李 銳，婁樹勇

(安徽科技學(xué)院 信息與網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

計(jì)算機(jī)組成原理課程是計(jì)算機(jī)類專業(yè)的專業(yè)核心課程，也是教育部列為計(jì)算機(jī)類專業(yè)七門公共核心基礎(chǔ)課程之一，同時(shí)也是高等院校計(jì)算機(jī)類碩士研究生入學(xué)考試專業(yè)課之一[1-2]。它的先導(dǎo)課程有模擬電子技術(shù)、數(shù)字邏輯、匯編語言等，后續(xù)課程有單片機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)原理、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等，因此“計(jì)算機(jī)組成原理”具有較高的專業(yè)地位和作用，在計(jì)算機(jī)類專業(yè)課程中具有承上啟下的功能[3]。隨著計(jì)算機(jī)硬件制造技術(shù)的不斷發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)功能越來越強(qiáng)，主要呈現(xiàn)兩極化發(fā)展趨勢(shì)：微型機(jī)和巨型機(jī)，其中微型機(jī)領(lǐng)域主要以Intel(Integrated Electronics Corporation) 或AMD (Advanced Micro Devices)處理和搭配微軟(Microsoft Windows)的Windows操作系統(tǒng)為主，但在巨型機(jī)領(lǐng)域我國超級(jí)計(jì)算機(jī)如神威系列、天河系列目前一直處于世界頂級(jí)水平。當(dāng)前，各國都在進(jìn)行新一代非馮諾依曼體系計(jì)算機(jī)的研發(fā)，其中以美國Google公司和中國科技大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)的量子計(jì)算機(jī)為代表，其計(jì)算能力與現(xiàn)有計(jì)算機(jī)相比呈幾何級(jí)數(shù)增加。高校人才培養(yǎng)目標(biāo)的內(nèi)在要求促使學(xué)校對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段和評(píng)價(jià)體系進(jìn)行改革和調(diào)整，從而培養(yǎng)出具有解決實(shí)際問題能力的應(yīng)用型人才。計(jì)算機(jī)組成原理作為一門研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成和工作原理的專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及到存儲(chǔ)器、處理器組成原理和邏輯結(jié)構(gòu)等，因此探討計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)改革與研究是十分必要的。

1 計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)現(xiàn)狀與分析

計(jì)算機(jī)組成原理課程是研究單個(gè)計(jì)算機(jī)完整硬件組成的基本原理和運(yùn)行原理，通常包括五大部分存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備[4-6]。在計(jì)算機(jī)類專業(yè)課程培養(yǎng)體系中，計(jì)算機(jī)組成原理課程概念、算法、專業(yè)術(shù)語較多，邏輯性強(qiáng)，對(duì)任課教師、學(xué)生而言存在一定的難度，許多學(xué)生對(duì)這門課產(chǎn)生強(qiáng)烈厭學(xué)情緒。目前大多數(shù)高校選用清華大學(xué)出版社蔣本珊老師編寫的《計(jì)算機(jī)組成原理(第4版)》或高等教育出版社唐朔飛教授編寫《計(jì)算機(jī)組成原理(第2版)》作為教材，這些教材都是采用計(jì)算機(jī)組成五大部分進(jìn)行內(nèi)容的組織以及采用自頂向下方式進(jìn)行編寫，五大部分之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 教學(xué)內(nèi)容之間的聯(lián)系

實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般采用西安唐都科教儀器公司開發(fā)的CMA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要包括存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)、運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)、控制器三個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)以及一個(gè)簡單模型機(jī)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。

綜上所述，目前計(jì)算機(jī)組成原理課程的先行課程基礎(chǔ)薄弱、實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段單一、新工科內(nèi)涵不足等，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)這門課主動(dòng)性差、興趣低。

2 計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)內(nèi)容改革

計(jì)算機(jī)組成原理課程主要涉及到概述、存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器和外部設(shè)備5個(gè)方面。課程概述方面主要涉及計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程和趨勢(shì)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟硬系統(tǒng)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)；存儲(chǔ)器這部分主要涉及存儲(chǔ)器系統(tǒng)、主存儲(chǔ)器、高速緩沖存儲(chǔ)器和虛擬存儲(chǔ)器等；控制器部分主要涉及指令系統(tǒng)、微指令設(shè)計(jì)和微控制器原理，這部分安排理論學(xué)時(shí)16學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)；外部設(shè)備部分主要講解輸入輸出系統(tǒng)、控制方式和總線系統(tǒng)，安排理論課時(shí)8學(xué)時(shí)。另外為提高學(xué)生對(duì)中央處理(CPU)工作原理的深入了解，安排16課時(shí)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課。綜上所述，改革后的計(jì)算機(jī)組成原理課程理論學(xué)時(shí)52學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課設(shè)置為28個(gè)學(xué)時(shí)，其中包括4個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及20學(xué)時(shí)的課程設(shè)計(jì)，具體安排如表1、表2和表3所示。

表1 計(jì)算機(jī)組成原理理論課教學(xué)安排

表2 計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)安排

表3 計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)安排

3 計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)方法改革

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成原理課程使用板書和PPT演示向?qū)W生傳授專業(yè)知識(shí)，教學(xué)活動(dòng)以任課教師為中心、學(xué)生被動(dòng)式地學(xué)習(xí)，從而導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性低、參與度不高。為此，在計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)中采用當(dāng)前主流的OBE(Outcomes-Based Education)教學(xué)模式，即基于學(xué)習(xí)的成果導(dǎo)向教育模式[7-8]，在教學(xué)組織形式上采用線上線下混合式教學(xué)，即在線上利用網(wǎng)絡(luò)渠道向?qū)W生進(jìn)行授課和在線下使用傳統(tǒng)課堂教學(xué)方式相結(jié)合的教學(xué)形式[9-10]。改革后的計(jì)算機(jī)組成原理課程理論教學(xué)采用嵌入思政元素的教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容，采用啟發(fā)式教學(xué)模式，課堂上鼓勵(lì)學(xué)生走上講臺(tái)講解一些與專業(yè)知識(shí)相關(guān)的科技前沿，既改變學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)自覺學(xué)習(xí)，又激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和培養(yǎng)學(xué)生樹立為國家計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展做貢獻(xiàn)的遠(yuǎn)大理想。計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)利用計(jì)算機(jī)組成原理綜合實(shí)驗(yàn)箱，首先讓學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的知識(shí)原理，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書對(duì)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行簡單的連線，最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行機(jī)械式的操作，因此在實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中學(xué)生很難掌握硬件基礎(chǔ)知識(shí)。改革后的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課以設(shè)計(jì)CPU為核心內(nèi)容，軟件方面采用EDA設(shè)計(jì)軟件并使用硬件描述語言VHDL或Verilog HDL、硬件方面采用可編程邏輯器件FPGA或CPLD作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[11-12]。學(xué)生使用硬件描述語言在可編程邏輯器件中對(duì)計(jì)算機(jī)核心組成部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，極大地提高了對(duì)理論知識(shí)的理解與應(yīng)用，改變了以往實(shí)驗(yàn)箱為主的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中可以讓學(xué)生了解工業(yè)設(shè)計(jì)軟件EDA以及可編程邏輯單元FPGA在目前工業(yè)生產(chǎn)中的作用，結(jié)合國外為了遏制我國芯片以及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，禁止中方相關(guān)企業(yè)使用外國EDA軟件和可編程邏輯單元FPGA事件，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情、激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷，自覺投身于國家建設(shè)和民族復(fù)興之中。課余時(shí)間帶領(lǐng)學(xué)生去科技企業(yè)和研究院所實(shí)地參觀和考察，增強(qiáng)同學(xué)們對(duì)硬件行業(yè)科技發(fā)展趨勢(shì)的把握。

4 計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)評(píng)價(jià)改革

教學(xué)評(píng)價(jià)是反映和檢測任課教師教學(xué)效果和教學(xué)狀態(tài)的手段，一般分為主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)，其中主觀評(píng)價(jià)包括同行評(píng)議、教學(xué)督導(dǎo)評(píng)價(jià)、學(xué)生評(píng)價(jià)，客觀評(píng)價(jià)包括教學(xué)測驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)完成度、考試成績等。改革后計(jì)算機(jī)組成原理課程采用客觀量化方法進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)[13-14]?？陀^評(píng)價(jià)體系由平時(shí)考勤成績、階段性測試成績、實(shí)驗(yàn)完成成績和期末考試成績組成。改革后課程教學(xué)效果具體考核細(xì)則如表4所示，計(jì)算公式如下所示：

表4 考核方式以及評(píng)分細(xì)則

平時(shí)成績(C1)=(平時(shí)考勤×0.3+平時(shí)測試×0.3+實(shí)驗(yàn)成績×0.4)×0.5

(1)

期末成績(C2)=期末考試成績×0.5

(2)

總體教學(xué)效果評(píng)分(S)由學(xué)生平時(shí)成績平均分和期末考試成績平均分構(gòu)成

(3)

5 計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)管理改革

為了加強(qiáng)教學(xué)管理工作，密切與班級(jí)輔導(dǎo)員、班主任的溝通并制定嚴(yán)化、細(xì)化考勤制度，培養(yǎng)學(xué)生誠信意識(shí)、法治觀念。課堂教學(xué)管理是任課老師是否能夠有效組織教學(xué)活動(dòng)的關(guān)鍵，通常包括三個(gè)方面：課堂教學(xué)環(huán)境管理、課堂教學(xué)秩序與紀(jì)律管理、課程教學(xué)氛圍管理[15-17]。高校課堂管理能力是涵蓋人文素養(yǎng)、專業(yè)知識(shí)、心理學(xué)、管理學(xué)、溝通力等多種能力的學(xué)問，如果任課老師沒有較強(qiáng)課堂教學(xué)管理能力就無法有效地進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)，因此任課老師必須要嚴(yán)于律己、不斷提高綜合能力、加強(qiáng)思想政治覺悟。為此，對(duì)課堂教學(xué)管理實(shí)施如下措施，首先，在上課前言明課堂紀(jì)律，營造良好的課堂環(huán)境，做到課堂氣氛活潑但有紀(jì)律，讓學(xué)生養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。對(duì)于上課玩手機(jī)的同學(xué)強(qiáng)制要求上課期間上交手機(jī)，由學(xué)習(xí)委員保管，對(duì)于上課聊天的同學(xué)安排坐在前排，對(duì)于睡覺的同學(xué)通報(bào)給其班級(jí)輔導(dǎo)員并對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)厲的批評(píng)，從思想上讓其認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的重要性。其次，嚴(yán)格并細(xì)化考勤制度，做到曠課、遲到、早退及時(shí)通報(bào)，完善請(qǐng)假手續(xù)，按時(shí)按量完成各項(xiàng)作業(yè)任務(wù)，尤其對(duì)黨員、班干部要加強(qiáng)紀(jì)律管理切不可破壞教學(xué)秩序和紀(jì)律，從而讓學(xué)生建立起制度思維和自我管理能力。再次，采用啟發(fā)式教學(xué)模式，鼓勵(lì)學(xué)生走上講臺(tái)講授和討論一些基本概念和算法，激勵(lì)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)產(chǎn)生質(zhì)疑并通過互動(dòng)交流解決疑問，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)知識(shí)鉆研精神、孜孜不倦的科學(xué)精神。課后，教師發(fā)布課后作業(yè)或課后測試，通過批改學(xué)生的作業(yè)或課后測試題了解和掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，進(jìn)而確認(rèn)教學(xué)效果。對(duì)于整體完成度不高的同學(xué)，可以通過短信、QQ或者微信等通信工具與學(xué)生進(jìn)行一對(duì)一的溝通和交流，及時(shí)地給予學(xué)生學(xué)習(xí)上的幫助和指導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)。與此同時(shí)，加強(qiáng)和輔導(dǎo)員、班主任的溝通，及時(shí)了解學(xué)生反饋的意見與建議，對(duì)于富有建設(shè)性的建議給予一定精神和物質(zhì)獎(jiǎng)勵(lì)，從而不斷改善任課老師的教學(xué)管理水平。

6 結(jié)論

計(jì)算機(jī)組成原理課程作為計(jì)算機(jī)類專業(yè)的核心課，具有較高的專業(yè)地位和無法替代的作用，是溝通軟件與硬件之間的橋梁。一方面，為了提高本科應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量，全面提高計(jì)算機(jī)組成原理課程在應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的作用；另一方面，目前在處理器以及半導(dǎo)體領(lǐng)域，中美雙方企業(yè)展開了激烈的競爭與較量，計(jì)算機(jī)組成原理課程作為一門研究計(jì)算機(jī)芯片的專業(yè)基礎(chǔ)課，擔(dān)負(fù)著為社會(huì)培養(yǎng)專業(yè)能力強(qiáng)的高質(zhì)量應(yīng)用型人才。因此，通過從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)評(píng)價(jià)、教學(xué)管理等多個(gè)方面對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程進(jìn)行教學(xué)改革與研究，旨在提高本門課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，從而達(dá)到應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)目標(biāo)。