王 俐

（貴州理工學(xué)院大數(shù)據(jù)學(xué)院，貴州 貴陽 550003）

1 引言

計算機(jī)組成原理是網(wǎng)絡(luò)工程、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)空間安全等計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的專業(yè)核心課程。課程主要是站在硬件的角度上側(cè)重講授計算機(jī)組成的一般原理，闡述計算機(jī)基本部件的構(gòu)成和組織方式，使學(xué)生形成計算機(jī)的整體概念。

從高校計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的課程體系來看，計算機(jī)組成原理是一門理論性很強(qiáng)的課程，它的先修課程為數(shù)字電路技術(shù)，后續(xù)課程為計算機(jī)基礎(chǔ)、操作系統(tǒng)、編譯原理等，如圖1所示。作為一門承上啟下的專業(yè)課程，該課程在計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的教學(xué)中占有十分重要的地位和作用，基本上國內(nèi)所有高校都將該門課程列為相關(guān)專業(yè)必修課，也是大部分計算機(jī)專業(yè)的考研課程，其重要程度可見一斑。但就學(xué)生的普遍反映來說，這門課程的學(xué)習(xí)難度大，教學(xué)成效有待進(jìn)一步提升。

圖1 計算機(jī)組成原理在課程體系中的位置

2 課程教學(xué)現(xiàn)狀

一方面，各學(xué)校在教學(xué)上很重視計算機(jī)組成原理課程，因其具有涉及知識點(diǎn)多、難度大、內(nèi)容抽象[1]等特點(diǎn)，課時普遍安排多；另一方面，在教學(xué)效果上很多時候難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，總結(jié)起來存在以下困難：

（1）課程授課教師的講授難度大。計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對過去沒有接觸過太多計算機(jī)基礎(chǔ)知識的學(xué)生而言，內(nèi)容多、細(xì)節(jié)多、難點(diǎn)多，教師如何將計算機(jī)原理講解透徹，如何讓學(xué)生在整個課程的學(xué)習(xí)中保持興趣，還存在一定難度。

（2）當(dāng)前各高校針對此門課程的教學(xué)手段普遍較為單一[2]。各高校對此門課程多采用PPT加黑板板書的傳統(tǒng)講授方式，如果教師本身對課程的理解不夠透徹，往往只根據(jù)教材照本宣科，更加難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

（3）對本科階段的學(xué)生而言，大多數(shù)學(xué)子的硬件基礎(chǔ)還較為薄弱，會感覺到學(xué)習(xí)難度大，而教學(xué)過程中如果缺乏有效的激勵措施，部分學(xué)生很可能因?qū)W習(xí)受挫而對課程喪失興趣。

（4）學(xué)生因不了解計算機(jī)組成原理在計算機(jī)專業(yè)課程體系中的地位，對課程的重視程度不夠?，F(xiàn)在的普遍現(xiàn)狀是，學(xué)生一般對更為實(shí)用的軟件框架具有較高的熱情，從而表現(xiàn)出更愿意把時間和精力放在軟件類課程的學(xué)習(xí)偏好[3]，對計算機(jī)組成原理課程投入不足，學(xué)習(xí)效果不佳。

3 課程教學(xué)改革的思考

3.1 突出教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)

計算機(jī)組成原理課程以馮?諾依曼計算機(jī)中的存儲器、計算器、控制器及輸入、輸出設(shè)備五大部件入手進(jìn)行講授。通過對各部件的結(jié)構(gòu)與功能的層層細(xì)化，在邏輯上進(jìn)行自上而下的知識點(diǎn)分解，提煉教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)，讓學(xué)生對計算機(jī)的整體構(gòu)造與原理有深刻的理解，如圖2所示。對于存儲器，重點(diǎn)掌握靜態(tài)隨機(jī)存儲器與動態(tài)隨機(jī)存儲器存儲信息的原理、高速緩沖存儲器的作用及地址映射的概念，使學(xué)生真正建立起不同存儲器組成具有層次結(jié)構(gòu)的存儲系統(tǒng)概念。對于輸入輸出系統(tǒng)，重點(diǎn)掌握輸入輸出設(shè)備與主機(jī)信息傳送的程序查詢、程序中斷及直接存儲器存取三種控制方式的工作流程，加深學(xué)生對整機(jī)工作的理解。對于由計算器和控制器組成的中央處理器，重點(diǎn)掌握數(shù)的編碼方式、數(shù)的定點(diǎn)表示與運(yùn)算、數(shù)的浮點(diǎn)表示與運(yùn)算、中央處理器的功能與組成、指令周期分析、指令的尋址方式及控制單元。對于總線系統(tǒng)，重點(diǎn)掌握總線的概念、總線判優(yōu)控制及總線通信控制，讓學(xué)生深刻理解總線系統(tǒng)在計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)中的作用。

圖2 教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容分解

學(xué)生通過對課程重要知識點(diǎn)的掌握，能理解計算機(jī)系統(tǒng)中各部件的組成與工作原理及各部件的互聯(lián)方式，能理解計算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)，掌握軟硬件之間指令系統(tǒng)的原理，能運(yùn)用計算機(jī)組成的相關(guān)知識解決計算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際問題，并對各部件進(jìn)行簡單的設(shè)計與分析。

3.2 混合教學(xué)模式的實(shí)施

教學(xué)絕不能僅僅停留在課堂本身，根據(jù)教學(xué)規(guī)律可知，沒有好的課前準(zhǔn)備和課后鞏固，僅僅在課堂內(nèi)的有限時間進(jìn)行學(xué)習(xí)，效果往往不佳，更難以入腦入心。必須把學(xué)習(xí)的全流程管理作為課程教學(xué)改革的主要抓手，課前、課中、課后協(xié)調(diào)配合，師生共同努力，切實(shí)提升教學(xué)效果[4]。

（1）課前導(dǎo)學(xué)環(huán)節(jié)

根據(jù)當(dāng)前的教育發(fā)展趨勢，線上資源越來越充沛，不僅有課本上的知識點(diǎn)，拓展的內(nèi)容更是十分豐富，且不局限于國內(nèi)，全世界很多高校和教育機(jī)構(gòu)提供了大量的相關(guān)音視頻和文字材料。和過去相比，現(xiàn)在的主要問題不是資訊不足而是內(nèi)容太多，學(xué)生在選擇時可能會感到無所適從，出現(xiàn)盲目學(xué)習(xí)但效率不高的情況。因此課前導(dǎo)學(xué)主要的工作要點(diǎn)是教師課前在浩瀚的學(xué)習(xí)資源中篩選出最適合學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度和水平的內(nèi)容，可以采取上線預(yù)習(xí)的方式，結(jié)合課程所要講授的內(nèi)容，提前給學(xué)生布置MOOC上相關(guān)課程的視頻資源進(jìn)行觀看學(xué)習(xí)，并通過在雨課堂上或其他輔助教學(xué)平臺發(fā)布預(yù)習(xí)題，幫助學(xué)生更好地掌握課前預(yù)習(xí)的內(nèi)容。

（2）課堂教學(xué)環(huán)節(jié)

課堂教學(xué)可以更多地采取多媒體教學(xué)方式，特別是通過制作更加形象直觀的PPT動態(tài)演示以及靈活運(yùn)用思維導(dǎo)圖等工具，幫助學(xué)生能深入理解課程中的知識點(diǎn)。對于重要知識，在輔助教學(xué)平臺上發(fā)布課堂試題，隨時查看學(xué)生做題情況，更有針對性地進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容講解，能使學(xué)生更好地掌握相關(guān)知識。

（3）課后指導(dǎo)環(huán)節(jié)

課后環(huán)節(jié)也是教學(xué)過程中不能忽視的部分，通過課后合理布置作業(yè)和思考題，可以提高學(xué)生對所學(xué)知識的理解。作為授課教師，所布置作業(yè)的廣度與深度必須切實(shí)考慮學(xué)生對知識掌握程度的個體差異，使學(xué)生通過課后練習(xí)更好地吸收教學(xué)內(nèi)容；而思考題布置的目的是要激發(fā)學(xué)生的好奇心與學(xué)習(xí)熱情，可以不拘泥于課本知識，相對要更具有挑戰(zhàn)性和延展性，鼓勵他們成立興趣小組共同完成學(xué)業(yè)報告，營造一種互相討論的氛圍。

3.3 案例庫的建設(shè)

將現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成與課程知識點(diǎn)相結(jié)合，逐步建設(shè)生動有趣又與現(xiàn)實(shí)科技發(fā)展緊密聯(lián)系的案例庫。通過對相關(guān)案例的講解，可以更好地調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)他們自主學(xué)習(xí)、解析問題的意愿和熱情。

（1）針對馮?諾依曼計算機(jī)框架，可通過以下問題建設(shè)案例：它是在什么背景下提出來的？為什么采用二進(jìn)制？當(dāng)數(shù)據(jù)與指令以同等的地位存儲在存儲器時，如何區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)與指令？馮?諾依曼計算機(jī)框架與現(xiàn)代計算機(jī)相比較，區(qū)別是什么？

（2）針對存儲器，可通過以下問題建設(shè)案例：主存儲器和高速緩沖存儲器的發(fā)展過程中有哪些標(biāo)準(zhǔn)及其技術(shù)特點(diǎn)？現(xiàn)代計算機(jī)的存儲系統(tǒng)采用的層次結(jié)構(gòu)？為什么分立存儲數(shù)據(jù)與指令？分析某型計算機(jī)，其具有哪些類型的寄存器？

（3)針對總線系統(tǒng)，可通過以下問題建設(shè)案例：現(xiàn)代個人計算機(jī)所采用的總線結(jié)構(gòu)常用的總線標(biāo)準(zhǔn)有哪些及其使用場景？

（4）針對計算器，可通過以下問題建設(shè)案例：現(xiàn)代計算機(jī)采用的編碼方式？計算機(jī)系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)加減乘除運(yùn)算？如何提高計算機(jī)的運(yùn)算速度？

（5）針對輸入輸出系統(tǒng)，可通過以下問題建設(shè)案例：分析某型計算機(jī)，輸入輸出設(shè)備與主機(jī)交換信息時使用的控制方式有哪些？在怎樣的場景下，使用中斷方式或直接存儲器存取方式？

（6）針對指令系統(tǒng)，可通過以下問題建設(shè)案例：對某型計算機(jī)進(jìn)行分析，其所采用的指令結(jié)構(gòu)是怎樣的？指令系統(tǒng)有哪些尋址方式？復(fù)雜指令系統(tǒng)與精簡指令系統(tǒng)的特點(diǎn)和區(qū)別是什么？

在教學(xué)實(shí)踐中，通過系統(tǒng)總線案例庫中現(xiàn)代計算機(jī)常用的USB、PCI、AGP等總線標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生進(jìn)行講解，可以加深他們對相關(guān)知識的理解。如圖3所示，通過這樣的學(xué)習(xí)后，教師在課堂中發(fā)布練習(xí)題進(jìn)行測試，65名學(xué)生中有94%正確完成習(xí)題，相比不使用案例庫的教學(xué)方式有顯著提升。可見案例庫的建設(shè)確實(shí)可以提高學(xué)生對知識的吸收。但遺憾的是，當(dāng)前的教學(xué)中，案例庫無論從內(nèi)容本身還是課程覆蓋范圍都還比較欠缺，有待相關(guān)教研人員和部門通過實(shí)踐和開發(fā)，不斷加強(qiáng)相關(guān)模塊的建設(shè)。

圖3 課堂測試結(jié)果

3.4 思政建設(shè)調(diào)動學(xué)習(xí)熱情

革命先輩所提出的“為中華崛起而讀書”激勵了一代代中華兒女刻苦學(xué)習(xí)，報效國家。這種精神在今天的高校仍然具有時代價值與意義，通過融入課程思政教學(xué)[5]，挖掘課程內(nèi)容，提高學(xué)生的思想覺悟，調(diào)動他們的學(xué)習(xí)熱情，不僅能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，還可以在這個過程中不斷培養(yǎng)“敬業(yè)、精益、專注、創(chuàng)新”的大國工匠精神，讓個人能受益終生。

（1）超級計算機(jī)研究

介紹我國超級計算機(jī)從落后到領(lǐng)先的發(fā)展過程，增強(qiáng)學(xué)生民族自豪感，引導(dǎo)他們努力學(xué)習(xí)，在我國科技發(fā)展中做出貢獻(xiàn)，為中華民族的偉大復(fù)興貢獻(xiàn)自己的力量。

（2）中央處理器的發(fā)展

介紹中央處理器芯片的發(fā)展歷程及我國芯片技術(shù)的現(xiàn)狀，激發(fā)學(xué)生的危機(jī)感和緊迫感，引導(dǎo)他們在國家“卡脖子”技術(shù)的研發(fā)工作中貢獻(xiàn)自己的智慧。

（3）指令系統(tǒng)的發(fā)展

介紹復(fù)雜指令系統(tǒng)與精簡指令系統(tǒng)的特點(diǎn)，給學(xué)生指明系統(tǒng)并不就越復(fù)雜越好，在項(xiàng)目的開發(fā)中總存在技術(shù)折中的情況。在課程的講授過程中，向?qū)W生介紹實(shí)際項(xiàng)目研發(fā)中的相關(guān)知識，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

4 結(jié)語

為提高計算機(jī)組成原理課程的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，特別是培養(yǎng)學(xué)生在計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計、分析及解決問題的能力，針對目前課程教學(xué)存在的不足和難點(diǎn)，可以考慮從課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法與課程思政等方面進(jìn)行思考與探討，促進(jìn)課程的建設(shè)與發(fā)展，使學(xué)生更好地掌握計算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本設(shè)計技術(shù)，為今后的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和工作打下良好基礎(chǔ)。