计算机组成原理课程教学改革探析

王 俐

（贵州理工学院大数据学院，贵州 贵阳 550003）

1 引言

计算机组成原理是网络工程、数据科学与大数据技术及网络空间安全等计算机相关专业的专业核心课程。课程主要是站在硬件的角度上侧重讲授计算机组成的一般原理，阐述计算机基本部件的构成和组织方式，使学生形成计算机的整体概念。

从高校计算机相关专业的课程体系来看，计算机组成原理是一门理论性很强的课程，它的先修课程为数字电路技术，后续课程为计算机基础、操作系统、编译原理等，如图1所示。作为一门承上启下的专业课程，该课程在计算机相关专业的教学中占有十分重要的地位和作用，基本上国内所有高校都将该门课程列为相关专业必修课，也是大部分计算机专业的考研课程，其重要程度可见一斑。但就学生的普遍反映来说，这门课程的学习难度大，教学成效有待进一步提升。

图1 计算机组成原理在课程体系中的位置

2 课程教学现状

一方面，各学校在教学上很重视计算机组成原理课程，因其具有涉及知识点多、难度大、内容抽象[1]等特点，课时普遍安排多；另一方面，在教学效果上很多时候难以达到预期目标，总结起来存在以下困难：

（1）课程授课教师的讲授难度大。计算机系统的层次结构复杂，对过去没有接触过太多计算机基础知识的学生而言，内容多、细节多、难点多，教师如何将计算机原理讲解透彻，如何让学生在整个课程的学习中保持兴趣，还存在一定难度。

（2）当前各高校针对此门课程的教学手段普遍较为单一[2]。各高校对此门课程多采用PPT加黑板板书的传统讲授方式，如果教师本身对课程的理解不够透彻，往往只根据教材照本宣科，更加难以激发学生的学习热情。

（3）对本科阶段的学生而言，大多数学子的硬件基础还较为薄弱，会感觉到学习难度大，而教学过程中如果缺乏有效的激励措施，部分学生很可能因学习受挫而对课程丧失兴趣。

（4）学生因不了解计算机组成原理在计算机专业课程体系中的地位，对课程的重视程度不够。现在的普遍现状是，学生一般对更为实用的软件框架具有较高的热情，从而表现出更愿意把时间和精力放在软件类课程的学习偏好[3]，对计算机组成原理课程投入不足，学习效果不佳。

3 课程教学改革的思考

3.1 突出教学内容的重点

计算机组成原理课程以冯⋅诺依曼计算机中的存储器、计算器、控制器及输入、输出设备五大部件入手进行讲授。通过对各部件的结构与功能的层层细化，在逻辑上进行自上而下的知识点分解，提炼教学内容的重点，让学生对计算机的整体构造与原理有深刻的理解，如图2所示。对于存储器，重点掌握静态随机存储器与动态随机存储器存储信息的原理、高速缓冲存储器的作用及地址映射的概念，使学生真正建立起不同存储器组成具有层次结构的存储系统概念。对于输入输出系统，重点掌握输入输出设备与主机信息传送的程序查询、程序中断及直接存储器存取三种控制方式的工作流程，加深学生对整机工作的理解。对于由计算器和控制器组成的中央处理器，重点掌握数的编码方式、数的定点表示与运算、数的浮点表示与运算、中央处理器的功能与组成、指令周期分析、指令的寻址方式及控制单元。对于总线系统，重点掌握总线的概念、总线判优控制及总线通信控制，让学生深刻理解总线系统在计算机硬件结构中的作用。

图2 教学重点内容分解

学生通过对课程重要知识点的掌握，能理解计算机系统中各部件的组成与工作原理及各部件的互联方式，能理解计算机的层次结构，掌握软硬件之间指令系统的原理，能运用计算机组成的相关知识解决计算机系统的实际问题，并对各部件进行简单的设计与分析。

3.2 混合教学模式的实施

教学绝不能仅仅停留在课堂本身，根据教学规律可知，没有好的课前准备和课后巩固，仅仅在课堂内的有限时间进行学习，效果往往不佳，更难以入脑入心。必须把学习的全流程管理作为课程教学改革的主要抓手，课前、课中、课后协调配合，师生共同努力，切实提升教学效果[4]。

（1）课前导学环节

根据当前的教育发展趋势，线上资源越来越充沛，不仅有课本上的知识点，拓展的内容更是十分丰富，且不局限于国内，全世界很多高校和教育机构提供了大量的相关音视频和文字材料。和过去相比，现在的主要问题不是资讯不足而是内容太多，学生在选择时可能会感到无所适从，出现盲目学习但效率不高的情况。因此课前导学主要的工作要点是教师课前在浩瀚的学习资源中筛选出最适合学生学习进度和水平的内容，可以采取上线预习的方式，结合课程所要讲授的内容，提前给学生布置MOOC上相关课程的视频资源进行观看学习，并通过在雨课堂上或其他辅助教学平台发布预习题，帮助学生更好地掌握课前预习的内容。

（2）课堂教学环节

课堂教学可以更多地采取多媒体教学方式，特别是通过制作更加形象直观的PPT动态演示以及灵活运用思维导图等工具，帮助学生能深入理解课程中的知识点。对于重要知识，在辅助教学平台上发布课堂试题，随时查看学生做题情况，更有针对性地进行教学内容讲解，能使学生更好地掌握相关知识。

（3）课后指导环节

课后环节也是教学过程中不能忽视的部分，通过课后合理布置作业和思考题，可以提高学生对所学知识的理解。作为授课教师，所布置作业的广度与深度必须切实考虑学生对知识掌握程度的个体差异，使学生通过课后练习更好地吸收教学内容；而思考题布置的目的是要激发学生的好奇心与学习热情，可以不拘泥于课本知识，相对要更具有挑战性和延展性，鼓励他们成立兴趣小组共同完成学业报告，营造一种互相讨论的氛围。

3.3 案例库的建设

将现代计算机系统的构成与课程知识点相结合，逐步建设生动有趣又与现实科技发展紧密联系的案例库。通过对相关案例的讲解，可以更好地调动学生的主观能动性，激发他们自主学习、解析问题的意愿和热情。

（1）针对冯⋅诺依曼计算机框架，可通过以下问题建设案例：它是在什么背景下提出来的？为什么采用二进制？当数据与指令以同等的地位存储在存储器时，如何区分数据与指令？冯⋅诺依曼计算机框架与现代计算机相比较，区别是什么？

（2）针对存储器，可通过以下问题建设案例：主存储器和高速缓冲存储器的发展过程中有哪些标准及其技术特点？现代计算机的存储系统采用的层次结构？为什么分立存储数据与指令？分析某型计算机，其具有哪些类型的寄存器？

（3)针对总线系统，可通过以下问题建设案例：现代个人计算机所采用的总线结构常用的总线标准有哪些及其使用场景？

（4）针对计算器，可通过以下问题建设案例：现代计算机采用的编码方式？计算机系统中如何实现加减乘除运算？如何提高计算机的运算速度？

（5）针对输入输出系统，可通过以下问题建设案例：分析某型计算机，输入输出设备与主机交换信息时使用的控制方式有哪些？在怎样的场景下，使用中断方式或直接存储器存取方式？

（6）针对指令系统，可通过以下问题建设案例：对某型计算机进行分析，其所采用的指令结构是怎样的？指令系统有哪些寻址方式？复杂指令系统与精简指令系统的特点和区别是什么？

在教学实践中，通过系统总线案例库中现代计算机常用的USB、PCI、AGP等总线标准对学生进行讲解，可以加深他们对相关知识的理解。如图3所示，通过这样的学习后，教师在课堂中发布练习题进行测试，65名学生中有94%正确完成习题，相比不使用案例库的教学方式有显著提升。可见案例库的建设确实可以提高学生对知识的吸收。但遗憾的是，当前的教学中，案例库无论从内容本身还是课程覆盖范围都还比较欠缺，有待相关教研人员和部门通过实践和开发，不断加强相关模块的建设。

图3 课堂测试结果

3.4 思政建设调动学习热情

革命先辈所提出的“为中华崛起而读书”激励了一代代中华儿女刻苦学习，报效国家。这种精神在今天的高校仍然具有时代价值与意义，通过融入课程思政教学[5]，挖掘课程内容，提高学生的思想觉悟，调动他们的学习热情，不仅能够提高学生的学习能力，还可以在这个过程中不断培养“敬业、精益、专注、创新”的大国工匠精神，让个人能受益终生。

（1）超级计算机研究

介绍我国超级计算机从落后到领先的发展过程，增强学生民族自豪感，引导他们努力学习，在我国科技发展中做出贡献，为中华民族的伟大复兴贡献自己的力量。

（2）中央处理器的发展

介绍中央处理器芯片的发展历程及我国芯片技术的现状，激发学生的危机感和紧迫感，引导他们在国家“卡脖子”技术的研发工作中贡献自己的智慧。

（3）指令系统的发展

介绍复杂指令系统与精简指令系统的特点，给学生指明系统并不就越复杂越好，在项目的开发中总存在技术折中的情况。在课程的讲授过程中，向学生介绍实际项目研发中的相关知识，激发学生学习的积极性。

4 结语

为提高计算机组成原理课程的教学效果和教学质量，特别是培养学生在计算机系统的设计、分析及解决问题的能力，针对目前课程教学存在的不足和难点，可以考虑从课程的教学内容、教学模式、教学方法与课程思政等方面进行思考与探讨，促进课程的建设与发展，使学生更好地掌握计算机硬件系统的基本设计技术，为今后的进一步学习和工作打下良好基础。