应用型本科院校《计算机组成原理》课程改革的思考

刘毅文　米春桥　刘佳

摘要：《计算机组成原理》课程作为高校计算机相关专业的通识专业课，对于培养学生的深入理解现代计算机系统和解决数字系统复杂工程问题都具有举足轻重的作用。在实际课程教学中往往会出现学生对课程重要性认识不足、缺少学习动力、缺乏前导课程基础，课堂所学理论不能很好地用于社会实践等现象。文章围绕如何引导学生学好计算机组成原理这门课程，从改进教学内容和方法、教学手段以及考核方式改革等方面提出相关的思考。

关键词：计算机组成原理；深入理解现代计算机；课程教学改革；汇编程序设计；计算机专业统考科目

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）05-0095-03

Abstract： Principles of computer organization course， as a general course of computer related majors， plays an important role in both of cultivating students' understanding of modern computer system and solving complex engineering problems of digital systems. In the actual teaching， students often lack the awareness of the importance of the curriculum， learning motivation，the basis of the leading curriculum and can not used classroom theory for social practice. Based on the above problems，the reflection is put forward on how to improve from the teaching contents and methods， teaching methods and assessment methods.

Key words： principles of computer organization； understanding of modern computer system； course teaching； assembly； computer professional examination subject

1 引言

随着云计算、物联网技术日新月异的发展，各式各样的计算机智能设备层出不穷，丰富着人类的日常生活。早期的程序员需要了解硬件架构特点进行编程，同时也要掌握计算机的工作原理。随着计算机复杂度、专业度越来越高，人与计算机的交流也逐步交给操作系统和专业软件，除了少数底层硬件架构专家之外，普通人群和学生很难接触到计算机硬件的设计和制造，无法完整理解计算机系统的构成和工作原理。

计算机组成原理是计算机相关专业本科生必修的一门核心专业通识课程，2009年开始列入全国硕士研究生计算机專业统考科目之一。它不仅从底层视角为学生展现单处理机系统的基本组成和工作原理，培养学生着手研究数字系统复杂工程的能力。在学习和掌握各部件功能结构的基础上，学生可以发挥主观能动性，去自主、系统地分析、设计、解决实际问题，在整个过程中数字系统的设计、研发和动手等能力逐步获得提升。它在计算机学科的教学体系中，起着承上启下的作用，扮演着极其重要的角色。上接高级程序设计（C语言）、汇编语言程序设计、数字电路设计以及数字逻辑等先导课程；下连操作系统原理、嵌入式系统应用与开发、计算机体系结构等后续核心专业课程。

然而，通过实际教学发现一些存在的问题，例如：学生对学习该课程的重要性认识不足，缺少学习动力，缺乏前导课程基础，课堂所学理论不能很好地运用于社会实践。围绕以上问题提出一些思考与想法。

2 课堂教学现状

2.1 学生对课程的认识不足，自主学习性不强

不少毕业就想从事工作的学生认为现今互联网行业中的主要工作是研发上层应用软件——写程序、敲代码，有成熟的操作系统和开发框架的帮助，不用关心计算机内部各部件的基本组成和工作原理，对今后的岗位竞争没有多大帮助，所以学习动力不足；还有一部分想继续深造的同学，仅仅把该课程当作一门课程来学，知识点死记硬背，应付考试即可。如何在教学过程中作积极、有效的引导，对课本内容作有必要的取舍是教师需要思考的首要问题。

2.2 学生基础薄弱，硬件接触少，知识点难消化

计算机组成原理课程中主要讲授底层硬件的结构和工作原理，在计算机多级存储结构章节中，会涉及寄存器，锁存器，缓存的概念和工作方式，这些知识在汇编语言、数字逻辑等课程中就是个难点，很多内容在当时提出来就是一篇高水平的论文，难度大，学生吃不透，在脑海中只有一个模糊的概念；学生接触硬件的机会少，普通存在“吃软怕硬”的现象。在心理上首先败下阵来，甚至有抵触心理，更不用去要求学生理解透彻，掌握深入了。学生基础没打好，课程消化不了，在综合运用知识去解决实际问题时会感到学习很吃力，无从下手，兴趣不高。事实上，我院其他专业如网络工程、软件工程的学生已经没有开设汇编程序设计课程，跨度更大。

2.3 课程内容抽象

课程中的不少知识和内容都是围绕CPU芯片内部的处理，操作展开讲述的，例如数值在计算机中的表示、存储、算术运算、溢出、逻辑运算，CPU的控制器是如何取指令、分析指令、执行指令的，数字信息、地址信息和控制信息的传递是如何沿着总线进行的，这些都是看不见，摸不着的，课程内容很抽象。学生在没有掌握的前提下往往会把各部件孤立起来学习，抓不住主线，对计算机系统没有整体概念。

2.4 课程定位模糊

课程的内容广泛，包括计算机系统概论、计算机系统的基本组成、各部分组件的功能、结构、设计方法，CPU的工作机制和高性能计算机的新技术，学校的电气工程专业、数学专业与计算机专业的本科生都在使用。根据学生培养方案的不同，教学内容应有所侧重，有所取舍。照着一套讲义与不同需求的学生讲课，显然违背了教师“因材施教”的原则。此外，教材还是按照学术性人才培养模式编写，不能很好地顺应我校从研究型向应用型转型的理念。

2.5 课本知识结构滞后，教学方法不够灵活

随着计算机技术和电子技术的飞速发展，计算机内部结构高度大规模集成化，云计算、物互联、大数据正在快速地改变人类的生活方式。目前大多数教材介绍举例的机型还是8086系列，相比其他机型8086结构简单原理清晰，但与现实生活使用的机型还有很大的距离。在应用型本科院校的学生培养模式上，引导学生了解现代计算机系统最新发展，了解的最新发展技术，在利用新技术的基础上加入创新创业教育，符合时代的需要。

3 教学改革与探索

3.1 合理组织教学内容，以趣导学

计算机组成原理课程组的老师围绕教学内容开展过数次研讨，在完成教学大纲的基本要求上，兼顾专业与应用的需求，将课程重点放在补码基本运算、存储器分层与Cache设计原理、指令系统、运算与控制器、总线的设计上，重点内容力争讲深、讲透，再结合当前热门技术云计算、物联网、大数据中涉及的一些关键点，激发和培养学生的学习兴趣，用理论阐述技术背后的原理。如云计算中虚拟节点与物理处理机的映射、虚拟存储和物理存储间的映射、物联网通信同步与异步的处理方式等。我们按照从设计背景、设计思路着手，以通用基本原理、真实计算机举例原理抽取、简单原理示例3个层次来逐层讲解。计算机的部件发展受人类社会物质发展的制约，从图灵机到ENIAC，到8086机器，再到现在的云计算，一次次计算机软硬件的飞跃，都有历史背景的烙印和实际需求。在课堂上我们可以从背景、意义、设计思路入手，开拓学生视野，引起学生共鸣，再切入正题，做到水到渠成，没有为讲知识而讲知识的突兀感。

通用基本原理是基础，最重要的是要讲清每个原理的稳定性、通用性、思想性，这是学习与理解计算机组成与运行机制的核心知識。稳定性是指原理不随时间变迁而改变，通用性是指不随具体机型而变化，思想性是指原理抓住一定的规律，通过思考，反复归纳总结才设计出的，这些都是学生一定要掌握的内容。例如从1946年至今计算机的设计依然沿用冯诺依曼架构，讲清楚它的架构特点，并带领学生去思考设计思路。

在具体的计算机终端设备举例方面，不同样式的计算机系统，不同部件的设计，概括最基本结构和工作原理，更多强调了解计算机当前的技术水平和发展现状，主要以Pentium机、移动终端为主，甚至以计算机网络、云计算为例；从典型案例中提取出所学原理，这样既提高了学生的学习兴趣，又弥补了教材与实际的脱节，提高了这门课的使用价值。简明原理示例来自实验计算机系统，这个层次处在基本通用原理和真实计算机系统实例这两个层次之间，强调运用学习到的基本原理知识，设计实现一台简单（易学、价廉）实例计算机系统的方法与过程，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 采用多种教学方法

3.2.1 贯彻以问题驱动课堂教学，以实例讲解原理知识

讲授每一个新内容之前，教师针对上一节内容简单扼要的总结，归纳出重要知识点，然后承上启下地诱导出新内容。提出“解决这样的问题该怎么办”或者“既然用这一种方法来解决问题存在着这样缺点，那么，还有什么更先进的方法”，或者“学了这几种方法后，对比下哪个方法好，哪种方法差呢”等问题，用问题激发学生学习的兴趣，再引出原理。如果学生认为这些问题依然很抽象，教师可以适当从生活中举例，请学生自己考虑如果解决生活中的实际问题。通过提问，让学生主动去思考解决的方法，对比自己思考的方法和书中提供的方法，再引导学生在不同的场景下选用不同的方法，从而形成良好的思维方式和思维方法。

3.2.2 综合性的知识点采用翻转课堂

课下提出精心准备的问题，课上放手让学生自学或讨论，既培养了学生的自学能力，又能培养学生思考问题解决问题的能力。例如 20世纪90年代Sun公司首席执行官Scott McNealy曾提出了“网络计算机”的概念，结合课程中所讲到的冯诺依曼计算机结构特点，让学生讨论这样的问题“网络究竟是计算机吗？你是如何理解的？”，会加深学生对计算机各组件的结构和工作方式的理解。

3.2.3 使用软件仿真硬件功能

教师课堂讲授计算机各部件的基本组成原理和工作原理时，也要注意理论知识的实现环节，结合专业学生的学科特点，使学生的感性认识与理性认识结合起来，使用C语言模拟内存、运算器、指令系统的工作方式，仿真硬件功能，以激发学生学习的积极性和主动性，体会硬件工作的机理和复杂性。例如在运算器教学环节，教师在讲授完补码，浮点数和定点数的溢出与运算等后，可以要求学生思考如何用C语言编程来实现这些功能，指导学生设计编写程序，让学生独立完成整个设计过程，然后再讲解书中使用硬件方法是如何来实现的。这样一种理论与实际相结合的教学过程，让学生亲身体会过全过程，切身感受到硬件设计者的聪明才智，能够极大地激发学生的学习兴趣，达到较好的教学目的。

3.2.4 习题引导应遵循循序渐进、检验所学、启发思考的原则

选题时应该注意题不一定要多，但需要具有代表性，使学生能举一反三。习题一般应由两部分构成，一是针对一些比较抽象、容易混淆的基本概念和基本原理而设计的习题；二是针对基本理论的操作和应用而设计的习题。针对第二类习题通过组织学生讨论、集体学习提出、不断锻炼学生的独立思考问题的能力。在适当的时机可从研究生入学真题中抽取应用性强、适用性强的题进行专题讲解，帮助学生查漏补缺。教师在教学过程中也能及时发现教学中的问题，以达到单元教学的目的。

3.3 充分利用多样教学手段

计算机组成原理课程中很多工作过程都是发生在芯片内部，是黑盒过程——看不见摸不着，内容很抽象，而且电路图、时序图也非常多。为了提高课堂教学效果，遵循“动比静好，图比字好”的设计思想进行多媒体课件的制作。除了传统的PPT文档，静态图解之外，还可以采用flash动画、视频动画、课程网站、教学APP、微课视频制作等。动态展现抽象知识，其较强的刺激作用有助于学生理解概念的本质属性，促进学生知识的建构。

3.4 改革考试方法，以考促教

目前计算机组成原理考试仍然采用闭卷考试，以期末成绩作为最终结果。这种考试评价方式导致学生在课程学习过程缺少动力，在期末去找题做题背题，以此通过课程考试。这种学习方式是为了考试而学习，没有达到课程开设的目的。作为一所应用型大学，学习原理性的课程应该重在应用，用所学的原理去阐述计算机系统中遇到的各类问题，而不是盯在概念的定义和原理的描述上。

计算机组成原理考试评价体制可采用过程化评价，重视课堂表现。在课堂上选取适当的当前热点引发学生的思考和讨论，或者对比书上介绍方法的优缺点，何时应用，你还有其他方法吗？在课后布置一些学术热点，利用学习的知识去分析它，或可设计编程题，用软件编程模拟硬件功能。期末考试選择开卷的方式，开了卷教师出题也更自由，会倾向综合性更强，应用性更强的题，“一题考一本书”的方式可以有机结合计算机系统各个部件的功能，不再像之前只将各个知识点孤立开来学习。通过考试，促进教师在教学过程和出题过程中不断有了新的思考，同样也要求教师的视野更加开阔，平时需要留心收集学术热点和社会热点，以及锻炼系统整合能力；同样也要求学生对知识点灵活运用，融会贯通。

4 结语

计算机组成原理是一门理论抽象、偏底层硬件架构、实践性很强、承上启下的专业课程。要提高本课程的教学质量，需要在理论和实践课堂教学中下工夫、在教学内容、教学方法、教学手段、考核方式上不断研究和调整，结合社会实践需要积极引导学生参与教学过程，将计算机软硬件技术的最新发展、高性能计算技术引入到教学过程中。

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