《计算机组成原理》课程教学设计

吴淑婷 乔付

摘要：《计算机组成原理》是计算机专业本科的一门重要的专业必修课程，其教学目的是掌握计算机硬件系统的基本组成原理和实现技术。本文探讨了课程教学内容的设计安排，设计了一种基础实践创新三元结合的教学方式，并结合实例说明其具体应用方法。

关键词：《计算机组成原理》；教学改革；内容安排

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）23-0201-02

一、研究背景

《计算机组成原理》是计算机专业本科生的一门专业核心基础课程，其教学目标包括计算机硬件的基础知识，建立初步的硬件分析能力，主要由计算机硬件系统的基本组成原理和实现技术、硬件系统工作理论、模块实现办法以及结构组成技术等具体内容。

课程教学中的问题有概念模模糊糊、能力停滞不前、重讲解、轻实践。《计算机组成原理》理论性强、知识面涉及广、信息量大，该课程反映出来的特点是多、繁杂。相比较其他软件类课程而言，学生觉得课程理论太多且理论性强，基本概念多，内容更新快，实践操作和理论脱钩。《计算机组成原理》虽然是以讲解硬件部件为主的课程，但課程内容包括了许多抽象的内容，如数据流指令流等。而软件类课程的实现感强烈，学生在此类课程中比较有成就感。总而言之，在教学中存在以下问题：（1）学生学习积极性难以调动；（2）在学习过程中知识点的繁杂难以构建成一个系统网络；（3）实践和理论脱钩。

二、基本思路

大学教育应该要担负起夯实学生理论基础，锻炼实践动手能力，培养创新精神的责任。以《计算机组成原理》而言，无论是从事硬件还是软件，对硬件有良好的认识，对计算机组成有更加深入的理解，能促使软件设计者在软件道路上走得更好，从事硬件更要对计算机的系统结构有深刻的了解。基于以上课堂出现的问题和适应新时代对于大学教育的要求，本文提出《计算机组成原理》中的教学设计分为3个部分，如图1所示。

其一为夯实基础，体现为课堂内容的教学改革，在教学内容安排方面为其体现概念的连贯性，构建一个完善的知识网络。其二为锻炼实践能力，在实验中做出教学改革，为提高实践技能，达到设计计算机部件的创新能力，除了验证型实验外，还添加了设计性开放实验。其三为培养创新精神，为学生构建课余教学平台，教学平台的主导者为学生，教师在平台中了解学生的学习进度和思路，学生根据教师提出的问题单独或分组完成开放性训练。尝试将教学环节中的师生关系从单纯的课堂实验室纪律要求转换为学生自我管理，提高学生的学习效率，提高学生在创新能力中的开发程度。

三、方法设计安排

1.构建知识网络。学生感觉难学、枯燥是因为传统的教学模式无法调动学生的积极性，加之学习过程中涉及的概念较多，容易产生疲劳感。在教学中首先要说明的是该门课程的特殊性，作为一门承上启下的课程，《计算机组成原理》的先导课程有《计算机导论》、《高级语言程序设计》、《数据结构》等。讲解时要注意用已经学习的先导课程中的知识点作为引入点，如堆栈的实现。课堂教学的目的是为了启发学生思考，引导学生探索计算机发展的规律，建立继续创新设计的信心。本科教育阶段的课程中包含计算机硬件系统五大基本部件，即存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备。课堂中可以结合计算机的发展史来介绍其部件的发展规律，可以从需求角度解析该阶段的发展，并讨论其存在的合理性及可实现性。教师主要介绍其发展背景，可以由学生从应用角度去分析，让学生参与到教学过程中。比如教师在介绍系统总线时，以介绍总线标准USB为例，先介绍总线的性能指标，如总线宽度、总线带宽、控制方式、仲裁方式和负载能力等，再介绍ISA总线标准，分析其性能及不足之处，如其无法支持总线仲裁，则无法支持多台设备申请总线的控制来完成数据的传输。接着进入EISA总线标准，可以从其总线仲裁方式的硬件逻辑来分析两种总线标准的区别，并对EISA的优势进行归纳。最后过渡到现在通行的USB总线标准，从其通用连接技术、数据传输率、硬件体积控制、标准需求统一等分析。

2.在实践中巩固知识点。在学生接受知识点的阶段，教师的任务是把知识点客观的展现出来，单纯的讲解会让学生产生疲惫感，没兴趣去学习课堂上的内容，课程的学习效果会大打折扣。由于知识点的抽象性，实践环节可以帮助学生建立更为直观的感受，从而得到成就感。例如，可以在讲解CPU时，拆解一台普通的计算机，让学生观察其所在位置和部件所表现出的外部形态，可以对CPU的内部结构，如寄存器的组织方式进行横向对比，从而加深学生对于CPU的直观感受。接着可以引入CPU的控制单元，针对控制单元的执行过程，讲解如何对其进行改进。这种直接的视觉感受不仅提高了学生的学习激情，还可以很好地帮助学生理解部件之间的关系。而在《计算机组成原理》中讲述的硬件系统的结构比较抽象，除了教师的讲解外，必须通过实践环节的学习和训练才能真正理清一些似是而非的概念。实验可以让学生从另外一个角度去理解计算机的运行过程。利用丰富的教学辅助工具，便于教师根据理论教学内容选择适宜的实验方式，在不同阶段帮助学生对理论知识进行实践验证，便于学生加深对理论知识的理解。对于实验中一些有代表性的操作提供PC模拟操作，方便学生课下自学，使学生的学习重心集中到对理论知识的验证上。比如COP2000《计算机组成原理》实验系统是南京伟福实业有限公司开发的教学辅助工具，提供了三种实验方式，实验仪可以选择连接PC，PC也可脱离实验仪模拟操作。实验内容分为验证型实验和综合实验。验证型实验的目的是要巩固理论学习中的基础知识，如存储器实验、运算器实验等，为各个部件的基本实验操作，按照实验步骤对核心部件的在操作理论知识直接验证。部件中的实现原理是此类实验的关键内容，而在学生完成了分部基本验证实验后，可以进行模型机综合实验。模型机实验要求对数据通路、存储器的操作、硬件逻辑等进行分析和设计。试验中包括运算器、存储器、控制器等部件，可以由软件控制程序实现单指令执行、单微指令执行、全速执行，并观察指令或微指令执行过程中数据的走向、各控制信号的状态、各寄存器的值，从整机系统上掌握计算机的组成和模型机的设计。

3.培养创新精神。可以利用COP2000《计算机组成原理》实验系统提供的“模拟调试”功能，“模拟调试”是指在无硬件的情况下，只利用计算机即可进行编辑、编译、改错、调试，为让实验室向学生寝室、实验课时向业余时间延伸提供了条件。在此环节要求学生完成相关实验，如基于微程序和组合逻辑的计算机硬件设计等。不仅如此，还可以根据课程进度安排一些有针对性的任务，如在讲授存储器时，可以要求学生对现有的存储器技术做出调查，分析现有主流存储器的接口标准、数据传输率等，并对其优劣状态进行归纳。通过这种任务分配实现团队合作，能调动学生的学习积极性，人数控制在3—7人即可。在这个阶段中引导学生的创新兴趣，结合实际状况为学生的技术探索找到具体的实现目标，脱离抽象的概念，跳转到实际的应用。

四、结论

通过课堂中的知识网络构建，启发学生思考，利用先导课程的知识拓展，探索新技术，延伸旧知识点，可以很好的打消学生对于课程中概念多且繁杂的刻板印象。分析《计算机组成原理》课程中的实践特点，针对不同的阶段，设计安排了两种不同类型的实验。其中验证型实验将抽象的理论转换为实践操作，让学生在实验中将其部件的知识点加强巩固，综合实验是在完成的验证性实验的基础上去实现的，其目的是为了学生融会贯通。除此之外，还应培养学生的创新能力，引导学生结合市场、结合实际去完成具体的技术探索。

参考文献：

[1]吴启明.《计算机组成原理》教学方法探讨[J].科技咨询导刊，2007，（8）.

[2]张晶.精品课程建设的实践与思考[J].黑龙江高教研究，2006，（1）.