计算机组成原理精品课程建设的探索与实践

　　摘要：为培养高素质人才，全面提升高等教育教学质量，必须积极推进和实施计算机组成原理精品课程建设及其建设目标。本文从精品教材建设、教学内容规划、实践创新能力培养、教学方法与手段改革和教学团队建设等方面进行了探索与实践。
　　关键词：精品课程；课程建设；教学方法
　　
　　2007年6月，教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会计算机专业规范研究小组在对计算机科学、计算机工程、软件工程和信息技术知识体系和CC2005核心课程进行研究的基础上，结合我国的实际情况，确定了我国计算机科学专业的15门核心课程、计算机工程专业的16门核心课程、软件工程专业的24门核心课程和信息技术专业的15门核心课程，并给出了各专业包括的知识领域及知识单元。按照各个专业方向核心知识体系的要求，给出了程序设计、离散结构、数据结构、计算机组成原理、计算机网络、操作系统和数据库系统等7门课程作为这四个专业的公共核心基础课程。2008年4月国家教育部公布，从2009年起，计算机专业考研中的专业基础课实行全国统一命题，专业基础课由数据结构(占45分)、计算机组成原理(占45分)、操作系统(占35分)、计算机网络(占25分)四个部分组成，并于2008年8月公布了统一的考试大纲。
　　计算机组成原理是计算机科学与技术的核心专业基础课，是学生接触的第一门较全面地介绍计算机组成及工作原理的硬件课程，它与数据结构、汇编语言程序设计、微机接口技术、计算机体系结构、嵌入式系统、计算机控制技术等计算机学科核心课程关系紧密。要建设一门既符合CC2005核心课程知识体系，又符合研究生入学考试全国统考大纲要求的计算机组成原理精品课程就显得格外重要。为此，本文从课程建设的定位与目标出发，从精品教材建设、教学内容规划、实践创新能力培养、教学方法与手段改革和教学团队建设等方面进行了探索与实践。
　　
　　1　课程的定位与目标
　　
　　计算机组成原理课程的定位是以基础理论知识为本、实践以及应用并重、反映学科最新成果、兼顾不同层次对象，培养学生科学思维、工程应用以及创新能力的精品课程。
　　课程的教学目标是通过该课程的学习，使学生理解计算机的组成和工作原理，掌握计算机整机设计的思想和方法，以及提高计算机整机性能所采用的核心技术，培养学生整机调试、故障分析、故障检测与故障排除的能力，为今后学习微机接口技术、计算机体系结构、计算机网络、并行与分布式处理等课程及计算机系统的硬件研究打下坚实的基础。
　　
　　2　课程的内容和过程
　　
　　2.1　建设精品教材，满足专业规范和考研大纲要求
　　通过分析CC2005、高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范(试行)和计算机科学与技术专业研究生入学考试专业基础课全国统一命题考试大纲对计算机组成原理知识点的要求，我们新编了《计算机组成原理》教材，并于2009年2月由西安电子科技大学出版社正式出版。该教材在系统地讲述计算机最基本的组成和工作原理、分析方法和设计技术的同时，还介绍了有关的先进技术在计算机组成方面的最新进展。教材具有基础性强、内容组织合理、取材先进、注重实践、便于自学等特色。实践证明，新教材的使用加深了学生对计算机组成和工作原理的理解，提高了学生的学习兴趣和独立思考的能力，收到了良好的学习效果。
　　
　　2.2　合理规划教学内容，注重基础理论知识与新技术的结合
　　根据计算机组成原理的定位和教学目标，以及计算机科学与技术专业教学指导委员会给出的专业规范和研究生全国统考大纲的要求，我院将此课程规划为72学时，其中实验占12学时，讲授占60学时，课程设计单独占32学时。基础理论知识及讲授学时规划如下。
　　1)计算机系统概论部分占4学时，主要讲授计算机的发展历程，计算机系统层次结构，计算机系统的组成，计算机的工作过程，计算机性能，计算机的典型分类方式。
　　2)运算方法和运算器部分占12学时，主要讲授数值数据和非数值数据的表示方法，定点数的运算方法和运算器，浮点数的运算方法和运算器，数据校验码。
　　3)存储系统部分占10学时，主要讲授存储器的基本概念，半导体随机读写存储器和半导体只读存储器的组成及工作原理，半导体存储器的容量扩展，双端口RAM，多模块交叉存储器，相联存储器，Cache存储器，虚拟存储器。
　　4)指令系统部分占8学时，主要讲授指令系统的发展与性能要求，指令格式，指令和数据的寻址方式，指令格式的分析与设计，CISC、RISC、退耦CISC／RISC和后RISC的基本概念。
　　5)中央处理器部分占12学时，主要讲授CPU的功能和组成，指令周期，时序产生器，微程序控制器，硬连线控制器，流水线技术。
　　6)总线结构部分占6学时，主要讲授总线的基本概念，总线标准，总线仲裁和总线通信。
　　7)输入／输出设备部分占4学时，主要讲授典型输入／输出设备的工作原理和常见的性能指标。
　　8)输入／输出系统部分占4学时，主要讲授I／O系统的基本概念，I／O接口的功能和基本结构，I／O端口及其编址，以及I／O设备数据传送控制方式。
　　为了让学生了解理论知识在新一代计算机系统中的应用，我们在计算机的发展趋势、计算机的典型应用、指令系统的发展、提高单机系统指令级并行性的措施、总线标准举例等知识点中引入了近几年来较新的计算机技术。例如在“提高单机系统指令级并行性的措施”这一知识点中，我们分别补充介绍了在单机系统中目前比较广泛使用的五种技术，即超标量、VLIW、超流水、超标量超流水、EPIC技术，并简要介绍了这些技术在现代微处理器中的具体应用。
　　
　　2.3　加强综合性和创新性实践环节，培养学生的实践创新能力
　　计算机组成原理课程不仅是一门理论性很强的专业基础课，而且也是一门实践性很强的实践课程。要清楚地理解计算机组成原理的精髓，亲自动手进行计算机各部件和模型机设计是相当重要的。我们通过加强综合性和创新性实践环节，不仅让学生理解了抽象的概念及原理，而且也提高了学生分析问题、解决问题的能力，以及实际动手的能力。
　　这门课程的综合性实验项目包括数据通路实验、操作控制器实验、高速ALU设计实验和浮点运算器设计实验，其目的是为了让学生掌握计算机运算部件、控制部件的组成和工作原理，加深学生对理论知识的融会贯通与理解，锻炼运用EDA技术进行计算机硬件设计的能力和硬件调试的能力。
　　创新性实践环节单独安排为一个课程设计，其内容是运用理论知识、硬件描述语言和EDA软件QuartusII进行模型机的设计。尽管在理论教学时，已分章节介绍了计算机的组成、指令的解释过程、指令周期、微指令格式、微程序的设计方法，以及时序控制方式和微处理器的设计步骤，但是实现相同的功能，在微处理器的内部结构设计时方法也是多种多样，比如微处理器内部寄存器的个数设置、是否采用片内指令Cache和数据Cache，采用什么样的指令格式和寻址方式、设计哪些指令、指令如何解释、采用微程序操作控制器还是硬连线控制器、是否采用流水线技术等。创新性实践环节涉及的知识面广、设计方案多样、设计方法灵活，有利于提高学生分析问题、解决问题的能力和实践创新能力。
　　
　　2.4　科学合理地改进教学方法，提高教学质量和教学效果
　　教学内容的组织采用了整体“自顶向下”、细节“自底向上”的教学方法，从计算机硬件系统入手到分别介绍计算机硬件的五大部件及相互联系，再将内容的展开，分别讲授每一个部分的组成和工作原理。在涉及到各组成部分具体细节的知识点时，采用了“自底向上”的教学方法，讲授内容由浅入深、循序渐进、由简单到复杂，在讲清基本概念和基本原理的基础上，再进行分析和设计。这种教学方法既让学生正确理解和掌握了各部件的组成及工作原理，让学生掌握了计算机中各部件的设计方法和相互之间的联系，建立了整机的概念。
　　教学任务的安排是将不同的专业分别定为一个教学班，以小班上课的方式进行，促进了讲授、提问、讨论、练习等多种教学方式的开展。同时要求每个教学班的主讲教师必须参加理论课的辅导工作，并要求每个实验必须参加一批实验辅导。青年教师必须先经过实验辅导和理论课辅导两年后，才能根据试讲情况确定其是否能胜任主讲教师资格。理论课辅导教师主要负责作业批阅、答疑、上习题课、网上教学交流等工作，实验课辅导教师主要负责讲授实验目的、实验要求、实验内容、实验步骤，并指导学生完成实验的全过程。
　　教学方法的改进，有助于各专业主讲教师根据本专业的课程结构和学生能力水平，以及课堂交流、作业和辅导、实验操作等情况的反馈信息，及时将出现的问题与所有学生沟通，以便随时调整教学方法、教学进度和补充教学内容，提高了教学质量和教学效果。
　　
　　2.5　利用现代化教学手段，提高学生的学习兴趣和学习主动性
　　利用课件教学，使得计算机各部件抽象的工作原理直观地展示在学生面前，大大地增加了课堂教学的信息量，提高了学生的学习兴趣。例如通过动画模拟机器指令的取指和执行过程，来解释中央处理器的组成和工作原理，让学生更直观地了解CPU内部控制信号的产生、指令和数据的流动过程、在指令执行过程中CPU内部各寄存器的变化情况等。通过使用QuartusII仿真软件进行实践教学，可以清楚地理解CPU的组成和详细设计，可以将CPU的顶层电路图逐层解剖，看到CPU内部的各组成部分及VHDL描述。通过微处理器执行某一个具体功能的机器语言程序，调出仿真波形，可以让学生清楚地看到CPU内部程序计数器、地址寄存器、指令寄存器、微地址寄存器、通用寄存器、数据暂存器、状态条件寄存器、主存储器、输出总线的内容随着时间的推移而发生变化的情况，将理论教学与实际设计充分结合，提高了学生的学习兴趣。
　　通过课程网站辅助教学，丰富的教学资源和交互式教学平台提高了学生的学生主动性，促进了师生之问的互动。课程网站采用Dreamweaver MX、Flash MX、Photoshop、ASP和SQL Server等软件开发，为学生提供了全方位的学习辅导支持，包括教学大纲、学习指导、教学视频、课件下载、在线测试、难点解析、动画演示、虚拟实验室、在线答疑、学生论坛等。这些内容可以帮助学生全面地理解和掌握计算机组成原理课程的教学内容，了解该课程涉及的新知识和新技术。
　　
　　2.6　建设合理的教学团队，重视对青年教师的培养
　　建设由课程负责人、主讲教师、辅导老师和实验指导教师组成的教学团队是极其必要的。我们的计算机组成原理课程教学团队由8名教师组成，主要成员均长期从事本课程及相关课程教学和相关课程的教学和学术研究，其中教授1人、副教授3人、博士1人、硕士6人；35～45岁年龄段的中青年教师占75％，具有计算机相关专业教育背景7人、通信相关专业教育背景1人，所学专业涵盖了计算机应用技术、通信与信息工程、自动控制等。教学团队成员分别来自上海理工大学、中山大学、桂林电子科技大学。在知识结构、年龄结构、职称结构、学缘结构等方面形成了较合理的结构配置，教师队伍在理论教学、教学研究和学术研究等方面已开展了较多卓有成效的工作。
　　课程教学团队充分发挥高学术水平和高教学水平骨干成员的传、帮、带作用，通过合理规划、创造条件、培育环境、严格要求等多种机制，实施青年教师的培养，具体措施包括选派青年教师到国内知名大学参加培训、实行骨干成员为核心的导师制、组织开展教研讨论和科研活动。
　　通过以上措施，青年教师得到迅速成长、能够很好地胜任本课程的教学任务。在近几年的学生评教中，教学团队的学生评教成绩一直保持在优良以上，深受学生欢迎。近五年来，课程组承担和完成了国家自然科学基金、广西自然科学基金和横向科研项目16项，发表学术论文24篇(EI、ISTP收录10篇)，出版专著／教材4部，获得计算机软件著作权4个；承担教学改革与教学研究项目10项，发表教学研究论文16篇，获得教学改革与研究成果7项。
　　
　　3　结语
　　
　　精品课程建设是一项长期而艰苦的工作，它贯穿于教学的各个环节。在计算机组成原理课程建设的历程中取得了上述一些成果，主要得益于有一支素质优良的教学团队。只要我们坚持教育教学改革，不断更新和整合教学内容，不断改进教学方法，努力加强理论教学和实践教学的有效结合，就能使教学水平不断提高。
　　
　　
　　(编辑：白