计算机组成原理课程在专业转型发展过程中的建设与探索

牛玉军+张敏+王东

摘要：该文总结了本校软件工程专业在转型发展过程中计算机组成原理课程建设的经验和成果。以培养企业需求的应用型工程技术人才为目标，针对计算机组成原理课程的特点及教学中的难点，对该课的教学内容和方法、实验内容、前修和后继课程进行了全面的改革和探索。并以计算机组成原理课程知识为基础，鼓励学生进行物联网、机器人等方面的应用实践。经过在实际教学中的应用和完善，教学效果较好。

关键词：计算机组成原理；教学改革；专业转型；课程建设

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）02-0097-02

1 概述

大连大学作为地方性大学，以培养产业转型升级和公共服务发展需要的高层次技术技能人才为主要目标，正在向应用技术类型高校转型发展[1-3]。本校软件工程专业根据这一思想的指导，对本专业的教学大纲和教学计划进行了修改和完善。其中计算机组成原理课程是软件工程专业的专业基础课，是软件工程专业国家硕士研究生统一考试的四门专业课之一。该课程主要讲述计算机底层功能部件的组成结构和工作原理[4-7]，而软件工程专业的学生在底层硬件方面的知识储备欠缺，有的学生甚至对以计算机硬件为主的课程感到畏惧和排斥。所以对计算机组成原理课程的建设具有一定的难度和意义。

2 计算机组成原理课程的建设

软件工程专业为发挥学科专业建设优势，创新人才培养模式，服从辽宁省 “十三五”信息技术产业发展规划需要，满足软件产业和企业信息化的发展需求，明确软件工程专业定位为：面向软件行业，服务地方经济建设，培养社会认可、企业满意的应用型工程技术人才。根据这一目标我们定制了计算机组成原理课程的教学目的与教学任务：①掌握计算机系统各部件的基本组成、逻辑实现、设计方法及其互联技术；②注重培养学生的硬件电路设计能力，最终建立一套整机的概念和设计思想，使学生深入理解计算机系统的工作过程；③掌握Verilog HDL语言的程序设计方法，能够在FPGA上实现MIPS指令集和中央处理器的设计，提高学生的工程实践能力和利用数字系统解决实际问题的能力，并为学生以后的学习、研究和工作奠定计算机硬件方面的基础。相应的我们对计算机组成原理课程的教学大纲进行了重新的定制，对课程的教学内容和方法、实验内容、前修和后继课程进行了建设。并在这两年的实际教学实施中进行修改与完善，得到了较好的教学效果。

2.1 前修课程的设置

计算机组成原理课程难度较大，要求学生有数字电路方面知识的储备，对学生起点要求较高。在开始此门课程之前，我们开设了数字电子技术基础课程，并做了多方面的准备。

①加强数字电路的学习。将原来第三学期开设的电子技术课程改为上数字电子技术基础，去掉了强电部分，加强了数字电路的内容，课时设置为64学时。使学生熟悉数字电路的基础理论知识，掌握数字电路与系统的工作原理和分析方法，能对主要的逻辑部件进行分析和设计，学会使用标准的集成电路。为以后计算机组成原理课程的学习、或实践应用奠定扎实的理论与实践基础。

②选修硬件方面的课程。由于软件工程专业是以软件系统的开发与设计为主要教学任务，由于本专业总课时的限制，所以硬件方面的课程不能开设太多，计算机组成原理课程的前驱课程只有数字电子技术基础这门课程。为了弥补这一问题，我们把逻辑与计算机设计基础、单片机等课程开设为选修课，让有精力和兴趣的同学去选修。

③实训的激励。在第二学期期末有两周的实训，由学校和企业联合教学。让学生去企业参观实际的应用项目，例如一些物联网、机器人项目的展示。使学生明白，计算机的软件和硬件是不分家的，软件工程专业的学生不仅要学好软件系统的设计与开发，还要掌握硬件方面的知识，为学习计算机组成原理课程培养兴趣。

2.2 课程内容的设置与教学方法

为了能够跟随计算机技术及其应用的发展，培养出企业和社会需要的工程技术人才，我们选用了南京大学袁春风教授主编的《计算机组成与系统结构》作为上课的主教材。该教材根据教育部“高等学校计算机科学与技术专业规范”组织编写，与美国ACM和IEEE CS Computing Curricula 最新进展同步，也是“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材。该教材试图改变国内同类教材通常的就硬件讲硬件、软硬件分离的传统内容的组织方式。依据该教材，计算机组成原理课程的主要内容为：计算机系统概述、数据的机器级表示、运算方法与运算部件、指令系统、中央处理器、指令流水线、存储器分层体系结构和互联及输入输出组织。根据以上的课程内容，在实际的教授过程中，我们应用了以下的教学方法：

①案例驱动的方法。 在教授某一部件的工作原理和设计方法时，都有实际应用的例子，以达到深入浅出的讲解问题，激发学生的学习兴趣。如果有多个知识点是连贯的，我们就以一个综合的案例为例，分步剖析，使学生具有系统的分析设计能力。例如在讲解“最简单的CUP→总线式CPU→单周期CPU→多周期CPU→基本流水线CPU”过程中均以MIPS处理器为例。

②理论讲授与设计实验相结合。在某一个部件的工作原理与设计方法讲解完后，都安排有相应的设计实验。实验的课时由原来的16学时增加到32学时。在上实验课时有专门的实验老师对学生进行精心的讲解和指导。

③激励学生参加相关竞赛。在课程讲授的同时，组织指导学生参加计算机系统设计、机器人、物联网等相关竞赛，把学到的知识及时应用到实践。既可以巩固学到的知识，又可以激发学生的创新能力。

2.3 实验内容的设置

软件工程专业投入了专项资金，购买了30套计算机组成原理实验设备FPGA开发板，可提供30人的班型每人一台的实验环境。实验课时由原来的16学时扩展到了32学时。实验内容主要是利用Verilog语言进行MIPS指令集和中央处理器的设計实现，使学生深入理解计算机系统的工作过程，提高学生的硬件电路设计能力。而软件工程专业的学生大多数没有接触过Verilog语言，所以在做实验前安排2学时讲授Verilog语言基本语法与简单的程序应用，并要求学生利用课余时间加强学习。endprint

实验的主要内容包括： ①多路选择器的设计与实现（用结构化的行为描述实现32位多路选择器）；②7段译码器的设计与实现（使用ISE软件进行4位7段译码器设计实现）；③SOC的设计与应用；④CPU的设计与实现（设计一个简单的单周期CPU，来替换SOC实验中的CPU模块）；⑤CPU的扩展（对仅支持9条指令的CPU进行功能扩展，增加I型指令）；⑥基本IO设计与实现（使用前面实验设计的CPU增加简单的接口设备和驱动实现最简单的SOC或微控的应用）；⑦计数/定时器（在实验6的基础上增加计数器的设计与实现）；⑧中断（修改前面实验CPU模块中的PC发生器，并增加中断返回指令）。

2.4 后继课程的设置

为了加强计算机组成原理课程知识向应用实践的转化，在计算机组成原理课程结束后，我们开设了嵌入式系统设计和移动应用开发两门课程。 嵌入式系统设计课程是以应用为中心、以计算机技术（主要是计算机组成原理课程知识）为基础，进行嵌入式系统的应用设计，并将应用设计扩展到机器人、物联网等领域。而移动应用开发是从嵌入式系统分离出来的手机应用开发课程。对于嵌入式系统设计和移动应用开发比较优秀的学生，在大四可以到合作的企业免费实习，有的被合作企业聘用为正式员工，直接解决了学生的就业问题。

2.5 鼓励学生应用实践

软件工程专业专门成立了以计算机组成原理课程知识为基础的应用工作室，提供专门的房间和经费支持。工作室的成员主要由参加相关竞赛或科研项目的学生组成，学生在课余时间便可去工作室进行学习和研究。专业教研室指派专业老师轮流对工作室进行管理和对学生进行指导。工作室的题目主要来自大学生竞赛、老师的科研项目或合作的企业。这样为学生应用能力和创新意识的培养提供了场地、设备与资金等方面的支持。工作室的学生参加了计算机系统设计、机器人、物联网等方面的竞赛，取得了较好的成绩。

2.6 校企合作为课程建设注入了活力

校企合作为计算机组成原理课程建设提供了充足的动力。授课的教师都是在合作企业培训过，或参加过相关的企业项目设计开发。教师在企业要注重企业实际应用案例的收集整理，然后应用到教学中。并随着新的应用技术的出现和应用的发展，不断地更新教学的案例。形成了软件工程专业与企业共同进行课程建设的合作模式，使得师生能够了解当前社会的实际需求，及时调整教学与实践内容，跟上社会发展的步伐，极大地激发了学生的学习兴趣和动力，为课程的建设与发展注入了活力。

到目前为止，本校的软件工程专业已经与多家计算机企业建立了良好的校企合作关系，包括北京千峰互联科技有限公司、北京尚观科技有限公司、大连达内软件有限公司、东软集团、中软国际、蓝鸥科技（大连）有限公司等IT企业。

3 结论

计算机组成原理课程知识是嵌入式、物联网、机器人等应用的基础。而软件工程专业在专业转型的过程中，如何以应用为导向，与合作企业联合把该门课程建设好，使培养出的学生真正满足社会的需求，是一个值得研究的问题。本文对本校软件工程专业在专业转型过程中计算机组成原理课程建设进行了总结，经过实际教学中的修改和完善，取得了较好的教学效果。希望对其他地方高校在专业转型发展过程中的课程建设起到一定参考作用。

参考文献：

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