué)真題中抽取應(yīng)用性強(qiáng)、適用性強(qiáng)的題進(jìn)行專題講解，幫助學(xué)生查漏補(bǔ)缺。教師在教學(xué)過(guò)程中也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的問(wèn)題，以達(dá)到單元教學(xué)的目的。

3.3 充分利用多樣教學(xué)手段

計(jì)算機(jī)組成原理課程中很多工作過(guò)程都是發(fā)生在芯片內(nèi)部，是黑盒過(guò)程——看不見摸不著，內(nèi)容很抽象，而且電路圖、時(shí)序圖也非常多。為了提高課堂教學(xué)效果，遵循“動(dòng)比靜好，圖比字好”的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行多媒體課件的制作。除了傳統(tǒng)的PPT文檔，靜態(tài)圖解之外，還可以采用flash動(dòng)畫、視頻動(dòng)畫、課程網(wǎng)站、教學(xué)APP、微課視頻制作等。動(dòng)態(tài)展現(xiàn)抽象知識(shí)，其較強(qiáng)的刺激作用有助于學(xué)生理解概念的本質(zhì)屬性，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的建構(gòu)。

3.4 改革考試方法，以考促教

目前計(jì)算機(jī)組成原理考試仍然采用閉卷考試，以期末成績(jī)作為最終結(jié)果。這種考試評(píng)價(jià)方式導(dǎo)致學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過(guò)程缺少動(dòng)力，在期末去找題做題背題，以此通過(guò)課程考試。這種學(xué)習(xí)方式是為了考試而學(xué)習(xí)，沒(méi)有達(dá)到課程開設(shè)的目的。作為一所應(yīng)用型大學(xué)，學(xué)習(xí)原理性的課程應(yīng)該重在應(yīng)用，用所學(xué)的原理去闡述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中遇到的各類問(wèn)題，而不是盯在概念的定義和原理的描述上。

計(jì)算機(jī)組成原理考試評(píng)價(jià)體制可采用過(guò)程化評(píng)價(jià)，重視課堂表現(xiàn)。在課堂上選取適當(dāng)?shù)漠?dāng)前熱點(diǎn)引發(fā)學(xué)生的思考和討論，或者對(duì)比書上介紹方法的優(yōu)缺點(diǎn)，何時(shí)應(yīng)用，你還有其他方法嗎？在課后布置一些學(xué)術(shù)熱點(diǎn)，利用學(xué)習(xí)的知識(shí)去分析它，或可設(shè)計(jì)編程題，用軟件編程模擬硬件功能。期末考試選擇開卷的方式，開了卷教師出題也更自由，會(huì)傾向綜合性更強(qiáng)，應(yīng)用性更強(qiáng)的題，“一題考一本書”的方式可以有機(jī)結(jié)合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)部件的功能，不再像之前只將各個(gè)知識(shí)點(diǎn)孤立開來(lái)學(xué)習(xí)。通過(guò)考試，促進(jìn)教師在教學(xué)過(guò)程和出題過(guò)程中不斷有了新的思考，同樣也要求教師的視野更加開闊，平時(shí)需要留心收集學(xué)術(shù)熱點(diǎn)和社會(huì)熱點(diǎn)，以及鍛煉系統(tǒng)整合能力；同樣也要求學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)靈活運(yùn)用，融會(huì)貫通。

4 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)組成原理是一門理論抽象、偏底層硬件架構(gòu)、實(shí)踐性很強(qiáng)、承上啟下的專業(yè)課程。要提高本課程的教學(xué)質(zhì)量，需要在理論和實(shí)踐課堂教學(xué)中下工夫、在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、考核方式上不斷研究和調(diào)整，結(jié)合社會(huì)實(shí)踐需要積極引導(dǎo)學(xué)生參與教學(xué)過(guò)程，將計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的最新發(fā)展、高性能計(jì)算技術(shù)引入到教學(xué)過(guò)程中。

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