计算机组成原理实践教学改革路径探究

高晓清 曾西洋

摘    要：计算机组成原理是计算机及相关本科专业的核心主干课程，文章从当前国内外高校计算机组成原理实践教学现状出发，分析了其实践教学中存在的问题，并提出了计算机组成原理实践教学改革的路径。

关键词：实践教学;计算机组成原理;路径

中图分类号：G642.0          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2016）01-0044-03

“计算机组成原理”是计算机专业本科生必修的专业核心课程，主要内容是学习计算机组成的硬件技术原理，也涉及计算机软件，一般被认为属于工程性课程中的硬件课程。而硬件课程是计算机科学与技术专业课程的重要组成部分，是培养学生实践探索兴趣、科学研究素养、工程创新能力、团队协作精神的重要手段[1]。一方面，计算机组成原理课程具有基础理论抽象、实践性强的双重特点，许多教学内容必须通过工程设计和实践才能深刻体会，另一方面，“计算机组成原理”课程在计算机及相关专业人才培养中处于承上启下、提高实践动手能力、开发及培养创新潜能的重要作用。而实践教学具有形式生动、教学效果直观及贴近工程应用的特点，在工程性课程特别是硬件课程教学中具有天然的优势，相对于以课堂教学为主的理论教学方式，实践教学方式更易为学生接受，对提高学生的动手能力和培养学生的创新潜能具有无法替代的重要作用。

鉴于计算机组成原理课程的重要性及实践教学的优势，近年来高等院校均在计算机组成原理课程的实践教学改革上投入诸多精力和资源，并在教学内容规划、教学模式、教学方法和教学创新等方面进行了许多探索和实践，为计算机组成原理课程实践教学提供了许多可供参考的新思路。然而，由于受传统教学根深蒂固的影响，高校在实践教学中仍然存在着一些违背创新教育的做法，如以课堂教学为主、以讲解知识点应付考试为主、实践教学环节仍然处于次要及辅助地位等，这些都束缚了实践教学功能的充分发挥。因此，为满足社会对创新型人才的需求，在教学中必须不断地积极探索如何合理规划实践教学体系与教学内容，改进实践教学的方法与手段等，即以培养创新潜能为导向进一步深化计算机组成原理课程的实践教学改革。

一、国内外高校计算机组成原理实践教学现状

一些国外高校计算机组成原理课程的实践教学主要采用以下几种方式：（1）给学生指派研究性课题，主要涉及实验室科学研究;（2）给学生布置仿真性课题，学生通过仿真分析能更深刻地领会计算机各部件原理，特别是处理器等关键部件的工作原理;（3）给学生布置阅读写作类题目，分析并预测计算机技术发展的动态，主要涉及图书馆文献检索、Web检索及论文写作等[2]。这些教学模式使理论和实践紧密结合，也有利于培养学生的工程观念，能够很好地达到计算机组成原理课程的教学目标，既培养了能力又能较好地培养和发挥学生的创新潜能。

目前，国内的计算机组成原理实践教学模式相对于早期的验证性实验模式已有较大的改观。课堂教学主要讲授基本概念和理论知识，验证实验教学的主要内容，实验平台结构相对固定，主要是对基本知识进行验证，目的是使学生加深对基本概念和理论知识的理解;有些较新的平台应用EDA技术，提供了学生自主实验的条件，但资源不够或在教学中没有充分利用。主要原因是缺乏相应的教学规划与之配套，很难达到学生对计算机组成原理理论知识感性理解的效果。这种教学模式中，学生对于相关的知识理解深度不够，学生的动手能力及应用能力得不到明显提高，部分学生缺乏足够的学习兴趣，教学效果不理想，难以达成课程的教学目标。

二、计算机组成原理实践教学问题分析

在验证性为主的实践教学模式下，实验室缺乏培养创新潜能的实践平台及相应的教学规划，学生主要围绕着课堂教学被动地接受理论知识，缺乏实践动手能力，培养创新潜能更无从谈起。这对于技术性、工程性强的计算机组成原理课程来说，显然是不适宜的。而教师缺乏工程教育理念、自身工程素质不高、教学资源配置不合理是形成这一状况的主要因素，它们相互影响，彼此制约[3]，形成负面表现。

（一）实践教学作为理论教学的补充

实践教学被定位为理论教学的补充，实践教学机械地围绕理论教学内容开展，学生和教师均没有自主发挥的余地。这使得参与实践教学工作、实验室建设和管理的教职工，特别是作为教学主体的学生的主观能动性和创造性受到较大的局限，相互影响，彼此制约，产生了一些负面影响。

（二）验证性实验为实践教学的主要内容

在实验项目设置上缺乏实际背景、综合性和因材施教的灵活性，实验内容多为验证性，实验教材的主要目的是指导学生按步骤地去完成规定的实验内容;实验内容提前预设且方案单一，学生没有更多的选择余地;实验方法的局限性也较大，大多数实验中学生只需按要求连线、拨动开关、记录发光二极管显示，采用微程序方法设计控制器时只能编写微程序，无法改变计算机结构，也无法扩展外围电路，学生的设计难以突破实验设备的限制。这些都极大地限制了学生的自主创新空间。

（三）教师介入过多过细

在教学过程教师更强调操作细节，而忽视对因果关系和不同知识点内在联系的讲解或讨论，学生对有关知识点、相关实验间的相互联系等也根本无须思索，实验结果不正确时茫然不知所措，结果正确也不知所以然，更谈不上对实验结果的分析;实验中没有理论联系实际的教学安排。这些势必影响到学生参与实践教学的积极性和探索精神。

（四）考核标准不合理

对学生的考核以实验报告为主要依据，现场成绩评定以实验结果的正确与否为主要标准。这样学生在实验时常常抱着应付教师的消极态度和侥幸心理，往往只重视实验报告，部分学生甚至相互抄袭，无法在实验过程有所收获，更缺乏实际探索的动力。

（五）实验条件不足

实验室不具备培养学生创新意识的条件，如实验设备数量不足，实验时多人一组，配套仪器缺乏。一些学生积极主动，而另外一些学生则期望蒙混过关;缺乏相关测试仪器设备，学生对有关信号和电路状态无法获得直观的认识;不具备学生自主选择实验或教师因材施教的条件，学生和教师都没有太多的选择余地。

以上这些因素使得实验教学得不到应有的效果，学生的动手能力提高与创新能力培养成为一句空话。

三、计算机组成原理实践教学改革路径

为更好地适应国家对高等工程教育改革的要求，更好地适应社会对人才的要求，鉴于计算机组成原理课程在计算机专业教学中的重要地位，我们在计算机组成原理课程教学实践中，主要从以下几个方面做了一些改革尝试。

（一）更新教育观念

当今我们所处的时代，社会最需要的是具备综合素质的创新性人才。作为高等教育工作者，我们必须彻底转变以前以知识传授为主的应试教育观念，建立以培养综合素质和创新能力为主的素质教育观念。为实现素质教育、培养创新人才的目标，在高等工程教育中应以学生为教学的主体，一切教学工作应以学生为中心展开;在教学环节上应充分发挥实践教学在实现素质教育、培养创新人才方面具有的天然优势，将其置于更重要甚至是主要地位，使理论教学围绕实践教学展开。

（二）优化实践教学内容及形式

以培养学生创新潜能为导向规划实践教学内容，优化实践教学体系[4]。近年来我们作了一些有益的尝试：增加实践教学的比重，实践环节的学时占比从以前的26%增加到目前的34%;在保留基本的必修实验的基本上，增设选修实验，拓宽实验领域，增大设计性、综合性实验的比重，并针对不同的专业性质，开设部分差异化选修实验内容，保留基本的运算器、存储器、基本I/O接口实验，微程序方式控制器设计实验等，开设利用EDA技术设计计算机各单元部件电路的选修实验，利用EDA技术设计控制器的选修实验内容;在嵌入式专业的实验设置中强化EDA技术的设计及应用的综合性实验内容等。这些选修实验内容、综合性实验内容明显对学生更具吸引力。这些教学内容不仅要求学生具备较扎实的理论基础，同时对学生实际动手能力和分析问题、处理问题的综合能力提出了更高的要求。为顺利、有效地达成教学目标，教师的任务应是引导和答疑解惑，无须手把手介入实验过程，这样学生学习的主动性显著增强，教学效果显著改善。

在实践教学环节中借鉴外国先进的教育经验，在教学过程中给理论基础较好的学生指派研究性实验课题，为后续参加学术竞赛及科学研究做准备;在各章节重要知识点的教学中给学生指派设计及仿真性课题（布置利用相关集成环境：QUARTUS II 11.0+ModelSim 10.0，对计算机基本部件进行设计和仿真的实验内容，设计结果也可下载到DE2-115FPGA开发平台上实现），学生可以按自己的方式设计和实现计算机部件，通过仿真对不同的设计方案进行评价，有利于更深刻地理解计算机关键部件的原理，发挥学生的创新潜能;给学生指派阅读类题目，跟踪计算机发展的动态，以此培养学生信息检索、分析及综合能力。

计算机组成原理课程的研究对象是一般意义上的计算机，而不是先进的、高性能的计算机，重点讨论计算机的基本原理。但为避免过于抽象，教学中总会涉及具体的计算机，不同的教学内容会涉及不同的计算机，目前大多数教材的主要研究对象是PC机，包括全国研究生入学统考的指定及参考教材也是如此。为提高学生的学习兴趣，在教学内容中适当增加对基于ARM指令集的微处理器内核的讨论，由于它们在智能手机中被大量采用，学生接触更多，教学效果更好。

（三）改良教学方法

第一，教师在讲解过程中注意层次分明、重点和难点突出。教学中教师无须面面俱到，有些内容点到为止，特别是技术细节，学生在教师引导和帮助下在实践中自己学习和体会，可以启发学生积极思维，提高学生的自我学习意识和能力。

第二，因材施教，促进学生个性发展。对于基础较好的学生，鼓励他们选择综合性、研究型实验，有条件时鼓励他们积极参与实验室建设和维护，加强对他们的工程训练;而对于动手能力相对较弱的学生，以培养他们的基本技能为主，使他们摆脱依赖思想，要求他们必须独立完成基本实验内容。

第三，创造条件，充分利用一切现代教育手段提高教学效果。如利用计算机辅助教学技术和仿真技术，形象生动地展示数据流及指令流在计算机中的传输或执行过程，激发学生的学习兴趣和探索精神;通过教学网站（http：//jxpt.wtu.edu.cn/wljxpt/index.action）提供关键知识点的教学短视频，并为学生创造一个不受时间和空间限制的学习及交流的虚拟空间，同时不断完善按知识点分类的计算机组成原理题库系统，并提供学生的自我测试功能和知识点及答案分析等。

第四，引入先进的教育教学模式。如采用MOOC（massive open online courses：大型开放式网络课程）/SPOC（Small Private Online Course：小规模限制性在线课程）教学模式，采用翻转课堂教学模式等。

（四）优化考核措施

实践环节考核的方法要多种形式并用，并把笔试、现场答辩、实验演示、论文写作等有机地结合起来。如在实践考核环节采用现场公开操作并答辩的方式进行，不仅是对学生学习的督促，也能保证成绩评定的公正，保护学生的学习积极性;可以采用小组答辩的形式，培养学生的交流及合作能力;也可采用操作考试与提交实验相关科技论文的方法来培养资料检索和论文写作能力等。

（五）优化实验室资源配置

为达到良好的教学效果，学院硬件专业实验室实验设备尽量做到一人一台（套），部分实验至多两人一台（套）;为满足不同层次学生的教学要求，计算机组成原理课程实践环节同时配备了基础的实验平台（计算机组成原理试验箱）和创新性实验平台（DE2-115、PSOC3/5），并配备仿真工具;为学生增强对实际开发环境感性认识，对于专业性较强的实验，配备相关的测量仪器设备;为贯彻以实践环节为主的观念，在实验室建立良好的教学环境，配备投影仪、白板及扩音设备等。目前学院还结合现代工程技术，适时引进和补充了一些代表学科前沿研究方向的高性能实验仪器设备，为教师的学术研究和科研提供了良好的条件，也能够对学生的素质提高和创新能力的培养发挥积极作用，做到了教、学、研相长。

通过以上措施，搭建合理的实践教学软硬件平台，用心组织和实施实验教学，适当引入新技术应用的实验内容，不仅能让学生受到系统的实验技能训练，更能培养学生严谨的科学思维，开发学生的创新潜能，培养学生解决实际问题的综合能力。而与此相适应的配套考核措施可以检验提高学生的实验动手能力和培养创新思维能力的实际效果。

计算机组成原理课程的实验教学改革需要长期的研究探索和实践，应该是一个不断适应社会需要，不断改进的动态过程。好的教学模式，对帮助学生掌握计算机组成原理课程的基础知识单元，建立计算机硬件系统的整机概念，进而培养学生计算机系统的设计能力和创新应用能力，具有至关重要的作用。以上的一些改革探索和实践在实际教学中取得了良好的教学效果。我们将不断对计算机组成原理课程实践教学内容、教学手段、教学方法、考核方式等方面进行研究和探索，通过健全教学资料的管理、不断总结经验、找差距、多参与交流及借鉴等方式，确定一种改革的动态模式，最终目的是提高教育质量，实现计算机组成原理课程的培养目标。

参考文献：

[1]惠丽，吴玲，于丽萍.计算机专业硬件课程体系建设的优

化与改进[J].黑龙江教育：高教研究与评估，2013，（4）.

[2]Anguita M，Fernandez B.Software optimization for

improving student motivation in a computer

architecture course[J].IEEE Transactions on

Education，2007，（4）.

[3]郭超峰.计算机组成原理课程教学模式改革与创新[J].

计算机教育.2012，（24）.

[4]汤书森，马义德.现代计算机组成原理课程特点与实验

教学新模式探索[J].高等理科教育，2012，（1）.