计算机组成原理教学改革探索与实践

兰 勇，张朝阳，王 伟，张少博

（长安大学 信息工程学院，陕西 西安 710064）

0 引 言

计算机组成原理是计算机科学与技术专业的核心基础课程，对后续专业课程的学习起着至关重要的奠基作用，同时也是一门公认的难学难教的课程。一方面，涉及繁杂严密的逻辑过程的计算机组成原理课程，其知识点大都比较抽象、枯燥，学习难度较大；另一方面，学生从公共基础课过渡到专业课的学习，本身需要一个适应转变的过程[1]，而计算机组成原理又是学生最先接触到的专业课程，进一步增加学生的学习难度。因此，教授好本课程，为本专业的学生打下坚实的专业理论基础，成为计算机组成原理课程教师不断改进和创新教学方法的原动力。

1 基于课程知识难点的教学内容改进

计算机组成原理难学难教的原因之一，就是知识点多且难。主流的计算机组成原理教材内容虽然涵盖比较全面的专业知识，但是纸质介质的教材本身可表达的信息量十分有限，对专业知识的表述不能面面俱到，有时甚至缺乏深度，因此授课教师虽然要基于教材讲授，但是却不应受限或迷信于教材，更不能照本宣科，进行填鸭式的教学，要在教材有限知识点的基础上，不断拓展知识点的宽度和深度。另外，虽然担任计算机组成原理课程教学的任课教师，不一定必须是科班出身，但是必须要重视教授课程应具备的专业水准。计算机科学的专业知识是一个系统性很强的知识体系，教师应该在教学过程中不断凝练知识点，做到对专业知识的融会贯通。

1.1 注重课程内容的承上启下

数字逻辑是计算机组成原理重要的先修课程，运算方法和运算器是计算机组成原理的重要知识点之一，然而，即使是现在比较主流的教材，在此章节中也未清晰地阐明计算机组成原理课程中运算方法和运算器知识点同数字电路课程中加法器知识点的关系，让学生在学习此知识点的过程中产生疑惑，为此，教师在教学过程中需改进教学内容。教师要在课程开始时向学生阐明二者之间的承接关系，即数字电路课程中的加法器是一种不考虑符号的、基于纯粹的二进制编码实现的加法器，但人们面对的运算是有正负符号的，也就是真值的运算。如果将真值的正负符号也转化为二进制编码表示，就会产生机器码，机器码本身也是一种纯粹的二进制编码，于是就可以充分利用数字电路课程中的加法器进一步实现真值的加法，不过需要在完成基于机器码的机器加法后，再将机器码转换为具有正负符号的真值。

针对Cache存储器、虚拟存储器等知识点，现有的教材几乎都未提及这些知识点与操作系统课程的关系，但在后续的专业学习中，学生会发现操作系统课程中存储器管理知识点与本知识点具有高度的重复性，会再次产生疑惑。授课教师在此知识点的讲授上，应该清楚地告诉学生本课程所讲述的存储体系知识点与操作系统课程的关联，阐明构建计算机存储系统的原理和机制。操作系统是一种管理计算机软硬件资源的系统软件；操作系统对存储系统资源的管理策略正是依赖于此处所讲述的存储系统原理和机制，并以此进行系统软件实现的。由此，既能强调此知识点对后续专业课程学习的重要性，引导学生认识到学好此知识点具有事半功倍的效果，又能消除学生在后续操作系统课程学习中的疑惑。

此外，本课程的诸多知识点与计算机系统结构、微型计算机原理与接口技术等专业课程的承接关系（如图1所示），都应尽可能阐明。当然，这需要任课教师自身具备全面、系统、深入的专业知识。所谓“名师出高徒”“强将手下无弱兵”，教师本身也要不断提升自身专业水平和专业素养，做到术有专攻，业有所长，才能更好地授业解惑[2]。

图1 计算机科学与技术专业课程体系中的课程承接关系

1.2 注重逻辑与物理概念的建立与区分

通常，计算机组成原理课程的概论里会指出：计算机组成是对计算机系统结构的逻辑实现。然而，这个概念对于刚刚接触专业课程学习的学生来说，实在太过抽象，这也是本课程难学的原因所在。逻辑概念的建立与运用，是计算机专业学生分析和解决计算机专业领域知识问题的一个重要手段。为此，教师应在整个课程教学中结合相应的知识点，阐明相应的知识理论是基于逻辑的描述，还是物理的概念，如针对计算机系统层次结构的知识点[3]，应该及时阐明并强调计算机系统分层原理的“自上而下”是基于逻辑上的描述，而非物理的“上下”，而且正是这种逻辑上的分层，可以使繁杂的计算机技术逐层逐级地各个解决。针对计算机组成部件的划分与相互关系、运算方法的机器运算过程描述、指令周期的划分等诸多知识点的讲授，都应注重强调逻辑实现及其与物理实现的区别，让学生深刻理解什么是逻辑实现，使学生及早掌握基于逻辑的分析方法和具备解决计算机专业领域问题的能力。

1.3 借鉴通俗浅显的科学原理讲授知识难点

通过长期的计算机组成原理课程讲授以及对专业知识的领悟，笔者进一步将计算机的基本工作原理提炼为“从微观到宏观，从量变到质变”的过程。计算机运行的微观过程注重解决好基于时间、空间的逻辑实现细节，在此基础上，以时序为基准，基于高速的时钟频率重复这些实现了的微观过程；宏观上展现出的就是质变的、具有高速计算能力的机器，甚至是智能的机器。这种“微观到宏观，量变到质变”的原理，与日光灯、动画、电影等的工作原理如出一辙，以此引导学生，能让学生更通俗、更浅显地理解计算机组成原理的知识重点和难点。“从微观到宏观，从量变到质变”的科学原理，首先适用于计算机组成原理课程诸多知识点的讲授，尤其是讲授中央处理器章节中的指令周期、微程序控制器原理等知识点时，能使抽象繁杂的逻辑过程变得深入浅出；其次能强化学生在解决计算机专业领域问题时，应当首先着眼于解决好微观的逻辑过程实现。

1.4 注重课程设计教学内容的“设计”

课程设计是计算机组成原理课程十分重要的实践教学环节。与理论教学中的几个验证性实验不同，课程设计的教学需要教师全力引导学生从设计的角度实现对理论知识的深入认识和实践应用。以基于传统实验箱的简单或复杂模型机设计的课程设计为例，教师应当按照硬件、指令系统、测试程序的至上而下层次结构，引导学生从无到有、逐层逐级地完成模型机设计，尤其在硬件设计环节，教师应该注意纠正学生“已有实验箱，无需硬件设计”的错误观念。教师要注重引导学生：实验箱仅提供必备的硬件模块，如运算器模块等，但实验箱之间的逻辑实现，需要学生进一步设计完成，同时需要通过模块连线完成硬件的物理实现，在完成模型机硬件设计的基础上，机器指令系统、微指令格式设计及编码、微指令在控存中的微地址安排等，均应按照从无到有、逐级实现的过程设计完成。课程设计报告的撰写和成绩评定，更要体现出设计思想，而非实验报告，一定要避免让学生将课程设计当成再一次的验证性大实验完成了结，否则就完全背离课程设计教学的根本目的。

2 教学方法改进与创新

2.1 充分运用多媒体教学手段表现抽象的逻辑过程

计算机组成原理难学难教是因为计算机的工作原理涉及大量的、繁杂的、严密的逻辑过程。逻辑过程是与时间和空间密切相关的，而静态的书面文字和图片又难以深入浅出地描述抽象繁杂的逻辑过程。现代的教学课堂大多配备多媒体教学设备，教师应充分利用PPT等工具，将抽象难理解的逻辑过程用形象的动画表现出来，这就要求教师不仅能熟练地运用PPT等各种多媒体表现功能，而且要对教学内容的多媒体表现形式进行合理巧妙的构思，让抽象的工作原理和逻辑过程展现得恰到好处、一目了然，极大地提高学生学习的兴趣，让教学内容变得深入浅出。以对微程序控制器工作原理知识点的讲授为例，教师可以将时间轴（时序）、微指令周期、指令周期以及微程序控制器原理框图结合起来设计成一页PPT，通过动画形式，如采用箭头图形在时间轴上前进的形式指示微指令周期的改变并触发相应的微指令执行过程，直观地表现基于时序的计算机指令执行和控制的过程，既强化学生对计算机时序的理解，又让抽象的微程序控制器原理变得通俗易懂。

2.2 进行线上线下相结合的教学模式改革

计算机组成原理作为计算机专业的核心基础课程，通常学时数多、课程量大，若只依赖有限的课堂教学时间，学生对知识的理解与掌握必定是十分有限的。现代教学应当充分利用无处不在的互联网络，为学生开发和提供基于网络的线上学习资源，图2所示为基于线上线下融合的翻转课堂教学模式示意图。在教学过程中，针对课程的知识重点和难点，我们分别录制定点加法运算、定点乘除法运算、Cache的地址映像与变换、微程序控制器工作原理、微程序设计举例等微课视频并分享到学生QQ群、微信等线上平台，供学生课前预习或课后复习。其中，定点加法运算微课视频获得陕西省第二届高校教师微课教学比赛二等奖，并同时在全国高校微课教学比赛网站上线。

图2 基于线上线下融合的翻转课堂教学模式示意图

在具备丰富线上学习资源的基础上，适时适当地进行基于翻转课堂的教学模式[4]改进，可以更好地调动学生的学习积极性，提高学习效果，如针对指令系统寻址方式知识点的教学，可以安排学生提前进行线上学习，并在线下（课堂）教学中将学生分组，各组指定代表上台讲解，并引发讨论，教师参与讨论并指导学生进一步理解和掌握该知识点。课程设计教学过程更适合翻转课堂教学模式，在将学生分组的基础上，按照模型机设计的流程，每完成一个设计环节后，都安排一次小型的翻转课堂，由各组对阶段设计的完成情况和下一步的设计思路进行讲解并引发讨论。在课程设计的答辩环节，改变过去由指导教师到各小组进行问答的评分模式，改为给定每组20 min，由各组预先制作简短的PPT，全体组员上台协作讲解、演示和答辩并评分的模式；同时，对各组答辩的过程进行全程录屏录像，并将录制的视频返给学生，以此进一步增强成绩评定的客观公正性，充分激发学生的学习兴趣，培养团队协作精神，更好地达到课程设计的教学目的。

3 结 语

计算机组成原理课程虽然具有难学难教的特点，但是其教学效果和教学质量的好坏，本质上还是取决于教学内容的凝练与教学方法的科学合理。通过不断改进教学内容，凝练关键知识点，并基于线上线下的翻转课堂创新传统教学模式和教学方法，能够使枯燥乏味的计算机组成原理课程学习充满乐趣，激发学生的学习动力。教学改革在屡次的教学检查和教学评估中获得了学生的高度好评和一致认可，收到良好的教学效果，为学生后续专业课程的学习奠定了坚实的专业理论基础。