计算机组成原理课程教学改革与探讨

李 锐，娄树勇

(安徽科技学院 信息与网络工程学院，安徽 蚌埠 233030)

计算机组成原理课程是计算机类专业的专业核心课程，也是教育部列为计算机类专业七门公共核心基础课程之一，同时也是高等院校计算机类硕士研究生入学考试专业课之一[1-2]。它的先导课程有模拟电子技术、数字逻辑、汇编语言等，后续课程有单片机技术、计算机接口技术、微型计算机原理、嵌入式系统技术等，因此“计算机组成原理”具有较高的专业地位和作用，在计算机类专业课程中具有承上启下的功能[3]。随着计算机硬件制造技术的不断发展，电子计算机功能越来越强，主要呈现两极化发展趋势：微型机和巨型机，其中微型机领域主要以Intel(Integrated Electronics Corporation) 或AMD (Advanced Micro Devices)处理和搭配微软(Microsoft Windows)的Windows操作系统为主，但在巨型机领域我国超级计算机如神威系列、天河系列目前一直处于世界顶级水平。当前，各国都在进行新一代非冯诺依曼体系计算机的研发，其中以美国Google公司和中国科技大学潘建伟院士团队的量子计算机为代表，其计算能力与现有计算机相比呈几何级数增加。高校人才培养目标的内在要求促使学校对计算机组成原理课程的教学内容、教学方法、教学手段和评价体系进行改革和调整，从而培养出具有解决实际问题能力的应用型人才。计算机组成原理作为一门研究计算机系统的基本组成和工作原理的专业基础课，涉及到存储器、处理器组成原理和逻辑结构等，因此探讨计算机组成原理课程教学改革与研究是十分必要的。

1 计算机组成原理课程教学现状与分析

计算机组成原理课程是研究单个计算机完整硬件组成的基本原理和运行原理，通常包括五大部分存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备[4-6]。在计算机类专业课程培养体系中，计算机组成原理课程概念、算法、专业术语较多，逻辑性强，对任课教师、学生而言存在一定的难度，许多学生对这门课产生强烈厌学情绪。目前大多数高校选用清华大学出版社蒋本珊老师编写的《计算机组成原理(第4版)》或高等教育出版社唐朔飞教授编写《计算机组成原理(第2版)》作为教材，这些教材都是采用计算机组成五大部分进行内容的组织以及采用自顶向下方式进行编写，五大部分之间的关系如图1所示。

图1 教学内容之间的联系

实验教学一般采用西安唐都科教仪器公司开发的CMA实验平台，主要包括存储器实验、运算器实验、控制器三个验证性实验以及一个简单模型机设计型实验。

综上所述，目前计算机组成原理课程的先行课程基础薄弱、实验教学手段单一、新工科内涵不足等，导致学生学习这门课主动性差、兴趣低。

2 计算机组成原理课程教学内容改革

计算机组成原理课程主要涉及到概述、存储器、运算器、控制器和外部设备5个方面。课程概述方面主要涉及计算机的发展历程和趋势、实验平台软硬系统认知实验；存储器这部分主要涉及存储器系统、主存储器、高速缓冲存储器和虚拟存储器等；控制器部分主要涉及指令系统、微指令设计和微控制器原理，这部分安排理论学时16学时，实验学时2学时；外部设备部分主要讲解输入输出系统、控制方式和总线系统，安排理论课时8学时。另外为提高学生对中央处理(CPU)工作原理的深入了解，安排16课时设计性实验课。综上所述，改革后的计算机组成原理课程理论学时52学时，实验课设置为28个学时，其中包括4个验证性实验项目以及20学时的课程设计，具体安排如表1、表2和表3所示。

表1 计算机组成原理理论课教学安排

表2 计算机组成原理实验课教学安排

表3 计算机组成原理课程设计安排

3 计算机组成原理课程教学方法改革

传统的计算机组成原理课程使用板书和PPT演示向学生传授专业知识，教学活动以任课教师为中心、学生被动式地学习，从而导致学生学习积极性低、参与度不高。为此，在计算机组成原理课程教学中采用当前主流的OBE(Outcomes-Based Education)教学模式，即基于学习的成果导向教育模式[7-8]，在教学组织形式上采用线上线下混合式教学，即在线上利用网络渠道向学生进行授课和在线下使用传统课堂教学方式相结合的教学形式[9-10]。改革后的计算机组成原理课程理论教学采用嵌入思政元素的教学大纲和教学内容，采用启发式教学模式，课堂上鼓励学生走上讲台讲解一些与专业知识相关的科技前沿，既改变学生由被动学习为主动自觉学习，又激发学生的学习热情和培养学生树立为国家计算机技术发展做贡献的远大理想。计算机组成原理实验课传统教学实验利用计算机组成原理综合实验箱，首先让学生理解实验项目的知识原理，然后根据实验指导书对实验箱进行简单的连线，最后根据实验步骤进行机械式的操作，因此在实验课教学中学生很难掌握硬件基础知识。改革后的计算机组成原理实验课以设计CPU为核心内容，软件方面采用EDA设计软件并使用硬件描述语言VHDL或Verilog HDL、硬件方面采用可编程逻辑器件FPGA或CPLD作为实验平台[11-12]。学生使用硬件描述语言在可编程逻辑器件中对计算机核心组成部件进行设计和验证，极大地提高了对理论知识的理解与应用，改变了以往实验箱为主的验证性实验。在实验过程中可以让学生了解工业设计软件EDA以及可编程逻辑单元FPGA在目前工业生产中的作用，结合国外为了遏制我国芯片以及半导体产业的发展，禁止中方相关企业使用外国EDA软件和可编程逻辑单元FPGA事件，激发学生的爱国热情、激励学生主动学习，培养学生的家国情怀，自觉投身于国家建设和民族复兴之中。课余时间带领学生去科技企业和研究院所实地参观和考察，增强同学们对硬件行业科技发展趋势的把握。

4 计算机组成原理课程教学评价改革

教学评价是反映和检测任课教师教学效果和教学状态的手段，一般分为主观评价和客观评价，其中主观评价包括同行评议、教学督导评价、学生评价，客观评价包括教学测验、实验完成度、考试成绩等。改革后计算机组成原理课程采用客观量化方法进行教学评价[13-14]。客观评价体系由平时考勤成绩、阶段性测试成绩、实验完成成绩和期末考试成绩组成。改革后课程教学效果具体考核细则如表4所示，计算公式如下所示：

表4 考核方式以及评分细则

平时成绩(C1)=(平时考勤×0.3+平时测试×0.3+实验成绩×0.4)×0.5

(1)

期末成绩(C2)=期末考试成绩×0.5

(2)

总体教学效果评分(S)由学生平时成绩平均分和期末考试成绩平均分构成

(3)

5 计算机组成原理课程教学管理改革

为了加强教学管理工作，密切与班级辅导员、班主任的沟通并制定严化、细化考勤制度，培养学生诚信意识、法治观念。课堂教学管理是任课老师是否能够有效组织教学活动的关键，通常包括三个方面：课堂教学环境管理、课堂教学秩序与纪律管理、课程教学氛围管理[15-17]。高校课堂管理能力是涵盖人文素养、专业知识、心理学、管理学、沟通力等多种能力的学问，如果任课老师没有较强课堂教学管理能力就无法有效地进行教学活动，因此任课老师必须要严于律己、不断提高综合能力、加强思想政治觉悟。为此，对课堂教学管理实施如下措施，首先，在上课前言明课堂纪律，营造良好的课堂环境，做到课堂气氛活泼但有纪律，让学生养成良好的学习习惯。对于上课玩手机的同学强制要求上课期间上交手机，由学习委员保管，对于上课聊天的同学安排坐在前排，对于睡觉的同学通报给其班级辅导员并对其进行严厉的批评，从思想上让其认识到学习科学知识的重要性。其次，严格并细化考勤制度，做到旷课、迟到、早退及时通报，完善请假手续，按时按量完成各项作业任务，尤其对党员、班干部要加强纪律管理切不可破坏教学秩序和纪律，从而让学生建立起制度思维和自我管理能力。再次，采用启发式教学模式，鼓励学生走上讲台讲授和讨论一些基本概念和算法，激励学生对所学知识产生质疑并通过互动交流解决疑问，培养学生专业知识钻研精神、孜孜不倦的科学精神。课后，教师发布课后作业或课后测试，通过批改学生的作业或课后测试题了解和掌握学生的学习情况，进而确认教学效果。对于整体完成度不高的同学，可以通过短信、QQ或者微信等通信工具与学生进行一对一的沟通和交流，及时地给予学生学习上的帮助和指导，激发学生的学习兴趣，引导学生主动参与学习，实现个性化教学。与此同时，加强和辅导员、班主任的沟通，及时了解学生反馈的意见与建议，对于富有建设性的建议给予一定精神和物质奖励，从而不断改善任课老师的教学管理水平。

6 结论

计算机组成原理课程作为计算机类专业的核心课，具有较高的专业地位和无法替代的作用，是沟通软件与硬件之间的桥梁。一方面，为了提高本科应用型人才培养质量，全面提高计算机组成原理课程在应用型人才培养中的作用；另一方面，目前在处理器以及半导体领域，中美双方企业展开了激烈的竞争与较量，计算机组成原理课程作为一门研究计算机芯片的专业基础课，担负着为社会培养专业能力强的高质量应用型人才。因此，通过从教学内容、教学方法、教学评价、教学管理等多个方面对计算机组成原理课程进行教学改革与研究，旨在提高本门课程的教学质量和教学效果，从而达到应用型本科院校的人才培养目标。