張策 李劍雄 呂為工 華棟

摘 要：計算機組成原理課程教學(xué)存在原理性內(nèi)容抽象晦澀、知識內(nèi)容更新進度緩慢、教學(xué)難度大等制約學(xué)習(xí)效果的問題，該課程是培養(yǎng)設(shè)計與實現(xiàn)完整計算機系統(tǒng)綜合性能力的基礎(chǔ)性核心課程，需不斷面向時代發(fā)展改革課程教學(xué)。提出以學(xué)生為中心的教學(xué)綜合改革方案。在教師教學(xué)“過三關(guān)”的基礎(chǔ)上，即基本功夫關(guān)、教學(xué)改革關(guān)與信息化教學(xué)關(guān)，從3個層面實施改革方案。從理論知識到物理實現(xiàn)層面，注重開展將理論內(nèi)容轉(zhuǎn)換為物理實現(xiàn)的教學(xué)，做到理論聯(lián)系實際;從經(jīng)典模型到現(xiàn)實構(gòu)造層面，注重開展將經(jīng)典馮·諾依曼計算機模型轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實計算機構(gòu)造的教學(xué);從線下教學(xué)到混合式教學(xué)層面，注重開展基于MOOC的混合式教學(xué)。

關(guān)鍵詞：計算機組成原理;以學(xué)生為中心;教學(xué)綜合改革;混合式教學(xué)

DOI：10. 11907/rjdk. 192039 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

中圖分類號：G434文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）002-0198-04

英標：Computer Organization Course Teaching Reform Based on Student-centered Perspective

英作：ZHANG Ce1，2， LI Jian-xiong2，LV Wei-gong2， HUA Dong2

英單：（1. Deans Office， Harbin Institute of Technology（Weihai）;2. School of Computer Science and Technology， Harbin Institute of Technology（Weihai）， Weihai 264209， China）

Abstract：Aiming at the problems of abstract and obscure principled content， slow update of knowledge content and difficult teaching in the teaching of computer organization， this paper puts forward a comprehensive reform plan of teaching from the student-centered perspective. Firstly，it points out that teachers teaching needs to go through three levels， namely， basic kung fu， teaching reform and information-based teaching. From the level of theoretical knowledge to physical realization， we should pay attention to the teaching of transforming theoretical content into physical realization， so as to combine theory with practice. From the level of classical model to the reality construction， we pay attention to the teaching of transforming the classical Von Neumann computer model to the reality computer construction， from offline teaching to mixed teaching， focus on developing mixed teaching based on MOOC. “Computer composition principle” is a basic core course to cultivate the comprehensive ability of designing and realizing a complete computer system.

Key Words：computer organization;student-centered perspective;comprehensive reform of teaching;blended learning

0 引言

1946年2月14日誕生于美國賓夕法尼亞大學(xué)的人類第一臺電子數(shù)字積分計算機（Electronic Numerical Integrator And Computer，ENIAC）距今已超過70年，其發(fā)展形態(tài)經(jīng)歷了17世紀手搖臺式計算裝置、1944年哈弗大學(xué)與IBM聯(lián)合研制的MARKI，再發(fā)展至圖靈機、ENIAC、馮·諾依曼的EDVAC方案。由其歷史可知，計算機基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)家提出的模型和二進制數(shù)據(jù)，物理學(xué)家和機械學(xué)家再據(jù)此創(chuàng)造和發(fā)展。1964年Amdahl提出計算機體系結(jié)構(gòu)，促進了計算機科學(xué)家和計算機專業(yè)人才發(fā)展。歷經(jīng)3次信息化浪潮，即計算機、互聯(lián)網(wǎng)，到今天的物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動物聯(lián)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)+，計算機知識和技術(shù)呈現(xiàn)爆炸式增長。

計算機組成原理課程主要講授計算機基本組織結(jié)構(gòu)與運行原理，內(nèi)容抽象、講授和學(xué)習(xí)難度大[1-5]。課程教學(xué)中，如果不能結(jié)合實物計算機進行講授，難以講清計算機的物理實現(xiàn)，很容易落入“照本宣科”的窠臼。教學(xué)還面臨著“經(jīng)典與流行的矛盾”、“歷史與實現(xiàn)的矛盾”、“理論與實際的矛盾”、“線上與線下的矛盾”。針對以上問題，本文提出以學(xué)生為中心的課程教學(xué)綜合改革方案。

本課題組從學(xué)生視角開展課程教學(xué)改革，在以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力與解決實際問題的能力為主的思想指導(dǎo)下，形成由理論課、實驗課、在線課堂、計算機設(shè)計與實踐構(gòu)成的課程體系，使學(xué)生系統(tǒng)理解計算機硬件系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)與工作原理，掌握計算機硬件系統(tǒng)基本分析與設(shè)計方法，建立計算機系統(tǒng)整體概念。

1 課程教學(xué)改革總體思路

計算機組成原理課程改革是計算機類專業(yè)核心課程改革重點，是教育者關(guān)注焦點。文獻[1]對該課程教學(xué)實施方案總體框架進行論述，指出了目標與定位、教學(xué)內(nèi)容組織、重點難點、教學(xué)實驗等方面的關(guān)注點，為教學(xué)改革提供了較好的指導(dǎo)。本文在此基礎(chǔ)上，進一步提煉出教學(xué)實施過程中的3個維度，聚焦學(xué)生學(xué)習(xí)效果的提升;劉旭東等[2]改進了課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，闡述了課程能力培養(yǎng)定位與啟發(fā)式教學(xué)方法的應(yīng)用。相比之下，文獻[3]側(cè)重于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，從創(chuàng)新教學(xué)方法與改善實驗教學(xué)提高教學(xué)質(zhì)量;文獻[4]側(cè)重于課程教學(xué)改革思路的探索，在內(nèi)容、方法和手段等方面進行改革，取得了一定效果。這些前期工作為課程教學(xué)改革提供了很好的借鑒，推動了課程教學(xué)不斷優(yōu)化。本文以學(xué)生為中心視角，對教師提出3項具體教學(xué)要求，并從綜合改革的3個維度，論述課程教學(xué)改革實施內(nèi)容。

課程教學(xué)改革的首要條件是課程組教師需要“過三關(guān)”，即基本功夫關(guān)、教學(xué)改革關(guān)和信息化教學(xué)關(guān)：①基本功夫關(guān)指能講解清楚課程原理、知識，形成條理清晰的授課脈絡(luò);②教學(xué)改革關(guān)指能提出課程教學(xué)改革思路，形成至少一個層面（例如內(nèi)容體系層面、教學(xué)方法層面）的系統(tǒng)化教學(xué)改革思路;③信息化教學(xué)關(guān)指能開展基于MOOC的線上教學(xué)，或運用智慧教學(xué)輔助工具開展課堂教學(xué)等，形成信息化教學(xué)改革的自我見解。

本文提出以學(xué)生為中心，從3個層面實施改革。

（1）從理論知識到物理實現(xiàn)層面。注重把原理性和知識性的教學(xué)內(nèi)容，轉(zhuǎn)化為物理實現(xiàn)層面的講解，幫助學(xué)生更加透徹地理解和掌握課程內(nèi)容。

（2）從經(jīng)典模型到現(xiàn)實構(gòu)造層面。注重把課程中以經(jīng)典的馮·諾依曼計算機模型為線索的講授，融入至當代多種計算機的現(xiàn)實構(gòu)造中，幫助學(xué)生更清晰地理解和掌握計算機組成與運行原理。

（3）從線下教學(xué)到混合式教學(xué)層面。注重把基于MOOC的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源融合到課堂教學(xué)中，開展混合式教學(xué)，幫助學(xué)生有效提升問題解決思維與能力。

教學(xué)改革目標從培養(yǎng)學(xué)生的視角出發(fā)，要求學(xué)生掌握通用計算機基本組成、運行原理，具備識別、分析生活與科研中各類計算機的基本能力，可基本設(shè)計、實現(xiàn)和開發(fā)基于FGPA或開源硬件的實驗機，具有軟硬件協(xié)同開發(fā)與調(diào)試的系統(tǒng)性能力，為解決復(fù)雜工程問題打下堅實基礎(chǔ)。

2 從理論知識到物理實現(xiàn)層面

把CPU、內(nèi)存、I/O接口等描述成框架，以邏輯形式講述有屏蔽的內(nèi)部細節(jié)，便于學(xué)生從整體上把握課程內(nèi)容，但也存在很大弊端，如學(xué)生不知曉具體原理，理論根基不牢，尤其是偏向物理層面的原理，無法做到理論聯(lián)系實際，難以靈活變通運用。下文通過具體教學(xué)案例進行闡釋。

2.1 總線通信

目前通用教材更多地從理論層面、邏輯層面闡述知識。例如，很多教材關(guān)于總線通信唯一性的描述為：“在某一時刻，只允許有一個部件向總線發(fā)送信息，而不允許有多個部件同時向總線發(fā)送信息”。深入思考后，學(xué)生會有兩個問題：①某一時刻，為什么只允許一個部件向總線上發(fā)送信息？②部件如何向總線上發(fā)送信息？

對于第一個問題，常規(guī)解釋是多個部件同時向總線上發(fā)送信息會導(dǎo)致“信息碰撞”（如圖1-a所示），但該解釋沒有清楚、具體地闡述原因;對于第二個問題，常見解釋是總線上的主設(shè)備具有該能力。主設(shè)備指能夠改變總線電平值的設(shè)備，如果多個主設(shè)備同時改變總線上的電平值，則總線上的電平值顯然是不確定的，當然其表示的數(shù)據(jù)也是不確定的，這就是“信息碰撞”。

2.2 總線、插槽、板卡與接口的關(guān)系

以系統(tǒng)總線為例，它指“CPU、主存、I/O設(shè)備（通過I/O接口）各大部件之間的信息傳輸”[6]，在講解該基本功能的基礎(chǔ)上，需闡述清楚4個重要問題。

（1）總線的三大功能：連接計算機各大部件，并實現(xiàn)相互之間的通訊，以及由此衍生出相互連接的總線標準（ISA總線、EISA總線、PCI總線等）。

（2）總線本身不具備存儲能力，只能用來通信，即總線上主設(shè)備只有持續(xù)地向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，總線上才有數(shù)據(jù)，否則總線數(shù)據(jù)不確定（因總線數(shù)據(jù)由電平值確定）。

（3）總線通信的唯一性。學(xué)生知曉不允許有多個主設(shè)備同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，但不理解如何確保或?qū)崿F(xiàn)這種唯一性。此時，教學(xué)中需講透三態(tài)相關(guān)內(nèi)容，特別是用三態(tài)實現(xiàn)總線通信的唯一性，如圖1（b）所示。當三態(tài)門斷開時，經(jīng)由三態(tài)門掛在總線上的設(shè)備自然處于高阻狀態(tài);當三態(tài)門連通時，設(shè)備可向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以接收數(shù)據(jù)，可以是高電平也可以是低電平，因而具有3種狀態(tài)。

（4）總線、插槽、板卡的關(guān)系。總線（例如系統(tǒng)總線）在主板上對外暴露出來的插槽供板卡（目前很多板卡已演變?yōu)榧尚酒男问剑┎暹M去，如圖1（c）所示。

理解“總線+接口”至關(guān)重要。例如，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)中，嵌入式CPU通常有很多內(nèi)置接口和對外暴露出的引腳（總線），用戶也可自行設(shè)計和實現(xiàn)總線，對接口的操作常體現(xiàn)在驅(qū)動程序的開發(fā)中。

2.3 二進制數(shù)據(jù)表示方法

二進制代碼是由兩個基本字符0、1組成的代碼，但大多數(shù)教材對二進制代碼是如何構(gòu)成的卻甚少進行系統(tǒng)性解釋。計算機不同部件可表示0與1的不同，表征為計算機組成原理的一種解釋，如表1所示。

2.4 海明碼與CRC碼應(yīng)用

在講授信息校驗相關(guān)內(nèi)容時，需講解海明碼（漢明碼）與CRC碼（循環(huán)冗余校驗碼）。一般教學(xué)通常從數(shù)學(xué)原理出發(fā)指出兩種編碼用于發(fā)送與接收，尤其是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信之間。這種教學(xué)具有局限性，使學(xué)生對問題的理解僅停留在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上。事實上，兩種信息校驗方法并不僅限于位于網(wǎng)絡(luò)上A、B兩個計算機設(shè)備，在單獨一臺計算機和日常生活中也經(jīng)常使用。例如，等效于信息發(fā)送（編碼）的過程還有寫入文件存硬盤、壓縮、刻錄光盤、復(fù)制等，均為編碼;等效于信息接收（解碼驗證）的過程還有從硬盤讀出文件、解壓縮、讀光盤、粘貼等，均為解碼校驗。

2.5 其它

在計算機組成原理課程教學(xué)中有較豐富的內(nèi)容可從書本中的理論聯(lián)系到物理實際。例如，總線工作時序圖與嵌入式開發(fā)中編寫接口的驅(qū)動程序緊密相關(guān);內(nèi)存數(shù)據(jù)存儲的大端模式、小端模式與程序跨平臺（CPU+操作系統(tǒng)）移植緊密相關(guān);系統(tǒng)接口芯片，如中斷控制器8259A、DAMA控制器8237與電腦主板的南北橋芯片，到現(xiàn)在的集成芯片組緊密相關(guān);CPU對進程的管理與操作系統(tǒng)內(nèi)核移植緊密相關(guān);RISC、CISC與當前流行的ARM嵌入式處理器、MIPS處理器緊密相關(guān)。

在計算機組成原理課程教學(xué)中，只有通過理論聯(lián)系實際教學(xué)方法，才能把抽象的、不容易理解和掌握透徹的原理性內(nèi)容闡述清楚，幫助學(xué)生從根本上掌握計算機組成與工作原理，提升學(xué)生創(chuàng)新能力。

3 從經(jīng)典模型到現(xiàn)實構(gòu)造層面

從馮·諾依曼計算機模型到具體的計算機實現(xiàn)，存在一定差距?，F(xiàn)代計算機總體上是按照經(jīng)典馮·諾依曼計算機模型設(shè)計和實現(xiàn)的，但在物理現(xiàn)實布局上已有所不同，這種不同表現(xiàn)為臺式機、筆記本、嵌入式計算機、超級計算機等的構(gòu)造均存在差異。

3.1 計算機組成

在計算機組成原理課程教學(xué)中，要把抽象的計算機組成（CPU+內(nèi)存+I/O接口+總線）映射到具體的計算機中，包括臺式機（包括品牌機和組裝機）、筆記本、各種嵌入式計算機（從簡單的微控制單元MCU“單片機”到以ARM嵌入式CPU為核心的嵌入式計算機）、工控機、PLC，甚至包括超級計算機——“天河二號”、“神威·太湖之光”，進而引申出下一代量子計算機等。

多數(shù)教材關(guān)于計算機組成的教學(xué)內(nèi)容通常指出，微型計算機由微處理器、主存儲器、I/O接口和系統(tǒng)總線組成，還包括支持微計算機基本運行的BIOS等，該類講述缺少歷史到現(xiàn)實的映射，學(xué)生在購買組裝計算機時，依然搞不清楚Intel 酷睿i7處理器、主板、集成芯片組（包括早前的北橋芯片組、南橋芯片組）、DDR4內(nèi)存條、二級Cache、固態(tài)硬盤等具體的當代計算機構(gòu)成。

3.2 系統(tǒng)接口、端口與驅(qū)動程序

計算機組成原理、計算機接口技術(shù)等課程均含有對中斷的定義、原理和過程講解等，后者還特別對8259A芯片進行介紹。很多學(xué)生不明白二者的關(guān)聯(lián)。因此需為學(xué)生講解清楚系統(tǒng)接口在當代計算機的實現(xiàn)：在“我的電腦”右鍵彈出菜單中直接或間接找到“設(shè)備管理器”，再找到“系統(tǒng)設(shè)備”，可以找到“可編程中斷控制器（Programmable Interrupt Controller）”。此處可以看到中斷控制器需要驅(qū)動程序的驅(qū)動才能工作（驗證硬件在軟件控制下的工作原理），也能看到其作為接口設(shè)備內(nèi)部有大量端口，如圖2所示。

Zhang[7]還提出類似的教學(xué)，如虛擬內(nèi)存VM（Virtual Memory）的講解。

3.3 主機講解

計算機由多種部件構(gòu)成，其中關(guān)于“主機”的理解在課程學(xué)習(xí)中至關(guān)重要，為了方便教學(xué)，制作如表2所示的內(nèi)容以便進行對比。

關(guān)于CPU功能的理解，考慮到教學(xué)進度與學(xué)生的理解情況，需在不同章節(jié)有不同詳細程度的講解，如表3所示。

特別注意的是，有時看似合情合理的比喻或形象的說法，實際上會帶來負面效果。例如，“CPU到內(nèi)存去讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)”的說法雖比較形象，但卻掩蓋了很多過程和細節(jié)，使學(xué)生難以正確理解目標內(nèi)容。CPU需要按照總線讀寫周期與內(nèi)存進行通信，二者按照規(guī)定的讀時序和寫時序共同完成一次讀操作及寫操作。因此，抽象需恰到好處，合理運用。

4 線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)

開展基于“國家首批精品在線開放課程”計算機組成原理MOOC混合式教學(xué)研究與實踐，是適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)時代教育教學(xué)新要求、探索信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的重要嘗試，是課堂教學(xué)實施參與式、互動性研討型教學(xué)改革的具體內(nèi)容。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院是中國高校計算機教育MOOC聯(lián)盟在全國遴選出的13所試點學(xué)院之一，以該校計算機學(xué)院開展MOOC教學(xué)建設(shè)為抓手，基于前期研究成果[8-10]，本課程在試點學(xué)院的統(tǒng)一要求與指導(dǎo)下開展各項工作，重點是專業(yè)核心課程大班化混合式教學(xué)改革。為了改革教學(xué)模式與教學(xué)方法，引領(lǐng)課程教學(xué)整體創(chuàng)新，從2016年秋季學(xué)期開展，課程組已連續(xù)開展了3年基于SPOC的混合式教學(xué)，初步探索出線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)范式，特別是在大班化啟發(fā)式、互動性研討型教學(xué)改革上取得了重要進展，為MOOC時代專業(yè)課程教學(xué)改革提供了先例。在3年混合式改革的基礎(chǔ)上，將進一步完善以大班化啟發(fā)式、互動性研討型教學(xué)為核心的線上線下混合式教學(xué)模式，提出成熟可行的、完整的教學(xué)改革實施方案，探索基于MOOC的計算機教學(xué)新模式，為計算機專業(yè)教學(xué)與人才培養(yǎng)進行更多探索。

5 結(jié)語

計算機組成原理課程是一門專業(yè)核心課程，對于提高軟硬件協(xié)同開發(fā)與調(diào)試能力至關(guān)重要。本文針對該課程教學(xué)現(xiàn)狀，提出以學(xué)生為中心的教學(xué)綜合改革方案，從理論知識到物理實現(xiàn)、從經(jīng)典模型到現(xiàn)實構(gòu)造、從線下教學(xué)到混合式教學(xué)3個層面對模型進行闡釋，以期為課程教學(xué)改革提供參考。下一步將結(jié)合基于MOOC/SPOC/翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，深入研究課程線上線下混合式教學(xué)模式改革與實踐措施。

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（責任編輯：江 艷）