物联网工程专业计算机组成原理教学改革探索

黄庭培+郑秋梅

（中国石油大学（华东）计算机与通信工程学院，山东 青岛 266580）

摘要：针对物联网工程专业计算机组成原理课程在教学中面临的新问题，分析物联网工程专业的人才培养目标及物联网行业的特点，阐述面向物联网工程专业的计算机组成原理课程教学改革方法，提出基于分流培养模式的层次化教学内容设置方案。

关键词：物联网；计算机组成原理；分流培养；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）50-0103-02

一、引言

计算机组成原理课程是计算机类专业本科阶段最重要的核心基础课之一，在整个计算机类专业教学中起着重要的承上启下的作用。该课程对于学生完整地理解计算机系统的层次结构，系统地建立计算机整机的概念，培养学生对计算机系统分析、应用、设计及开发的能力，都具有非常重要的作用。目前，国内重点高校的计算机组成原理课程主要是面向计算机科学与技术、软件工程和网络工程等专业的学生，相关教学改革研究也主要是针对上述计算机类专业展开的，很少针对物联网工程专业展开计算机组成原理课程教学改革研究。然而，教育部自2010年批准设置物联网工程专业以来，国内很多高校陆续开设了物联网工程专业，我校于2014年也开设物联网工程专业。针对新开设的物联网工程专业的培养方案、人才培养目标及物联网行业的特点，有必要对计算机组成原理课程的教学改革展开新的研究，以使本课程更好地为物联网工程专业学生后續课程的学习打下坚实的基础。本文针对物联网工程专业的人才培养方案与人才培养目标，基于物联网行业的整体发展趋势和人才市场的需求，通过分析当前物联网工程专业的专业特点，并总结目前物联网工程专业在教学过程中存在的问题，构建适用于物联网工程专业的计算机组成原理课程的教学内容。在设置教学内容时把握内容的基础性和新颖性，既注重基础的、核心教学内容的完整性，又要考虑物联网工程专业的特点。同时，又要跟上现代计算技术的发展水平和实际情况，增加新进而实用的相关知识点。既要考虑教学内容的完整性，又要考虑到教学学时的有限性，设计部分培养和训练学生自主学习的内容，从而构建课堂学习与自主学习相融合的教学内容，最终形成一套基于分流培养模式的层次化教学内容。

二、物联网工程专业计算机组成原理课程面临的新问题

物联网工程专业以培养能够系统地掌握物联网的相关理论、方法和技能，具备通信技术、网络技术、传感技术等信息领域宽广的专业知识的高级工程技术人才。物联网涵盖了传感器技术、射频识别技术、嵌入式系统技术、数据库技术、通信技术、互联网技术以及云计算技术等，是一门具有涉及领域广、学科交叉性强和工程实践性强等特点的学科，物联网系统更是新一代信息技术的高度集成和综合运用。因此，面向物联网工程专业，本课程的授课内容还需要考虑以下二个方面的问题。

1.物联网工程专业对嵌入式相关内容有较高要求。英特尔构架事业部副总裁兼嵌入式与通信事业部总经理唐迪曼指出“物联网的核心基础：嵌入式”。指出物联网是嵌入式计算系统一种新的应用，比较传统的嵌入式系统应用，物联网应用的层次更加丰富和复杂，既有表现在传感层上的实时应用，还有在计算和网络应用层上的海量的数据处理和分析工作。物联网作为新一代信息技术的重要组成部分，是互联网与嵌入式计算系统发展到高级阶段的融合。嵌入式计算技术已经成为物联网行业的关键技术。然而，传统面向计算机科学与技术专业和软件工程专业的计算机组成原理的大部分内容是面向复杂指令系统计算机类而设置的，而面向嵌入式类的，如面向精简指令系统计算机类的授课内容几乎没有涉及。而我校物联网工程专业在本课程的后续课程中有很多与嵌入式相关的课程。

2.物联网工程专业的培养方案及前后课程设置与其他计算机类专业不同。随着半导体工艺技术的飞速进步和体系结构的不断发展，多核/众核处理机硬件日趋普及，使得昔日高端的并行计算机呈现出普适化的发展趋势，并行计算系统已成为各类计算系统的基础。然而，我校物联网工程专业的培养方案与计算机科学与技术专业的培养方案不同，在本课程之前并未设置汇编语言与接口技术课程，本课程之后也没有计算机系统结构、编译原理等课程。因此，需要结合物联网工程专业培养方案的实际情况，根据前后课程的设置来构建本课程的授课内容。例如，原先在计算机系统结构课程中介绍的新进技术，如多处理器、多核、流水线技术等有必要有取舍地引入到本课程中来。因此，我们有必要结合物联网工程专业的培养方案、人才培养目标和物联网的行业特点，对本课程的教学内容的设置进行进一步深入研究。

三、基于分流培养模式的层次化教学内容设置

在我校原有课程内容的基础上，我们借鉴了南京大学计算机系统基础课程的部分授课内容，同时结合物联网工程专业的人才培养目标和我校物联网工程专业培养方案，采用了“计算机组成与设计：硬件/软件接口”一书的部分内容，将本课程由原来的9个部分优化为7个部分，去除了原有课程中外部设备部分内容。并将原先第2部分（计算机中数据信息的表示）和第3部分（运算方法和运算器）的内容进行合并，弱化了运算部件设计部分的内容，此部分内容可在实验课程或后续计算机组成与设计课程中重点讲解。同时，将系统总线和输入输出系统进行了合并，并增加了异常控制流部分内容。优化后的授课内容如下：第1部分是计算机系统概述，第2和第3部分分别介绍高级语言程序中的数据和语句所对应的底层机器级表示，展示的是高级语言程序到机器级语言程序的对应转换关系，即数据的机器级表示与处理和指令系统；第4部分和第5部分着重介绍与程序的运行密切相关的硬件部分—中央处理器和存储器的组织，即中央处理器和层次结构存储系统；第6部分介绍打断程序正常运行的事件机制—异常控制流；第7部分主要介绍程序中I/O操作的实现机制。其中，每个部分又包含了3个层次：基础与核心、专业特色和新进技术和知识点强化。

1.基础与核心：本部分内容主要包括计算机系统最基础与最核心的内容，是本门课程重点讲授的内容，与原有课程的教学内容基本上相同，但结合物联网工程专业的培养需求，做了部分优化。

2.专业特色与新进技术：本部分内容结合物联网工程的专业特色，考虑了嵌入式计算系统在物联网应用系统中核心与基础地位，设置了部分以ARM和MIPS为实例的内容。同时，考虑到并行计算系统的重要性及我校物联网工程专业后续课程中没有计算机系统结构课程，引入了部分新进技术，如流水线方式下指令的执行和并行与存储器层次结构。

3.知识点强化：本部分内容贯穿整个教学内容，是训练和强化学生建立整机概念的重要环节。拟以高级语言程序的开发和运行过程为主线，将该过程中每个环节所涉及的硬件和软件的基本概念關联起来，以使学生建立起一个完整的计算机系统层次结构及其相互转换关系，并建立起整个专业课程之间的相互关系。同时，对指令在硬件上的执行过程和指令的底层硬件执行机制有一定的认识和理解，从而增强学生在程序的调试、性能优化、移植和健壮性保证等方面的系统能力，并为后续的相关课程打下基础。最后，考虑到课时的限制，我们设置了部分培养和训练学生自主学习能力的内容，主要包括数字逻辑电路、汇编语言、基于FPGA的数字系统开发基础等内容。

四、结束语

计算机组成原理课程的地位决定了合理设置本课程教学内容的重要性。在面向新开设的物联网工程专业时，需要考虑新专业的培养方案、人才培养目标以及物联网行业的特点，同时要考虑新技术的发展，并结合物联网专业学生的实际情况来设置合理有效的教学内容。

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