《计算机组成原理》课程教学改革探讨

刘亚楠，刘路路

(合肥师范学院 计算机学院，安徽 合肥 230601)



《计算机组成原理》课程教学改革探讨

刘亚楠，刘路路

(合肥师范学院 计算机学院，安徽 合肥 230601)

[摘要]本文总结了针对“计算机组成原理”课程教学中普遍存在的问题所做的课程教学改革与探索经验，授课中针对技术的发展和提升学生应用能力的要求合理组织教学内容，教学有侧重点；采用从问题出发，实施动力式教学的教学方法，充分利用现代教学手段，提升学生学习兴趣；注重指导学生分析问题解决问题的能力，实践环节加强动手能力的提高。

[关键词]计算机组成原理；课程；教学改革；应用能力

1引言

《计算机组成原理》课程是计算机各本科专业的核心硬件课程，属于必修的专业基础课。在各硬件及软件的课程中，该课程处于核心重点地位，本课程的教学目标是使学生掌握计算机的基本组成部件、逻辑功能、工作原理、设计方法和实现技术等有关的基础知识和技术，建立完整、清晰的计算机整机概念，并使学生具备对计算机系统整机和部件进行分析和设计的能力。教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导委员会(以下简称教指委)在广泛深入的调查研究基础上，借鉴国际上计算机专业办学的发展与现状，结合我国计算机教育的实际情况，对计算机专业本科教育的发展方向和办学单位的专业发展提出了指导性意见，并制定了具体的《专业规范》。专业规范为“计算机组成原理”课程的教学大纲和教学计划的制定以及课程在课堂教学和实验教学上提供了指导性的意见，是我们推进课程改革的重要参考。同时联系我校的实际情况，如学校育人目标的定位、学校的教学与实验条件、学生的知识基础等，从教学指导思想和教学方法两个方面，从知识讲授和能力培养两个层次上，对“计算机组成原理”课程改革进行详细设计与组织，建立了有效的教学模式，帮助学生从宏观和微观两个层面系统地掌握课程知识，进而培养学生学习和探索知识的意识、兴趣和能力。课程除重点讲解简单、单台计算机的基本组成原理和内部运行机制外，还增加高性能计算机、新一代计算机等知识的介绍，为学生学习其他后续课程，跟踪国内外计算机发展的趋势，将来承担各项应用性技能型工作提供基础知识。

2教学中需改革的问题

(1)“计算机组成原理”课程抽象，学生学习兴趣不高。课程介绍计算机内各功能部件的工作原理，讲解的许多知识和内容都发生在芯片内部，例如计算机中数据是如何表示、存储和进行运算，CPU的控制器是如何发出控制信号协调各部件工作的，总线上有哪些信息，都是看不见的，学习内容较抽象。而且课程中讲授计算机各组成部分的硬件电路及其工作原理时，还需要经常用到译码器等数字逻辑等先修课程的相关知识，而这些知识学生如果掌握不够深入，基础没打好，综合运用这些知识时学生会感到学习吃力，兴趣不高。

(2)教学内容相对滞后，教学方法教单一

“计算机组成原理”课程的内容广泛，包括计算机硬件系统的基本组成、系统各部分的设计方法、CPU的工作机制和高性能计算机的新技术。然而教材内容滞后于科学技术的发展，很难激发出学生的学习热情。长期以来，作为专业基础课，课程容易采取“灌输式”的教学方法，较少采用启发式、任务驱动式、课堂讨论式的教学方法，无法调动学生的主观能动性，容易忽略学生的主体地位。

(3)实践环节

计算机组成原理的课程实验虽然增加了理论向工程实际转化的，符合现代计算机系统工程设计规范的硬件设计内容。然而目前，在传统的实验模式中主要是验证性实验及相关模式；即使含有部分“设计”内容，也主要是根据不同实验系统各自规定的，非规范的方法，用既定的分离元件(也有包括部分可编程器件)和接口器件进行拼装搭接而成。学生显然无法从这样的“设计”过程中了解真实的现代实用CPU基本设计技术了。

3教学改革与探索

3.1合理组织教学内容

在教学内容上，针对技术的发展和提升学生应用能力的要求，重新修订课程标准，课程的重点放在运算器的补码加减乘除运算方法、指令系统、运算器、控制器的设计上，教学内容有侧重点，对于重点内容力争讲清楚设计思路，原理，其他部分则让学生自学或讨论，避免通篇介绍。对于主要的教学内容，我们分成几个层次，逐步深入。首先介绍通用的原理基础，即让学生学习与理解计算机组成与运行机制的核心知识，这些重要的原理设计在计算机快速发展的过程中并不会发生太多的变化。接下来再结合具体的机型介绍计算机系统不同部件的设计、实现结果及其外部特性，可以体现用到的基本原理，这里可以及时结合较新的机型，发展的技术，将原理和实际相联系、让学生理解这门课程的学习价值。最后通过实验课程中让学生综合设计基本模型系统，让学生将所学到的知识应用起来，以增加学生对所学知识的理解深度和应用能力，把学习知识和增长能力结合起来。

3.2教学方法

(1)从问题出发，实施动力式教学

“计算机组成原理”课程的教学，应使学生尽快建立计算机的整体概念，透彻地理解和掌握课程知识点，从宏观和微观层面上理解和把握计算机各部件的原理、组成及相互联系，进而达到能力培养的目标。在现代教育理念中，教学设计应当以“学”为中心，学生是教学活动的主体，是知识学习的主动建构者，教师在教学过程中发挥着组织者、指导者和促进者的作用。课堂教学侧重于引导学生主动学习与思考，灵活地将互动式、启发式和任务驱动式等教学方法结合起来，而不是单一地采用某种方式对学生进行灌输。

设计一些教学环节对学生进行启发，在课堂内外与学生进行互动与讨论，尤其是一些新技术，引导学生学习研究的方法与方向，从而激发学生学习的兴趣和主动性，进而培养他们的自主学习能力、研究能力和创新能力。如在中央处理器一章中，要求学生对CPU 发展的新动态进行研究，学生通过上网搜索、查阅文献等手段收集了大量的资料，可以了解CPU 的发展历程，对一些实际的参数，如Cache 的大小与级数、流水线条数、工作频率、前段总线等都有所了解，加深了对CPU 的认识。引导学生将单核、双核和多核CPU 进行对比，分析它们最新的技术和发展趋势等。

加强课堂教学的提问与讨论环节，不仅可以活跃课堂气氛，活跃学生思维，而且可以促使学生在课余主动地学习和对问题进行钻研，从而高效深入的学习和掌握知识。如针对计算机外围设备在种类和技术方面的一些问题，提问学生回答问题，并藉此与学生讨论新技术新发展，引领学生突破思维定势，培养创新意识。

(2)指导学生“学会”转为引导学生“会学”

为了培养学生分析问题和总结问题的能力，改变以往直接将各章重难点提炼给学生的传统方法，而是在每章知识点讲解完毕后让学生自己总结重难点，让学生提交一份材料包括自己分析归纳总结的各个知识点，并要求学生阅读部分资料，将总结的知识点对应得经典的习题也放在上面，这样学生就不会被动的接受知识，而是慢慢在各章的学习归纳总结中，提高了自己分析问题的能力，并且由于让学生自己选取对应知识点配套的习题，也从侧面让学生了解各知识点可以如何考核，从而进一步提高学生学习的效率，经实践证明，效果明显。

(3)充分利用现代教学手段

计算机组成原理由于具有较高的抽象性和技术性，其教学内容难以通过课堂讲授被学生完全理解和掌握。现有的传统教学手段无法直观、形象描述训算机内部组成的工作过程和原理，特别是现在的电路集成度越来越高，很多部件和电路往往被封装在一块芯片中，学生不易掌握。所以在教学方式上，充分利用现代教学手段，采用多媒体技术动态演示结构原理图来进行讲解，使原本枯燥、抽象、难懂的概念和原理变得生动、形象、易懂。总的教学思想是:软硬结合，重点突出，适当重复，加强实践环节。例如 ，在讲CPU的组成原理时，先将CPU逻辑框图中各部件的逻辑功能讲解清楚，然后通过执行一小段程序来具体讲解CPU的工作原理，通过动态演示CPU执行这一程序的过程让学生形象的了解了每一条指令取指阶段与执行阶段的分解动作，学生既可以理解和掌握CPU的工作过程和工作原理，又具体认识了每条指令的指令周期，这种由软带硬，软硬结合的办法，使抽象的图变得具体起来，因而容易理解和掌握。同时，安排学生进行实验。如此，学生印象就很深刻。最后，根据学生学习和实验中遇到和提出的问题再进行讲解，使得学生能比较深刻的理解所学原理。

3.3实验

扩展基于VHDL和最新近EDA技术的关于CPU和计算机系统的设计理论和设计技术方面较丰富的内容。例如基于微程序控制模式的8位CISC模型CPU设计、基于状态机控制模式的16位CISC CPU设计、MCS51单片机系列兼容型单片机软核系统设计、基于流水线技术的16位RISC CPU设计，以及基于SOPC技术的32位NiosII软核嵌入式系统软硬件联合设计等内容。

4总结

总之，“计算机组成原理”课程教学应在调整优化教学内容、实践环节等方面积极探索，并充分利用网络和多媒体技术促进教学互动和教学相长，注意增加高性能计算机、新一代计算机等知识的介绍，为学生学习其他后续课程，跟踪国内外计算机发展的趋势，将来承担各项应用性技能型工作提供基础知识。

[参考文献]

[1]方恺晴, 张洪杰. 计算机组成原理实验课程教学新方法的探讨[J]. 计算机教育, 2007, (4): 52-55.

[2]刘旭东, 熊桂喜. "计算机组成原理"的课程改革与实践[J]. 计算机教育, 2009, (7):74-76.

[3]李民政, 陈智勇. 计算机组成原理教学改革的困境及其出路[J]. 计算机教育, 2010, (24):40-44.

[4]王勇, 黄贤英. “计算机组成原理”的教学方法[J]. 重庆工学院学报：自然科学版, 2008, 22(3):167-170.

A Discussion on Teaching Reform and Research for Principles of Computer Organization

LIU Yanan, LIU Lulu

(SchoolofComputerScience,HefeiNormalUniversity,Hefei230601,China)

Abstract：The paper summarizes teaching reform of and explorative experience in "Principles of Computer Organization". The teaching content should be reasonably organized with emphasis in accordance with the development of technology and the improvement of students' practical ability, and the dynamic problem-based teaching method should be implemented by making full use of modern teaching means so as to improve students' learning interest. Attention should be paid to help enhance students' ability to analyze and solve problems and strengthen the hands-on ability of experiments.

Key words：Principles of Computer Organization; course; teaching reform; practical ability

[收稿日期]2016-01-15

[基金项目]省级专业综合改革试点-计算机科学与技术(2013zy058)，省级教学研究重点项目(2015jyxm271)

[第一作者简介]刘亚楠(1984-)女，博士，合肥师范学院计算机学院教师。研究方向：图像处理。

[中图分类号]TP391.4

[文献标识码]B

[文章编号]1674-2273(2016)03-0079-03