计算机组成原理课程教学改革的研究和探索

李东勤++徐勇++常郝

摘要：针对计算机组成原理课程的特点以及当前教学过程中存在的主要问题，从教学模式、教学方法、教学内容和实践环节等多个方面进行了改革探索和研究，提出了通过改进教学模式，采用“启发式”和“形象化”教学方法，以学生为中心，不断更新教学内容，提高计算机组成原理课程的教学质量，培养学生计算机硬件的系统级认知能力和创新思维能力。

关键词：计算机组成原理；教学方法；教学模式；实践环节

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）03-0107-02

计算机组成原理这门课是计算机专业的核心基础课程之一，也是计算机专业硕士研究生入学考试的统考科目之一[1-2]。图1展示了它与其他关联课程的联系，它的重要性是不言而喻的，但该课程却是“教师难教，学生难学”的一门课程。

图1 计算机组成原理与关联课程的联系

计算机组成原理着重讲述单CPU计算机硬件系统各个部件的工作原理、逻辑实现、设计方法及互连构成整机的技术，对学生建立计算机整机概念，了解计算机的工作过程和内部运行机制，研究各个功能部件的结构组成及逻辑设计都有重要的指导价值[3]。最近，对该课程的理论和实验教学改革都取得了不少的成效。例如利用多媒体和EDA等手段来辅助教学，可以大大丰富课堂教学的信息量；以flash动画形式将比较抽象的工作过程和原理直观形象的展示在学生面前，使复杂问题变得简单化和直观化[4]。但就目前我校计算机组成原理课程的教学现状而言，教学效果并不容乐观，不管是理论教学还是实验教学都存在很多问题。如何有效提高和改善该课程的教学质量，培养出具有扎实理论知识和创新能力的高素质综合人才是摆在我们课程组面前的一项艰巨而繁重的任务。

1 理论和实践教学中存在的主要问题

1.1 基础要求高，课程内容繁杂

对于大多数同学来说，他们刚接触到计算机组成原理这门课程时，因为对计算机内部工作原理和运行机制充满了好奇，所以学习劲头十足。但是，随着学习的进行，需要学生具备一定的模拟电子技术、数字电路、汇编语言等知识，学生对这些相关课程的知识点学习时掌握的就不够牢固，基础相对薄弱，更谈不上能够灵活运用了。另外，计算机组成原理课程本身内容就比较多，包括运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备等五大功能部件，而且每一功能部件的工作原理和设计思路完全不同，且涉及的知识面广、内容难度较大、概念也比较抽象，由于学生在学习过程中缺乏对所学知识的直观型验证方法，感觉知识点艰涩难懂，无法建立计算机单机系统的整体认识。因此，学生学习起来比较费劲，对课程慢慢地失去了学习的兴趣和激情，从而形成了“学习时似懂非懂，考试时死记硬背，考完后一切全忘”[5]的恶果。

在实际课堂教学过程中，基本上是以教师为中心，也就是教师在讲台上讲，讲得很是陶醉，学生坐在下面听。一方面，有少数学生根本就没有认真听，他们只是人来而心没来。另外一方面就算学生听了，这种方法也无法帮助学生搭建他们自己的知识结构，他们往往只是采用表层的学习方法来记住教师所传授的知识点，并不能灵活的运用它们，更谈不上融会贯通了。另外，由于受课时量的限制，教师只是忙着赶课时，忙着将知识点赶快讲完，因此在课堂教学中互动很少甚至没有，致使很多学生在学习过程中遇到的一些问题不能得到及时的解决，逐渐就形成了一个恶性循环，学生不懂的越多听课就越困难，越困难就越不愿意听，更懒得问问题了，或者说是没有问题可问了，极大地扼杀了学生的学习兴趣和积极性。

1.2 实践环节薄弱

实践教学在计算机组成原理的整个课程教学中有着非常重要的作用，它是对理论教学必不可少的补充环节[6]。由于该课程理论性较强、涉及的内容比较多、概念及原理又比较抽象，致使学生学习和理解上的困难。通过动手实践操作、驗证、设计和观察结果能激发学生学习兴趣和热情，让学生能够真正理解和掌握理论课程中涉及的计算机各部件构造及其工作原理、设计方法。目前，我校计算机组成原理实验是采用专用实验箱TDN-CM++来完成的，具体实验项目包括运算器实验、存储器实验、控制器实验、总线实验等各部件实验以及简单的模型机设计实验。实际实验时，教师给出实验要求、连线图及步骤，学生只要按老师给出的连线图进行连线并按照实验步骤拨动实验箱上的相应控制开关，观察信号灯显示情况就可以完成实验，对实验原理学生有时并不能完全理解，更是缺乏对实验过程中出现的错误进行分析和解决能力。另外，我校计算机组成原理实验课基本上是两至三个学生共用一个实验箱。具体是由其中一个学生负责连线和操作，其他学生只做简单的配合工作，更有甚者在旁观看或是玩手机。以上诸多问题导致学生学习兴趣下降，动手能力较差，更谈不上准确地分析问题和解决问题。

2 课程教学改革的探索和实践

多年来，为了提高计算机组成原理课程的教学质量，让学生能够具备扎实的理论知识，同时拥有较强的动手实践能力，具备一定的创新思维能力，我从多个方面对计算机组成原理的理论和实践教学进行了积极的研究和实践。

2.1 扩充新知识提高学生学习兴趣

计算机学科发展极其迅速，尤其是硬件的更新换代更是日益频繁。因此，教师在实际课堂教学过程中，在突出重点知识的同时可以让学生了解一些最新的前沿动态和硬件成果，这样一方面可以极大地提高学生学习该课程的兴趣，另外还可以增加他们学习的动力，帮助他们明确今后学习和努力的方向。

2.2 改进教学模式，优化教学方法

计算机组成原理课程的教学目标是让学生掌握计算机的工作过程，理解各个功能部件的工作原理、设计方法，建立整机概念[7]。该课程最大的特点就是内容较多、知识面较广、概念比较抽象、难度较大。如果我们还是采用传统的“填鸭式”教学模式，硬性地将知识点灌输给学生，并不能达到课程的教学目的，我们更应该给学生传授的是学习这门课的思想和方法，也就是教会学生如何学好这门课，即一种学习的思想、一种学习的方法。首先，我们应该调动学生的学习兴趣，让他们克服那种畏惧心理，变被动学习为主动学习。因为“要我学”和“我要学”是完全不同的两种学习态度。这种积极性的调动一方面靠老师的正确引导，让学生对学习充满兴趣，能够乐于学习，从学习中感知快乐和成功；另一方面靠老师讲清楚该课程的地位和作用，同时一定要有一个引人入胜的开头，即让学生对该课程充满好奇心和求知欲。其次，我们应该教会学生如何去学习这门课。在整个课程的学习过程中要有质疑的精神，即能够不断提出问题，进而分析问题、解决问题，从而加深对知识点的理解和融会贯通，不断培养学生的创新思维能力和计算机思维方式。

好的教学模式必须要有行之有效的教学方法作为支撑。教师的教学方法直接影响学生的学习方法。目前，对于计算机组成原理这门课，我校仍然采用以教师为中心的教学方法，这种方法虽然可以使学生快速获得对该课程知识点的理解，但却不能帮助学生搭建自己的知识框架和结构，他们往往只是采用表层的学习方法来记住教师所讲授的知识点，而不能灵活的运用这些知识点，更谈不上融会贯通。针对计算机组成原理课程的内容和特点，作者认为我们应该改善教学方法，可以采用“启发式”和“形象化”相结合的教学方法。所谓“启发式”教学就是教师通过课堂提问和适当引导，让学生理解相关知识点和教学内容，并提高他们分析问题和解决实际问题的能力。比如在讲解控制器之前，可以引导学生去思考，机器指令究竟是如何执行的，执行过程中的每一个操作控制信号是如何产生的呢？可以让学生带着这个问题继续下面微程序控制器工作原理的学习。所谓“形象化”教学方法，主要是针对计算机组成原理课程中艰涩难懂的概念、原理等，通过借用生活中比较通俗易懂的例子，让学生通过类比去理解相关知识点。例如，教师在讲到内存和cache的地址映射问题时，可以将全校的全体学生比作内存块，而将学校的阅览室比作cache。全体学生的数量是明显多余阅览室中座位的数量。在全相聯映射中，映射规则就是任何一个学生可以坐到阅览室中的任何一个座位上，只要这个座位是空的，相联存储器CAM可以看着阅览室门口的登记表。再比如在讲解总线定时方式时，可将其比作4*100接力赛，是采用同步定时还是异步定时看具体情况。

2.3 搭建微信平台，分享教学资源

随着智能手机的普及，现在所有的学生几乎是人手一部，而且都有微信号，基于这个现状，我们可以考虑创建一个计算机组成原理课程学习的微信平台，共享学习资源，让学生可以随时随地访问该课程资源，随时随地进行自主学习。在该平台上教师可以公布与计算机组成原理课程相关的所有资源，包括理论资源和实验资源，让学生及时了解你的课程进度安排、教学计划等相关内容。另外，通过微信平台，教师还可以提供全天候的在线答疑，避免学生学习过程中问题的累积。通过该平台还可以建立相关知识的链接，最大程度地扩大教学空间，让更多的学生通过网络平台能够更好地进行学习，更加灵活学习计算机组成原理这门课。

2.4 实践环节

计算机组成原理这门课程对实验要求比较高，实践教学对深化理论教学、促进学生更加深入理解相关知识点具有非常重要的作用，也是培养学生学习能力、工作能力和创新意识的重要途径[8] 。针对目前我校实验教学存在的弊端和问题，作者提出了两点改革建议。一是加强实验课堂的管理，要求学生做好实验课前的预习和课后的总结，预习不好的不让进实验课堂。在实验过程中，老师可以针对具体实验提不同的问题，将学生的回答情况作为实验考核的一部分。同时，实验过程中还可以通过小组之间的互相提问和回答加深对该实验原理和操作的理解。二是增加实验课时，即增加计算机组成原理课程设计，具体可将课程设计安排在紧随课程开设学期之后的假期中。通过课程设计，让学生完成一个综合的设计型实验，比如复杂模型机的设计，可以8条指令为例。学生分组合作完成，最终可以答辩和实验报告形式提交结果。这样既能使学生加深对理论知识点的理解和掌握，提升学生硬件设计能力，又能培养学生综合运用所学知识来分析和解决实际问题的能力。

3 结束语

计算机组成原理作为计算机及相关专业的核心课程，面 （下转第113页）

（上接第108页）

临诸多问题。本文针对该课程在理论和实践教学过程中存在的主要问题，从教学模式、教学方法、教学内容和实践环节等方面进行了改革研究和探讨，提出在教学中结合最新进展扩充教学内容，改进教学模式，优化教学方法，以提高教学质量，培养学生的创新思维能力。但要从根本上解决问题，还需各方面的共同努力，必须大力提高任课教师的教学和设计开发能力，以提高学生的创新思维能力为首要任务，才能培养出全面发展的综合性人才；同时需要对培养体系和培养目标进行合理的定位，以适应计算机发展的需求。

参考文献：

[1] 教育部考试中心，中国学位与研究生教育学会工科工作委员会.计算机学科专业基础综合考试大纲（20l2年版）[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2] 唐朔飞，刘旭东，王诚，等.“计算机组成原理”课程教学实施方案[J].中国大学教学，2010（11）：42-45.

[3] 王瑞敏，蒋烈辉，曾韵.计算机组成原理课程中的“传道式”教学探索[J]. 计算机工程与科学，2014， 36（A1）： 234-237.

[4] 李济生. “计算机组成原理"教学方法探索与实践[J]. 中国电力教育， 2013（10）： 123-124.

[5] 周骏.计算机组成原理课程教学改革思考[J]. 西南师范大学学报：自然科学版，2014 ， 39（6）：161-165.

[6] 姜欣宁，陈宇. “计算机组成原理专题实验”的教学改革[J]. 实验技术与管理， 2013， 30 （4）： 162-165.

[7] 李淑芝， 兰红， 谭伟.计算机组成原理课程建设的探索与实践[J]. 赣南师范学院学报， 2013（3）： 110-112.

[8] 迟宗正，惠煌， 侯刚，等.计算机组成原理实验之“微改革”[J].实验室研究与探索， 2015， 34（8）：154-157.