面向工程教育认证的计算机组成原理课程改革的探索

谢从华+++徐文彬

摘 要： 为了满足工程教育认证对计算机类专业人才培养的要求，针对计算机组成原理课程，探讨了改革的必要性。从课程教学目的、教学方法和教学内容三个方面提出了一些适合工程教育认证的课程改革措施。该课程改革措施实施后，取得了较好的教学效果，值得计算机专业的其他课程参考。

关键词： 工程教育认证； 教学目的； 教学方法； 教学内容

中图分类法：G642 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）05-97-03

Abstract： In order to meet the requirements of engineering education accreditation for computer professionals， the necessity of reform is discussed against the principles of computer organization course. This paper puts forward some course reform measures suitable for engineering education accreditation from three aspects of the teaching purpose， teaching methods and teaching contents of the course. After the implementation of the course reform measures， good teaching effect has been achieved， which is worthy of reference to other courses in computer relative majors.

Key words： engineering education accreditation； teaching purpose； teaching methods； teaching contents

0 引言

计算机组成原理是计算机科学与技术等专业的一门核心课程，是很多高校研究生入学考试中的专业科目之一。它以先修课程计算机导论、程序设计、汇编语言和数字逻辑为基础对计算机专业知识进行拓展[1]，并为后续课程计算机体系结构、嵌入式系统、单片机原理与应用等课程提供知识基础。通过学习该课程，学生可以了解计算机硬件的基本组成及其工作原理，掌握计算机的工作过程及其各部分硬件之间的联系，最终建立起整机的系统概念[2]。

目前，已有较多该课程教学改革方面的研究[1-6]，涉及到教材选择、教学内容设计、教学模式研究、教学方法创新、实验教学运用等方面，这些研究为该课程教学提供了很多可供参考的新思路。

工程教育认证对不同教育背景的人才受教育的实质等效性提出了认证的要求，符合国际惯例。工程教育认证是时代发展到一定阶段的必然产物， 2013年6月，我国工程教育成功加入华盛顿协议。近年来，常熟理工学院积极探索工程教育认证的工作，包括计算机类专业围绕2015版工程教育专业认证标准开展专业建设。在此背景下，课题组针对计算机组成原理课程如何满足工程教育认证进行了改革探索。

1 教学目标研究

工程是人们综合运用科学理论和技术手段去改造客观世界的实践活动，是一种创造性的活动。面对当今世界的工程学科相互交叉与融合日益明显的现状，现代工程作为多学科的综合体，越来越依赖社会、政治、经济、环境、法律和文化背景。事实证明，工程技术人才对于国家的科技水平及国际地位有着决定性的影响，重视学生工程能力的培养已经成为世界各国高等工程教育的共识和新的趋势。在工程认证体制中专业培养目标中，要明确指出学生毕业时需达到的要求，其中除了对专业知识掌握程度的要求外，还有对学生能力的发展程度的具体要求。由于在专业的新评价模式上，学生培养目标的具体化和可评估化，对人才培养的要求不仅体现在专业知识要求上，还体现在各种能力和技术上。

课程目标主要体现在培养方案中总培养目标对于课程类型、课程的深度和广度上的具体要求。结合国际工程认证的要求，在企业和行业专家的参与下，修订了计算机组成原理课程目标。具体如下：

⑴ 具有较强的社会责任感和良好的计算机工程职业道德，能正确认识计算机系统工程对于客观世界和社会的影响，理解计算机系统工程专业及其服务于社会、职业和环境的责任；

⑵ 学习计算机的基本概念、基本组成及基本功能，掌握计算机的各个基本组成部件及控制单元的工作原理，具有运用物理科学基础知识解释计算机系统工程问题的基本能力；

⑶ 掌握计算机组成的基础理论知识和专业知识，了解计算机组成的核心概念、知识结构和典型方法，了解计算机组成的前沿发展现状和趋势；

⑷ 掌握计算机组成的基本理论和基本知识，熟悉计算机体系结构等基本原理，特别是能够掌握计算机组成系统的设计与开发能力；

⑸ 使学生掌握有关软、硬件的基本知识，尤其是各基本组成部件有机连接构成整机系统的方法，使学生具有一定的计算机系统的分析、设计、开发能力；

⑹ 具有适应发展能力以及终身学习能力，掌握通过图书馆、搜索引擎等获取计算机组成相关信息的基本方法；

⑺ 培养学生的工程实践学习能力，使学生掌握计算机组成原理的实验方法，具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力。

2 教学内容研究

根据工程教育认证体制下的人才培养特点，探讨计算机组成原理课程可以为工程专业人才培养提供哪些知识点和能力培养。

首先，掌握计算机组成的知识点，如存储元器件、存储单元、存储地址、存储字长、存储空间、存储器分类及特征、高速缓存、地址映射、时序、读、写、刷新、存储位扩展、存储地址扩展、存储器的校验、总线特征、总线分类、总线结构、总线控制、定点小数和整数的真值、原码、补码、反码和移码、机器零、溢出、移位运算、逻辑运算、算术运算、机器指令、操作数、操作码、指令字长、陷阱、中断、寻址、寄存器、控制信号、指令周期、指令流水、机器周期、时钟周期、节拍、微操作、微程序、接口、通道等。

其次，工程实践能力的培养。如实验设计、实验数据处理、实验团队协作能力、实验文档总结及动手能力。根据计算机相关元器件和文档的标准、规范、手册和图册完成如下几个工程实验项目：

⑴ TEC-XP16教学实验系统监控命令、指令系统、汇编程序设计；

⑵ PLD器件GAL20V8芯片实现2-4译码器线路功能的简单组合逻辑电路；

⑶ CPLD器件MACH芯片实现简单组合逻辑电路以及时序逻辑电路实验；

⑷ AM2901运算器的功能与具体用法；

⑸ 理解TEC-XP16教学计算机的功能部件MACH的组成和线路逻辑关系的29条基本指令并设计几条扩展指令的组合逻辑控制；

⑹ 比较RAM（6116）、EEPROM（28 系列芯片）EPROM（27 系列芯片）在读写上的异同并实现位扩展和字扩展实验；

⑺ 利用串行通信接口芯片8251实现PC机和Tec-XP16之间的COM1和COM2串口的I/O扩展等。

最后，系统分析能力培养，解决计算机系统的软硬件工程能力。根据计算机相关元器件和文档的标准、规范、手册和图册完成如下几个系统工程项目：①根据给定的元器件分析并设计存储器的字位扩容的电路；②根据给定的主存和Cache设计并分析地址映射方案；③设计并实现快速加法器或乘法器的软硬件系统；④根据给定的指令机器和指令类型分析并设计指令系统；⑤根据给定的元器件设计并实现微程序控制或组合逻辑控制系统等。

3 教学方法研究

首先，以面向解决复杂的存储、运算和输入输出等工程问题为背景，运用先进的工程化方法、技术和工具分析、设计、开发计算机系统的软硬件，在解决工程问题中融入计算机组成的基本知识点与技术理论，通过多媒体课件中的动画模拟仿真，缩短教学和计算机硬件和软件工程的距离，学生能够具备工程技术人才的基本素质。

其次，理论和实践能力的培养需要提高与工程行业的结合度。计算机组成原理课程中的理论教学内容、实验仪器设备、环境和内容需要及时更新，关注计算机工程行业的最新发展情况。联合几家大型的计算机公司，联合制定教学大纲、联合编著专业课程教材、联合建立实验室，每隔3年调整实验内容和实验仪器设备。

最后，增加学生工程实践学习的机会。实验教学中尽可能创造学生动手实践的机会，主动学习，积极探索。学生在熟悉实验内容、实验操作过程，掌握仪器设备的操作步骤和方法，完成基本的实验。此外，自行研制实验教学平台，辅导学生开展课外科技活动，提升学生的工程能力。自行研制的实验教学设备与市面上一般的教学仪器相比，最大的优点在于将所有的底层硬件和端口都开放给学生，让学生真正理解计算机系统的内部结构和工作原理，从而进行设计性和创新性实验。

4 结束语

工程教育认证是未来工程教育质量评价的发展趋势，工程教育质量的提升迫切要求高校专业课程做出更多的改革与创新。适合工程教育认证的计算机组成原理课程教学改革是一项长期而又艰巨的任务，需要长期地研究、探索和实践。本文通过分析计算机组成原理课程性质和工程教育认证的必要性，提出了计算机组成原理课程教学目的、教学内容和教学方法等改革措施，提高学生创新能力，使本课程的工程教育质量得到了一定程度的改善和提高。但是教师和学生对工程教育认证的理解和掌握需要有一个适应过程，教学环节还有许多与工程教育认证不适应之处。在教学中需要突破系统的教学方法，引入工程教育认证的理念，进行深入研究，最终培养出国际认可的高素质计算机类工程师。

参考文献（References）：

[1] 陈华锋.《计算机组成原理》教学中多课程知识融合探析[J].荆楚理工学院学报，2011.26（5）：70-72

[2] 王晓丽.计算机组成原理课程教学改革探索[J].计算机时代，2013.7：60-62

[3] 刘旭东，熊桂喜.《计算机组成原理》的课程改革与实践[J].计算机教育，2009.7：74-76

[4] 王丁磊.统考下的《计算机组成原理》教学方法探讨[J].计算机教育，2010.8（6）：91-93

[5] 鄢吉多.“计算机组成原理”课程教学方法研究[J].贵阳学院学报（自然科学版），2010.5（3）：68-70

[6] 邓蕾蕾，张献.《计算机组成原理》课程立体化教学模式的研究与实践[J].职业技术教育，2011.32（11）：37-39