“计算机组成原理”课程教学改革与实践

董再秀,温卫敏,赵 亮

（滁州学院计算机科学与技术系,安徽滁州 239000）

“计算机组成原理”课程教学改革与实践

董再秀,温卫敏,赵 亮

（滁州学院计算机科学与技术系,安徽滁州 239000）

针对“计算机组成原理”课程教学现状和存在的问题,结合教学实际,围绕教学目标、教学内容、教学方法、实验教学几个环节的改革措施做了深入研究。实践表明,这些措施提高了“计算机组成原理”课程教学质量,顺应了应用型人才培养需求,收到了良好教学效果。

计算机组成原理;教学效果;创新能力

1 引言

计算机组成原理是计算机及相关专业本科生的主干核心课程,是专业必修的基础课,它在专业教学计划中起着承上启下的作用。同时,作为计算机硬件课程体系中铺路的基石,需要为后续课程如微机原理、接口技术、单片机开发、嵌入式系统以及计算机系统结构等课程打实基础。

2 计算机组成原理课程教学现状和存在问题

课程讲授的是计算机组成中运算器、控制器、存储器、输入输出系统五大主要功能部件的结构、工作原理及其互连构成整机的方式。课程在大学二年级上学期为学生开设,采用3课时/周（理论）+1课时/周（实验）形式,共需16周完成教学任务。从几年教学情况来看,课程教学中遇到了一些问题,如:

（1）课程理论性较强,覆盖范围广,知识点难度大;

（2）计算机内部高度集成化,所讲授的电路系统结构都封装在集成芯片内部,很抽象,不容易接收;

（3）计算机的新知识新技术不断推陈出新,变化很快,课程讲授的基本理论知识点离新技术有很大距离,让学生感觉所学知识过于陈旧;

（4）实践教学相对落后,达不到设计计算机部件的目的,更谈不上实践创新;

（5）高校的计算机教育中又普遍存在“重软件、轻硬件”的倾向,学生对硬件类课程不是很感兴趣、不重视等等。

随着以培养应用型人才为目标的课程群建设发展,这些问题就暴露的更加明显,课程教学改革已经迫在眉睫。本文就笔者在课程教学过程中的实践心得,从教学目标、教学内容、教学方法、实验教学几个方面进行了分析,提出了教改建议和方法。

3 计算机组成原理课程教学改革方案

3.1 准确定位教学目标

调研课程学习重要性,修订教学大纲,准确定位教学目标。通过广泛调查,听取专业课教师意见,研究专业教学计划,跟踪调研学生学习过程后得出学习本门课程任务。一是打好专业基础知识,为后续课程做铺垫;二是准备参加研究生入学考试;三是在计算机硬件方向发展,从事硬件方面工作。因此要求教学做到理论和实践相结合,不仅要将理论知识解释透彻,而且还要能解决实际问题。在教学大纲中就要提出如下目标:

（1）理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互连接方式,具有完整的计算机系统的整机概念。

（2）理解计算机系统层次化结构概念,熟悉硬件与软件之间的界面,掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法。

（3）能够运用计算机组成的基本原理和基本方法,对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析,并能对一些基本部件进行简单设计[1]。

接下来的教学内容围绕教学目标来开展,着重培养学生计算机硬件系统方面的3种能力:即计算机硬件系统的认知能力、设计能力与创新能力[2]。

3.2 合理组织教学内容

依据教学大纲,对教学内容分类,把握重点,突破难点。哪些内容应当精讲、哪些内容应该细讲、哪些应当扩展,授课教师一定要熟练,做到心中有数。以计算机五大部件内容为主线,重点讲述运算器的运算方法及组成;主存储器和高速缓冲存储器的构成及工作原理;I/O接口和I/O设备与主机信息传送的控制方式;CPU中微程序控制器的机理和设计方法。在有限的课时内,通过重点知识的讲解,就能够掌握计算机功能部件结构、组成,在整机中的作用,以及被分配的任务,达到对计算机系统认知的能力。

除此之外,像计算机发展与应用,磁盘存储器的记录格式、磁带存储器和I/O设备的自身结构等内容都安排学生通过自学的形式完成;有部分内容如循环冗余校验码,定点运算中原码和补码两位乘法,以及浮点乘除运算中阶码采用移码运算规则等等,鼓励学生先自己学习再以课后讨论的形式进行;还有部分内容如ALU电路和进位链在前修课程数字逻辑中已出现,指令系统中寻址方式和指令种类在汇编语言程序设计课程中学习过了,就可以让学生自己总结,记录在笔记中。

3.3 改进教学方法

3.3.1 优选教材及配套的教学资料

涉及计算机硬件的第一门课程,怀着对计算机结构和工作原理神秘又好奇的同时,也带有很大的畏难情绪。所以要选一本好的教材来陪伴他们学习本门课程。这个教材应该具有一定的权威性,内容贴近教学大纲;逻辑顺序安排合理既能总领系统又能落实到细节,适合初学者由浅入深、循序渐进的学习;最好还要有完善的教辅配套,便于课后学习。据此,选择了高等教育出版社唐硕飞主编的《计算机组成原理》。这本书比较适合教与学,采用从整体框架入手,自顶向下、由表入里、层层细化的叙述方法;突出介绍计算机组成的一般原理,不结合任何具体机型,采用自顶向下的分析方法,详述计算机组成原理,使读者更容易形成计算机的整机概念[3],同时它也是硕士研究生入学统考的专业参考书目。

为学生选一本好教材,其实也是为教师选了一本好教材,让教学内容通过教材先传递给了学生,拉近了教与学的关系。配套的教材课件、习题库、实验指导等材料及时通过教学网站发布,让学生能第一时间从网络上下载和学习。

3.3.2 引导和理顺课程脉络

在开始课程内容之前,先为本门课程讲授一次本课程的“导论”,选择在第一节课。增加“导论”目的是引导学生理顺课程脉络。在第一节课上要向学生讲解本门课的教学目标、教学任务、先修和后续课程的关系以及学习方法。前导的硬件课程学习使同学们了解计算机硬件最底层的物理结构、基本的电子元件和数字电路;“计算机组成原理”是站在一个较高的角度讲授各种计算机共同的基本原理,为学习具体机型打好基础;而后继课程“微机原理与接口技术”、“单片机开发”讲的是某种具体机型的工作原理和应用开发。课程知识之间的衔接和过渡,知识之间的贯穿、联系给学生讲清楚,为他们理清思路,省去云里雾里的混乱,只有这样同学们才能在大脑里形成一个严密完整、一环扣一环的硬件体系[4]。

3.3.3 开展拓展性教学,调动学习积极性

教学内容要结合新技术,不能仅仅局限于教材。要开展拓展性教学,不断更新知识结构,把新知识融合到要讲授的课程中。只有这样才能改变传统教学弊端,才不会让学生觉得所学知识陈旧,离现实很远。在教学的每一环节,都尽可能的补充一些当前最新技术和产品的介绍,解决实际问题。让学生不但能在该课程中学习到理论知识,还能开阔眼界并学习到实用的知识,从而有效提高学习积极性[2]。同时还要继续引导发挥学生自身能动性,培养科学研究精神,使其主动学习、主动思考、主动探索、主动实践,实现将学习、研究、实践有机结合。

3.4 提高实验效果,培养创新能力

因实验条件限制,以前开设的计算机组成原理实验内容大部分为验证型。教师先讲解实验内容和原理,然后学生按照实验指导书连线,完成搭建电路,最后进行调试验证结果。教学用的实验箱,实验环境封装较好,设备操作简单,很容易做出结果。做完实验,学生却有很多困惑,不太明白“为什么要这样连线”、“连的到底是什么部件”、“为什么要拨这个开关键”等等,所有实验器件都封装在了实验箱里,里面用到的每个芯片的功能及工作逻辑都不能深究,他们要做的只关心最后的实验结果。实验教学体系的落后,起不到配合理论教学的作用,也谈不上培养学生设计能力、创新能力了。

3.4.1 引入EDA技术丰富实验内容

EDA即电子设计自动化,在电子设计领域有着非重要的应用。近年来各高校逐渐将EDA技术引入计算机组成原理实验课教学中。学生要先掌握VHDL硬件描述语言,然后利用FPGA厂商提供的软件设计和综合工具进行计算机部件的设计、仿真和调试,完成计算机组成部件的设计任务。例如,做一个8位ALU设计实验,支持基本的算术和逻辑运算。最好能够再结合开发板或可以进行 EDA设计的实验箱,可以下载到硬件上测试,做到真正的软硬结合。将EDA仿真引入到组成原理的设计性实验中不仅丰富了实验内容、方法和手段,提高了实验效率,而且也使学生接触到现代电子设计的新方法、新手段,更能激发学生的积极性和创造性[5]。

3.4.2 因材施教,开展多样化实践形式

每个学生的学习能力、实践能力以及创新能力都是不相同的。实验内容如以简单基础的验证和设计为主的话,不利于能力较强的同学发展;实验内容偏难、综合性偏强的话,可能有大部分同学都完成不了,这样的实验效果不太好。要针对不同的学生开展多样的实验教学。打破以往“计算机组成原理”课程理论讲授配合少量实验的单一形式,增加课程设计、开放实验项目和毕业设计等多个实践环节,实现教学环节的多样化[6]。

课堂实验教学分三个阶段。第一阶段以所有同学参与的部件操作实验为基础,培养基本技能。第二阶段为部件设计,为课程设计做准备。第三阶段,完成计算机系统整机设计的课程设计。参考实验内容如下表1所示。

表1 参考实验项目

同时对学有余力的同学再鼓励参加开放性实验项目,并在教师引导下进行更深入的学习,像进一步学习嵌入式系统开发、机器人控制技术等。以组织参加比赛和大学生实践创新项目的形式开展,效果非常好,近两年来开展此项活动,连续在省单片机比赛、机器人比赛中获得好成绩。在毕业设计中也在慢慢摸索,希望学生能够做结合 EDA、计算机组成原理、计算机系统结构、数字电路、硬件描述语言等学科知识的题目。

4 结束语

作为应用型本科院校,关注的是培养的人才在社会发展洪流中的竞争力。从目前就业市场来看,计算机软件方面人才比较多,硬件方面人才很缺乏,所以掌握计算机硬件的理论与实践应用将有很好的就业前景。计算机组成原理作为计算机系列教学中的核心课程,作为硬件发展方向的基石,提高课程教学质量,真正培养学生对计算机硬件系统的认知能力、设计能力与创新能力。

[1] 教育部考试中心.全国硕士研究生入学统考计算机专业基础综合考试大纲解析[M].北京:高等教育出版社,2010.

[2] 王丁磊.统考下的“计算机组成原理”教学方法探讨[J].计算机教育,2010（6）:91-93.

[3] 唐硕飞.计算机组成原理[M].北京:高等教育出版社,2008.

[4] 杨振华.计算机组成原理课程改革探索[J].中国电力教育,2008（23）:119-120.

[5] 李丽萍,盛琳阳.基于EDA技术的计算机组成原理实验课开放性教学模式研究[J].计算机教育,2010（10）:55-57.

[6] 白 媛,张 兴.“计算机组成原理”课程阶梯化教学研究[J].计算机教育,2007（20）:50-52.

The Reforms in Teaching of the Course "Computer Composition Principle"

Dong Zaixiu ,Wen Weimin , Zhao Liang
（Department of Computer Science and Technology , Chuzhou University , Chuzhou 239012 , China）

In view of t he existing sit uation and problems of teaching the cour se " Comp uter Composition Principle" , we made an in - depth st udy of t he reforms in teaching objectives , teaching content , teaching methods and experiment teaching. It is proved t hat these measures have improved t he teaching quality of t he cour se , suited t he requirement s for cultivating application - oriented talent s , and achieved agood teaching effect .

Comp uter Composition Principle ; teaching effect ; innovative ability

G642

A

1673-1794（2011）02-0094-03

董再秀（1981-）,女,讲师,主要从事计算机硬件方向教学。

滁州学院教研项目“计算机组成原理课程建设”（2008jy039）

2010-11-25