《计算机组成原理》课程教学改革建议

付振勇(南京邮电大学计算机学院、软件学院，南京，210023)

《计算机组成原理》课程教学改革建议

付振勇
(南京邮电大学计算机学院、软件学院，南京，210023)

0　引言

随着第三次科技浪潮的到来，以计算机设备和互联网技术为基础的信息技术深刻地改变了人类社会的方方面面。计算机作为上个世纪人类最伟大的发明之一，已经被广泛地应用于处理并取代以前靠人力的各项工作中。早期的计算机还比较简陋，复杂度比较低，所以编程人员需要了解，也能够了解计算机的一些基本的构成原理。随着计算机系统的越来越专业化、复杂化，除了少数计算机硬件结构专家外，普通人包括现在的计算机专业学生、从业人员已经很难直观地去理解计算机系统。人与计算机之间的交流已经由专业的操作系统软件替代了。因此，人们越来越多地只同计算机操作系统打交道，而完全无法理解计算机系统是如何由电子设备按照一定的原理构成的。

《计算机组成原理》作为计算机专业的一门基础必修课程，对提高计算机专业学生对于现代计算机系统的整体理解和认识是非常必要的。《计算机组成原理》的先修课程是《数字逻辑设计》，后续课程为《微机系统与接口》、《单片机应用技术》等硬件系列课程。《计算机组成原理》是学习与理解计算机硬件组成和工作原理的基础课程，也是学习与了解后续的相关计算机软件课程，例如《操作系统》、《汇编语言程序设计》等的基础课程。可以说，计算机组成原理在计算机专业的本科教学中起到了承上启下的关键作用，是每一个计算机专业的学生必须掌握的专业知识。然而，在实际的教学过程中，我们发现存在一些问题，例如：学生对学习该课程的重要性认识不足，部分学生对前期所学的《数字逻辑设计》课程出现遗忘现象，课堂所学理论不能够很好地应用到实际的计算机设计中。针对上述问题，本文拟从教学内容、教学方法、实践教学和改革考核方式等方面提出一些建议。尤其在实践教学方面，本文首次提出了建设基于Raspberry Pi的计算机组成原理实验教学环境。

1　存在的问题

1.1学生兴趣不足

《计算机组成原理》作为一门计算机硬件课程，对计算机专业的学生而言，相对抽象，受到实验条件的限制，很多的计算机组成原理的知识点无法让学生们很容易地实践，所以导致了学生们对相对抽象的理论知识随着课程的学习逐渐厌倦、也越来越不理解课堂上学习的内容。另外，目前开设计算机组成原理课程的高校将它作为计算机专业的必修课，一般都安排在在大三第二学期或大四第一学期进行讲授。然而，在整个大学期间，大三这一学年所要学习的专业课都非常多，学生的学业压力大。另外，很多的学生在此期间都面临着考研、找工作等课程之外的压力。而且《计算机组成原理》作为计算机专业的一门硬件理论课程，除了少数致力于将来从事计算机系统结构研究的学生外，大部分学生会感觉所学的知识在未来的工作中用不到。以上种种因素导致了大部分学生对《计算机组成原理》课程的不重视、学习兴趣不足等实际问题。另外，由于本课程的课时比较少，授课内容较多，学生的自学能力不足，导致大多数学生逐渐失去学习本课程的兴趣。

1.2数学逻辑设计等硬件知识有待提高

数字逻辑设计是计算机组成原理最为重要的先导课程，但是由于大多数学生对于硬件相关课程的不重视，使得在学习计算机组成原理课程的时候，很多学生已经忘记了数字逻辑设计的相关知识，所以导致在讲解计算机组成原理课程的时候，需要不停地帮助学生们复习数理逻辑、数字逻辑电路等相关知识。多数学生在学习计算机组成原理课程的过程中，当遇到对数字逻辑设计知识出现遗忘的情况时，不能主动地去复习一下之前学过的知识点。另外，应试教育思想仍旧在一定程度上影响着当代大学生，一些学生认为只要自己能够顺利通过期末考试拿到学分就行了，这种错误的想法导致他们不能潜心地去通过多回顾、练习来提升自己对计算机组成原理的理解。

1.3理论脱离实际应用

《计算机组成原理》课程的教学目的是为了让学生们了解现代计算机系统的组织结构、构成原理、计算机五大系统各自的设计原理以及五大系统之间如何有机组合在一起构成完整的计算机体系，培养并提高学生的对现代计算机系统的理解能力，从而使他们能够使用所学的理论知识解决实际应用中出现的问题。然而，目前高校《计算机组成原理》的实践教学比较匮乏，基本没有为学生们安排上机实践的时间。这固然是因为《计算机组成原理》相对抽象的内在原因，但同时也是因为现在的《计算机组成原理》课程中大多没有安排课程设计的过程，笔试是仅有的考核方式，无法令学生们真正掌握计算机组成原理的知识。为此，建立起一个有效的计算机组成原理实验教学环境对于成功的计算机组成原理教学就非常具有必要性了。

2　解决方法

2.1教学内容

由于计算机组成原理课程内容较多，同时需要适时地帮助学生们回顾、复习数字逻辑设计的知识，授课教师应该有重点地去选择一些章节来讲解，对一些跟前续课程有重合的知识点进行简单介绍或者直接省去不讲。对于教材上的例题也是有针对性地去讲，把剩下的一些题目留给学生们课后自己思考，培养学生独立学习能力。除了讲授教材上涉及到的一些重要知识点外，也需要给学生们介绍在相关的文献中是如何结合这些知识点进行应用的。力争在教学的过程中也能够引导部分学生对科研产生兴趣，拓展学生们的视野，不能仅仅是为了学习课本上的知识而学习。另外，因为计算机技术的发展速度比较快，所以教师还应该在上课前，通过查阅资料更新并补充课本中没有涉及到的知识点，让学生们能够了解到最前沿的信息。

2.2教学方法

兴趣往往是一个人学习的最好驱动力，在开始讲授计算机组成原理课程时，教师应该向学生阐述学习这门课的重要性，可以列举一些众所周知的例子，例如：计算机组成原理的学习对于作嵌入式系统开发具有积极的作用，通过计算机组成原理的学习可以达到对包括嵌入式系统这样的微型计算系统的深入理解。在激发学生们学习该课程的兴趣并让他们明白开设这门课程的必要性之后，能够在一定程度上让他们自觉地去认真学习。同时，还应该锻炼学生举一反三的学习能力，例如，在学习计算机存储系统实现的时候，我们知道计算机的存储系统具有层次性的特点，即外部存储系统、系统内存以及CPU高速缓存等这样的一个层次结构。需要让学生知道为什么对计算机的存储系统要划分这样的存储层次结构。这是由不同存储硬件的存取数据的速度、单位比特的存储成本决定的。要让学生们学会如何在实际应用中经济、有效地设计计算机的存储系统。此外，在作业布置方面，也可以布置一些只有通过查阅课外资料才能作答的题目，培养他们收集信息自我学习的能力。

2.3实践教学

《计算机组成原理》应该是一门既有理论教学又有一定实践环节的课程。然而，在当前的实际教学过程中，往往理论知识的讲授占据了大部分课时。为了能够让学生们在实践过程中掌握计算机组成原理的理论知识，计算机组成原理课程必须要增加实践环节。实践环节的增加应当采用由易到难的渐进过程。可以在数字逻辑设计的实验设计的基础之上，开展计算机组成原理的实践教学，让学生们利用各类逻辑门电路设计基本的计算机系统单元，包括运算器、存储器等。另外，也可以尝试在课程的理论知识学习到一定程度的时候给学生布置一道稍微大点的实践题目，使学生在后续的学习过程中能够带着问题不断地思考和积累，到期末课程结束时再完成整个系统的设计工作。

为了能够让学生们掌握计算机组成原理的知识，建立有效的实验教学环境是非常必要的。没有一个实验教学环境，学生们就无法在实践中真正掌握计算机组成原理的理论知识和实践应用。为此，本文提出了基于低成本的单板机Raspberry Pi的计算机组成原理实验教学平台建设的建议。

Raspberry Pi（树莓派）是由树莓派的发起人Eben Upton先生创立的一个廉价的教学编程平台，可以称得上是目前最廉价的电脑。现在市场上的基本型Rasp鄄berry Pi是人民币270元左右，而最新的廉价型Rasp鄄berry Zero只要5美元，大致是人民币32元。树莓派可以说是一款非常廉价的硬件平台，，在我国的一些主要电子商务网站均可方便购买。但是树莓派系统同时也提供了各式各样的主流接口和插槽，例如USB，HDMI，SD卡还有网络接口。以下是最新的树莓派B型的配置：

●芯片：Broadcom BCM2835

●CPU：700MHz ARM11 series

●GPU：Broadcom VideoCore IV

●视频输出：RCA，HDMI

●音频输出：3.5mm耳机接口，HDMI

●存储方式：SD卡

●RJ45接口百兆网卡

基于Raspberry Pi的计算机组成原理实验教学平台有如下优势：①廉价，一个最廉价的Raspberry Pi Ze鄄ro只需要32元左右，其运算性能已经能足够满足计算机组成原理的实践教学需求。同时为了进行组成原理的实践教学，需要附加一些外设，例如显示器、键盘、鼠标等外设都可以通过接口方便地连入树莓派电脑，并且可以选用一些现有的外设，不需要另行采购；②适用，树莓派电脑可以直接运行Linux操作系统，在其上可以方便地进行各种编程控制外设、实现机电一体化的计算机系统，各类计算机组成原理知识可以很方便地设计各类实践课题。例如，可实现对计算机系统中的外围设备进行控制，或连接实现计算机存储系统的数字电路设备，这些都会令学生们对计算机系统的组成原理有更深入的认识。③实用，现在硬件爱好者基于树莓派可以设计、制作出很多有趣的计算机系统，例如智能家居、机器人小车、智能硬件设备等。相信在计算机组成原理这样一门软硬件结合的课程中引入Raspber鄄ry Pi作为实践教学的内容，一定会引起学生们极大的学习兴趣。学生们所学到的知识也一定会对他们未来的发展有益。

2.4考核改革

目前的考核方式主要还是采用期末考试，考核内容基本上是课本上所讲授的一些理论知识点，没有突出实际应用。因此，如果条件成熟的话，可以考虑增加上机实践考试，通过机考可以考查学生动手解决问题的能力。另外，还应该加大对学生平时成绩的考核，主要包括出勤、课堂回答问题、作业、实验报告等。

3　结语

本文首先分析了高校开设《计算机组成原理》课程的必要性以及存在的一些问题，包括：学生兴趣不足、数字逻辑设计等硬件知识有待提高、理论脱离实际应用。针对这些问题，提出了从教学内容、教学方法、实践教学、考核改革等四个方面进行解决，并首次提出了建设基于Raspberry Pi的计算机组成原理实验教学环境，从而做到丰富课堂所教内容，培养学生独立学习的能力，提高学生的实际应用技能。

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[6]Eben Upton,Gareth Halfacree.Raspberry Pi User Guide[M].John Wiley&Sons.2014.

Principles of Computer Organization;Computer System Architecture;Course Teaching

Suggestion on Teaching Reformation of Principles of Computer Organization Course

FU Zhen-yong
（School of Computer Science&Technology,School of Software,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023）

南京邮电大学引进人才科研启动基金项目（No.NY213031）

1007-1423（2016）06-0056-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.06.013

付振勇（1977-），男，江苏南京人，博士研究生，讲师，研究方向为机器学习

2015-11-26

2016-02-16

《计算机组成原理》课程作为高校计算机科学与技术专业的专业课，对于培养学生对现代计算机系统的深入理解具有重要意义。在实际的课程教学中往往会出现学生不能够将理论与实际应用联系起来、上课能听懂但是不能将计算机硬件实现和组成原理关联起来。基于以上问题，从改进教学内容和方法、加强动手能力的锻炼，以及改革考核方式等方面提出相关的建议。提出建设基于Raspberry Pi的计算机组成原理实验教学环境的建议，为丰富计算机组成原理课程的教学提供有益的补充。

计算机组成原理；计算机系统结构；课程教学

As a professional course for college students of computer science and technology,Principles of Computer Organization course has impor鄄tant significance for training students'understanding to the modern computer system.In the courses,the students usually cannot connect the knowledge with the real system.Based on the above problems,proposes some suggestions from teaching content,teaching method, practice teaching and assessment reformation.In particular,proposes at the first time a suggestion to set up a practical platform for the course of the principles of computer organization using Raspberry Pi,which would be valuable supplement to enrich the course of Princi鄄ples of Computer Organization.