《计算机组成原理》课程在应用型本科教学中的探索

李忠玉

摘 要：《计算机组成原理》作为计算机科学与技术学科的一门核心专业课，在教学过程中存在诸多问题。为了提升教学水平，改善教学效果，本文从《计算机组成原理》该门课程的特点出发，结合应用型本科人才培养的定位，针对该门课程在理论课程环节和实践课程环节中存在的问题，在课程内容、教学模式、教学方法、实践内容等方面进行了一些的思考，提出了一些建议。

关键词：人才培养 课程改革 计算机组成原理 应用型本科

中图分类号：G623 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（a）-0199-03

Abstract：The principle of computer composition is one of the core courses of computer science and technology， and there are many problems in the course of teaching. In order to improve the level and perfect the quality of education.This paper is based on the characteristics of Principle of computer organization course， also combining the orientation of the training of Applied Undergraduate Talents ，and considers the problems existing in the theoretical courses and practical courses. Some Suggestions are put forward in the course content， teaching mode， practice content and so on.

Key Word：Cultivation of talents； Curriculum reform； Principles of computer organization； Application-oriented Undergraduate.

培养高层次应用型人才，以培养知识、能力和素质全面而协调发展，面向生产、建设、管理、服务一线的高级应用型人才是国家培养应用型本科人才的宗旨，計算机组成原理作为计算机科学与技术专业的一门专业核心基础课，旨在讲授单核处理系统的组成和工作原理，并由此扩展到并行体系结构，为后续的物联网技术与应用、计算机操作系统、嵌入式系统应用与开发等专业核心课打下坚实的基础。该课程具有知识范围宽，内容晦涩、抽象等特征，多数高校普遍存在学生听不懂、老师上课痛苦等现象。因此探索这些现象的根源，解决这些问题显得尤为迫切。我们结合近几年对于这门课程的教学经验，对课程进行一些思考，提出了一些改进方法，取得了一定的效果。

1 课程的特点

我院的《计算机组成原理》这门课程选用的是科学出版社出版的白中英版的《计算机组成原理》作为教材，这本教材内容丰富、系统性较强。从教材和实际的课程内容可以看出计算机组成原理具有如下特点：

（1）计算机组成原理是偏硬件性的课程。课程的内容比较晦涩，计算机的硬件对于学生来说只是一堆耗材，比如：CPU，学生就知道CPU的主频越高，计算机的运行就越快。对于学生来说是很难想象CPU内部结构怎么连接，为什么主频越高，运行速度就越快。

（2）课程的内容太笼统。这门课的课程内容是从计算机系统的组成，基本部件，各个部件的功能、指令等等方面进行讲解，整个计算机的体系内容太“丰富”，指令系统偏底层，本科阶段的学生在学习上没有系统的思维模式，由此导致学生学起来比较吃力。

（3）课程实践性较强并与电子技术基础等课程联系紧密。不仅要求学生有较强的实践能力，还要求具有较好的电路分析能力。

（4）课程学习要求学生具有系统“整机”的思维。

2 课程教学中存在的问题

2.1 对于学生

（1）学生对计算机专业缺乏深刻的认识，多数同学认为，计算机专业就是写代码的，只要我学了写程序的语言就能写代码，未来就可以去找个写代码的工作，这就没必要了解计算机内部是怎么工作的，这就直接导致了学生学习激情不足。

（2）学生的学习方式和学习方法存在不足。多数学生在课程中，依旧是课上做笔记，课下背笔记。

（3）学生硬件基础薄弱。由于计算机专业的大多数学生在学习电子技术基础相关课程时没有引起足够的重视，没有打下坚实的基础，导致学习硬件相关课程效果不好。

2.2 对于教师

（1）教学模式比较滞后，教学方法过于单一。目前大多数高校在该门课程理论教学中大多采用传统的多媒体教学，辅之少量的实验教学，多采用简单的实验箱验证性实验模式，直接将课内实验代码烧录到实验箱中，看看结果。这直接导致学生的兴趣不强，感觉没法学到知识，实验中敷衍了事。

（2）硬件设备不足。多数高校在对于计算机专业的学生培养的定位是软件人才，导致在计算机组成原理这门偏硬件课程的实际教学过程中，没有相应的硬件设备作为实践环节的支撑。

3 新行业背景下课程教学的建议

结合计算机组成原理的课程特点和在实际教学中存在的问题，对课程教学提出如下建议：

3.1 课程内容

3.1.1 教学过程中贯穿交叉课程相关内容

计算机组成原理这门课程是偏硬件的一门课程，教师在教学过程中要结合先修课程电子技术基础来进行，适时的给学生进行复习和巩固，同时讲到与后续的嵌入式系统、传感器技术等课程有关的内容时应该给学生重点讲授，加深印象。嵌入式系统、传感器技术等课程是人工智能硬件方向的核心课程，必须让学生引起足够的重视，为就业做铺垫。

3.1.2 优化课程内容，适当取舍传统内容

应用型本科人才培养的实质是面向应用。对于这门课程来说，结合目前智能硬件应用的时代背景，应必须对传统的教学内容进行取舍，在传统内容中重点讲解。多层次存储器中虚拟存储器和cache的原理、指令系统、中央处理器和总线系统。辅助在讲指令系统中引入及ARM汇编指令，由于目前人工智能系统中使用的控制芯片大多采用ARM体系结构，因此有必要引入ARM指令集为学生后续的嵌入式系统这门课打下基础。在讲解中央处理器时引入增强型STM32系列MCU的讲解，为后续的单片机课程打下基础。由于目前多数智能机器人的总线结构均采用CAN模式，所以在讲解总线系统时宜引入CAN总线结构的讲解。定点乘法运算、定点除法运算在实际的讲解过程中，学生较难理解，对于实际的上层应用中也较少用到可以一带而过。避免学生感觉内容过于冗余。

3.2 教学模式和方法

3.2.1 教学中引导学生对课程进行系统的思考

计算机组成原理在教学中大多是先从数据的格式开始先讲定点数、浮点数、二进制开始，然后讲解ALU、存储器、指令系统、中央处理器、总线系统、外设和输入输出系统进行讲解。这直接导致了学生学了很长一段时间过后不知道各个部分的学习到底有什么作用，也感觉每部分都比较难。因此，可以打破传统的教学顺序，从系统的角度来进行讲解，引领学生从宏观上认识计算机（可将计算机比作人）。可以先从计算机最核心的部分中央处理器（比作人的大脑）进行讲解，接着讲解计算机中进行传输的路径：总线系统（比作人的血管），再按照存储器（比作人的记忆系统）、输入输出系统（比作人的四肢）的顺序来进行授课；这样可以便于同学们自上而下的认识计算机，增强学习效果。

3.2.2 问题引导式授课

在每一次课程的教学过程中，对于每一个新的知识点可以采用问题引导法，比如：讲解CPU时，可先以人作为一个类比，问学生：“你每天的行动是由什么来控制，”由人的行动是由大脑来控制，引出计算机的活动是由CPU来控制，借此阐述CPU的功能，从宏观上让学生们了解CPU。这样学生学起来会更有兴趣，也更容易理解。同时老师在课堂上要注意引导学生问问题，通过学生提出的各种问题，老师再引导学生自己解决自己提出的各种问题。学生在自己提出问题，进而解决问题的过程中可以达到知识的升华和巩固，也进一步锻炼了学生提问题和解决问题的能力。

3.2.3 授课中结合行业，激发学生的学习热情

多数老师在第一次课上进行简单的自我介绍后直接就进行课程内容的讲解，這就导致了学生根本就不知道这门课程对后续的学习和工作有什么作用。因此老师有必要在第一次课和后续适当的时机告知学生计算机组成原理这门课程的作用。该课程的内容是电子信息行业的核心基础，物联网、智能交通、智慧城市等等中的信号传输模型和控制模型都与计算机组成原理这门课程息息相关，例如：在物联网中的控制部分大多是采用ARM系统构架的MCU，而计算机组成原理中讲解的8086和扩展讲到的ARM 指令集就是其控制原理的基本阐述。

3.2.4 植入翻转课堂、微课

传统教学模式下学生的在课堂的参与度不高；教师可以对课程中的一些与实际问题相关的知识模块采用翻转课堂的形式，以问题的形式抛给学生，让学生深入的通过图书馆或者网络资源来解决并制作成课件或者微课，课上让学生来讲授。

3.3 实践内容

应用型本科与教学型、科研型的区别是偏向于实际的应用环节，其突出应用，突出技术，故实践教学体系对于应用型本科的人才培养至关重要。计算机组成原理作为传统的理论+实践的课程，这门课程传统的实践环节是以单纯的验证性实验为主，这导致了多数同学对课程的认同度不高，动手能力较差，所以应该建立以验证性实验为辅，设计性实验为主，加之以综合性实验的实践模式，可以适当引入实际一些实际产品的小模块，以增强学生的学习兴趣和动手能力。

（1）验证性的实验。应用于教学的初始阶段，主要设置在概论的知识部分；以加深学生从宏观上对相关知识的理解。

（2）设计性实验。主要设置于运算器、指令系统、外存与I/O系统和输入输出设备部分，引入一些实际的产品模块，让学生模仿进行一些简单的设计或者思考如何用软件编程来实现，例如：对于补码的加减法，可以让学生用C语言或者汇编语言来实现功能，加深学生对运算器的理解。对于存储器，可以给学生一款实际的存储器，让学生用Visio或者Protel绘制简单的存储器原理图；增加学生的兴趣。

（3）综合性的实验。综合性的实验可作为课程结束后，以分组的形式进行，例如：讲解完这门课程后可以给学生几周的时间，让学生课下查阅相关资料完成具有中断功能的模拟机的设计。学生通过此综合性的实验可以从系统的角度掌握计算机组成原理这门课程的整个知识系统构架。

4 结语

人工智能的大背景下，给计算机专业的学生创造了更多的契机，智能硬件作为人工智能中一个非常重要的应用方向，也给《计算机组成原理》这门课程的教学带来的新的机遇和挑战；结合行业背景，探索更适合于应用型本科的教学内容、教学方法和教学模式，努力引导学生积极参与到教学活动中，是值得每一位课程教师深思的事情，这是一个长期的过程，我们应以行业作为课程教学和改革的推动力。

参考文献

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