以计算机组成原理为核心的计算机硬件课程的建设与研究

陈 枭 谭慧敏

沈阳师范大学 辽宁沈阳 110034

1 概述

我国由于缺乏高端光刻机技术,在芯片制造领域短时间内还很难实现突破,特别是近些年在经济全球化背景下,各国科技竞争加剧,高端芯片研发以及制造的竞争尤为激烈,我国在这一领域面临的形势更加严峻,迫切需要取得重大突破。高校作为相关专业人才的主要培养单位,需要为学生在校学习期间开设计算机硬件相关课程,帮助学生建立完整的计算机硬件知识体系和扎实的硬件知识基础,为学生在以后的学习深造或从事相关工作做好准备[1]。

计算机组成原理是计算机相关专业的核心课程之一,该课程系统地介绍计算机的组成结构及各组成部分的工作原理,以培养学生硬件分析和设计的基本技能和方法为目标。这门课作为本科教学中计算机硬件相关课程中的重要核心课程,是学生建立完整硬件知识体系的关键,也是计算机相关专业学生考取硕士研究生全国统一命题或院校自主命题考试的必考科目。相较于其他专业课程,计算机组成原理课程内容更加侧重于计算机底层结构和整体架构,对学生硬件先导课知识储备以及综合运用相关知识的能力要求也更高,这都使得学生很难在计算机组成原理课程学习过程中获得成就感,乃至进一步失去了学习该课和其他硬件课程的兴趣和动力。因此,如何调动学生学习积极性,打破当前计算机硬件课程学习的困境,是每一名从事相关课程教学工作的教师都应该深刻思考的问题[2-3]。

2 地方高校本科计算机硬件课程教学现状分析

笔者作为地方高校一名计算机相关专业的专任教师,多年从事计算机专业基础课教学工作,长期为软件工程专业、计算机科学与技术专业本科生讲授计算机组成原理、模拟电子技术、数字电子技术、电路等多门计算机硬件相关课程。为了更好地开展这些课程的教学工作,笔者在课下深入学习和调研了多所省内地方高校计算机和软件工程相关专业的培养方案和课程的教学大纲,发现大多数高校都开设以下计算机硬件基础课程中的一门或者几门,这些课程包括:模拟电子技术、数字电子技术、计算机组成原理,但每所高校相关专业都至少开设了计算机组成原理这门课;也发现不同高校同一专业或者同一高校不同专业开设的课程数量存在差异,即使开设了同一门课程,为课程设置的教学学时也各有不同。下面以笔者工作单位——沈阳师范大学为例,详细介绍当前本科相关专业培养方案中计算机硬件课程设置的现状。

沈阳师范大学开设计算机相关专业的下级学院仅有软件学院,学院开设的专业有软件工程、网络工程、计算机科学与技术三个专业,其中计算机科学与技术专业又在专业内部细化出三个专业方向,分别是嵌入式应用、商务数据分析、计算机师范。在这三个专业的培养方案中,软件工程专业开设的硬件相关课程仅有计算机组成原理一门,网络工程专业开设了模拟电子技术、数字电子技术、计算机组成原理三门硬件基础课程,计算机科学与技术专业所有专业方向都开设了与网络工程专业相同的三门硬件基础课程,其中的嵌入式应用方向又为学生开设了其他几门与嵌入式开发有关的专业方向课。这就使软件工程专业的学生缺少模拟电子和数字电子技术这两门先导课的有关知识,给该专业学生学习计算机组成原理这门课带来很大的困扰。为了达到预期的教学效果,学校要求同一门课的学时设置必须是统一的,所以计算机组成原理这门课的总学时、理论授课学时、实践授课学时在所有开设专业的培养方案中都是一样的,这就使软件工程专业学生很难在有限的学时获得与其他专业相同的教学效果。解决这一问题的最简单方法就是在软件工程专业培养方案中加入模拟电子和数字电子技术两门课,而这又会带来新的问题。当前高校学生学习普遍采用学分制,每位学生达到本科毕业要求需要学习的学分是一定的,但不同专业之间需要学习的课程体系有很大的不同。软件工程专业在开设专业必要的课程后,剩余可供硬件相关课程分配的学分极其有限。当然这样的课程设置方式也是学院广泛调研同层次高校软件工程专业培养方案后确立的,所以其存在的问题也具有一定的典型性,在其他同层次高校软件工程专业中也同样存在这一问题。网络工程和计算机科学与技术两个专业将这三门硬件基础课分别安排在了连续三个学期进行学习,时间跨度较大,学生很难独立建立计算机硬件基础知识体系。

基于以上计算机硬件课程教学现状的分析,本文提出整合模拟电子技术、数字电子技术、计算机组成原理三门课程的内容,创建一门以计算机组成原理为核心的计算机硬件专业基础课。该课程内容以计算机组成原理课程知识点为核心,辅以模拟电子技术和数字电子技术相关内容,打造全方位立体本科计算机硬件基础知识体系。新课程的设立不但有利于学生打破传统硬件课程间的边界,将所学硬件知识融会贯通,也有利于学校和学院对计算机相关专业计算机硬件课程统一管理。本文接下来从理论教学设计、实践教学设计、评价体系设计三个方面详细阐述新课程的建设方案。

3 以计算机组成原理为核心的计算机硬件课程建设方案

3.1 理论教学设计

篇幅所限,本节以计算机组成原理课程重点章节——存储系统一章中的半导体存储器和存储器的扩展两个知识点为例,详细介绍新课程理论教学设计内容。

3.1.1 半导体存储器

半导体存储器包括以静态MOS存储元为基本单元的静态MOS存储器、以动态MOS存储元为基本单元的动态MOS存储器和采用多种制造工艺的只读存储器。在这一小节的理论教学设计中,加入模拟电子技术课程中半导体基本概念、二极管和三极管的结构特性、电路特性;数字电子技术课程中半导体二极管、三极管、MOS管的开关特性,特别是含有电容器件的电路开关特性。通过以上先导课知识的讲授,学生能够更加透彻地理解和熟练掌握不同类型存储器的读写操作方式及其重要特性。

3.1.2 存储器的扩展

由于存储芯片的容量及字长与目标存储器的容量及字长之间可能存在差异,应用存储芯片组成一定容量与字长的存储器时,一般可采用位扩展、字扩展、字位同时扩展等方法。存储器的扩展作为存储系统这一章的重点和难点,在扩展过程中需要使用大量存储芯片、基本逻辑门、译码器等相关元器件,其中涉及的基本逻辑门和译码器都是数字电子技术课程中的重要基础知识。在新课程的实际教学过程中需要加入对这些知识的讲解,而且最好在介绍基本逻辑门的同时进一步展开介绍复合逻辑门、集成逻辑门等;在介绍译码器时适当加入逻辑代数及其基本运算、逻辑函数代数化简法和卡诺图化简法以及译码器的其他应用等相关内容。学生在学习完这些内容后,可以从根本上理解存储器扩展中每个元器件的作用和设计原理。

通过对计算机组成原理课程所有知识点采用以上教学设计方式开展教学,学生可以对计算机硬件知识掌握得更加全面,也可以更好地将计算机硬件知识融会贯通,建立起跨越传统硬件课程边界的立体知识体系。

3.2 实践教学设计

目前地方高校计算机硬件课程实践教学普遍采用的方案主要有两类:以硬件实验箱为代表的硬件仿真和以logisim为代表的软件仿真。其中硬件仿真被国内高校实践教学采用的时间较早,该方案让学生利用实际硬件完成所学理论知识的验证和设计创新,通过实践与理论相结合达到良好的学习效果,但也存在一些弊端,首先就是由于学生都是计算机硬件知识的初学者,在实践教学过程中经常会由于一些误操作导致硬件实验箱元器件损坏,有时一个轮次的实践教学就会有相当比例的硬件实验箱损坏。如果不能及时更新维护,就会影响之后的教学实践活动,较高频次的更新维护也给办学单位增加了人力和物力成本。软件仿真被采用的时间相对较晚,其对实验环境要求仅为普通计算机,仿真软件的安装和使用简单,允许使用者反复修改硬件设计方案,特别是对学生来说试错的成本很低,很快就得到大范围的使用。

近年来,随着教育部及省级有关部门提出在高等院校建设以“金课”为代表的高质量课程,线上线下混合教学模式这一新颖的教学模式由于兼顾二者的优势在高校教学中被广泛使用。传统的线下教学模式中师生面对面进行教学活动,师生沟通及时顺畅,本节讨论的硬件仿真实践教学非常适合采用这种教学模式,这是因为由于办学成本、实践场地、需要专业人员指导等因素的限制,学生很难在课下使用类似硬件实验箱这类的实践教学器材;而软件仿真所需实验条件要求不高,采用线上和线下教学模式都可以取得良好的教学效果,但线上教学模式可以使学生从时间、空间两个方面更为灵活地完成实践学习任务[4-5]。

通过以上对硬件课程中软硬件仿真实施方案的利弊及其与线上线下教学模式结合的详细分析,在以计算机组成原理为核心的计算机硬件课程理论教学设计的基础上,提出在新课程的实践教学环节中采用软硬件仿真线上线下教学混合式实践教学方法,即首先在线上平台布置实践任务,学生使用仿真软件完成实践任务的初设计,任课教师使用线上平台指导学生反复修改并最终确定实验方案,之后在线下实践教学环节中利用硬件实验设备对已有实验方案进行验证,这一教学方法基本符合实际硬件设计工作的实施流程,极大地提升学生在硬件相关专业领域的动手能力和创新能力。另外该方法充分利用已有的软硬件仿真资源,也有利于办学单位在短时间内快速实施。

3.3 评价体系设计

以计算机组成原理为核心的计算机硬件课程评价体系的评价指标由两个部分组成:过程性评价和终结性评价,分别占总课程评价结果的40%和60%,过程性评价的组成可以包括但不限于学生的出勤情况、作业情况、课堂表现情况等,通过这样的评价比重设置可以充分考查学生在整个学习过程中的总体情况,全面客观地对学生课程学习成果给予评价,提升学生参与课程教学的积极性,有利于学生融入课堂、掌握知识,避免一次考试定成绩的偶然性和片面性,尽量兼顾学生平时表现与考试结果两个方面[6-7]。在参照已有课程理论教学和实践教学设计的基础上,评价体系又对应增加了以下几个方面的设计:

(1)由于新课程的教学内容包含模拟电子技术、数字电子技术、计算机组成原理三门课程,那么需要根据以上三门课程中的每一门内容讲授学时占新课程的百分比确定理论作业和实践作业的数目以及相关内容在期末试卷考查题目所占分值。

(2)基于实践教学内容的变化,将实践教学考查内容细分为软件仿真实践环节和硬件仿真实践环节两部分,各占实践教学环节过程性评价的50%。

以上的课程评价体系设计中涉及的相关数值不是一成不变的,可以根据每个轮次授课的具体内容和学时灵活设置。

在过去几年的教学活动中,线上教学辅助平台被广泛应用,线上教学辅助平台应用于课程评价相关环节可以将教师从简单常规的日常统计工作中解放出来,节约有限的课堂教学时间,提升教师的工作效率,而平台对于日常评价各个环节的记录结果也有利于在课程结束时对学生进行过程性评价结果的计算、归纳和总结。评价结果在平台上向学生全面公开,可以使学生直观了解到自己的每一项过程性评价结果,有利于提升评价结果的公平性和可信度。线上平台的数据统计功能帮助任课教师快速及时地获得教学反馈,方便教师对接下来的教学过程进行调整[8]。本课程评价体系将线上教学平台评价方式与传统线下教师评价方式相结合,形成线上线下混合式课程评价体系,对适用于线上平台布置完成的教学内容比如课前预习内容、课上小测验、课后作业和实践题目的布置,课堂上的出勤签到等采用平台和教师在线上结合评价的方式,而类似于学生课堂表现这类主观性比较强的评价指标采用教师线下记录的方式[9]。本课程评价体系包含线上教学平台、任课教师、学生多个主体,过程性评价和终结性评价多个评价指标,兼顾线上线下评价方式,可为上文提出的理论教学和实践教学创新提供有力的辅助和支撑。通过为学生的学习过程给出一个全面客观的评价结果,有效促进课程教学工作的开展。

结语

本文针对地方高校计算机相关专业计算机硬件课程设置中存在的一些问题提出了以计算机组成原理课程为核心的新硬件课程,并分别从课程的理论教学、实践教学、评价体系三个方面进行了创新性的教学改革和研究,希望通过该课程的实际教学帮助学生打造一个完整立体的计算机硬件知识体系,提升学生在计算机硬件方面的专业素养,为学生今后的学习深造以及实际工作打下良好的基础。该课程的实际教学过程和学生反馈结果表明,学生对于课程知识的理解和掌握有了明显的改善和提升,激发了学生学习相关课程的兴趣,学生课堂参与度大幅提升,获得了令人满意的教学效果。