应用型本科院校《计算机组成原理》课程教学改革探索

施卫东

武汉商学院工商管理学院，湖北 武汉 430056

应用型本科具有突出技术、突出应用的特征，既不同于普通本科，也不同于高职高专。它强调“专业对接产业”，强化实践教学，增强学生实践动手能力，以便将来更快适应工作岗位。

《计算机组成原理》作为计算机专业的一门基础课程，在前导课和后续课之间起着承上启下的作用。通过学习，学生可提升对计算机系统的全面认识，掌握硬件系统的基本设计能力及从硬件角度进行软件开发的能力，为后续的操作系统原理、计算机网络、嵌入式系统应用与开发等专业核心课的学习打下坚实基础。本文从应用型本科高校的背景出发，结合近年来的课程教学实践，对该课程教学中存在的问题进行了探讨并提出了改革措施。

1 计算机组成原理课程教学现状

（1）《计算机组成原理》课程理论性比较强、概念抽象、知识点多。 该课程介绍计算机硬件的基本组成及各功能部件的工作原理并分析其设计方法等，不同于高级语言程序设计有可视化的实现形式，学生很难理解那些抽象的知识点，因而学习难度很大。另外计算机中的运算方法与我们日常采用的运算方法有很大不同，学生在学习过程中也比较难接受。 教师在授课过程中多采用以教师为中心的教学方法，导致学生参与度不高、缺少师生互动、课堂气氛沉闷等问题［1］。

（2）该课程知识更新快。当前硬件技术和计算机体系结构发展很快，计算机内部结构大规模集成化，云计算、物联网、大数据正在快速地改变人类的生活方式。而当前普遍使用的大部分教材教学内容与硬件发展相脱节，很多教材还在使用 74181、74182 等芯片讲解运算器，讲解的显示设备还是 CRT 显示器［2］。教材缺乏与当今计算机硬件发展的前沿科学技术的结合，陈旧的教学内容与快速的硬件发展严重脱节，导致学生的学习热情较低、缺乏求知欲望。

（3）课程实验环节比较薄弱。在实践教学过程中，传统的计算机组成原理实验与理论教学的相关度不高，覆盖面不够广，使得学生难以理解课程的实际应用价值，觉得在实验中没有什么收获。目前该课程采用计算机组成原理实验箱完成存储器、运算器、微程序控制和基本模型机设计与实现等硬件实验，其中大部分是验证性实验，学生按照教师所提供的实验指导书操作，没有充分发挥学生分析解决问题的能力和创新思维能力，所以教学效果有限。

（4）学生对课程的认识不足，普遍存在“欺软怕硬”的现象［3］。该课程的选导课程是数字电路，有的专业没有开设这些选修课程，导致学生听不懂，降低了对该课程的学习兴趣。学生认为计算机专业毕业后的主要工作就是写程序、敲代码，只要把高级语言程序设计学好就可以了，不用关心计算机内部各部件的基本组成和工作原理。

2 《计算机组成原理》课程教学改革建议

2.1 合理安排教学内容

应用型本科人才培养突出实践、强化应用。在教学内容上，教师应正确处理内容先进性与教学适用性的关系，针对应用型本科对提升学生应用能力的要求，定期修订教学大纲，使教学内容重点在技术开发、应用与创新所必要的范围，其他部分则让学生自学或讨论，不需要通篇介绍。

2.1.1 教学过程中贯穿先修后续课程相关内容

教师在教学过程中要结合先修课程——数字电路来安排教学活动，在介绍新知识前，先对数字电路的相关知识进行概要总结，同时讲到与后续课程——嵌入式系统、计算机网络有关的内容时应该给学生强调现在所学的内容会在后续课程中用到，使学生在总体上了解重叠知识点和延续性知识点在各相关课程中的地位和作用［4］。

2.1.2 教学过程中传递新技术新应用

教师在教学过程中完成基础理论、基本原理讲解的同时，还应适当介绍学科前沿的发展状况，包括新技术新应用新产品。例如，在讲解计算机发展与应用部分时，可介绍生物计算机、光计算机、量子计算机等。在讲述计算机的性能指标时，可展示几款当前市场主流CPU、存储器等硬件，并列出它们的性能参数，让学生了解这些硬件的最新发展［5］。

2.2 采用多种教学方法

2.2.1 引导学生对课程进行系统的思考

许多教师在第一次上课时进行简单的自我介绍后就直接开始上新课，学生根本不了解学习这门课对今后工作和学习有什么作用。因此教师在第一次上课时应向学生讲解本课程的教学目标、教学任务、选修课与后续课程的关系及学习方法，告知学生计算机组成原理是计算机专业的核心基础课程，在今后的物联网、智能制造等就业领域都要用到计算机组成原理这门课程的相关知识［6］。

《计算机组成原理》在教学中大多是先从数据信息的表示开始讲起，接着按运算器、存储器、控制器、输入输出设备的顺序，逐一讲解计算机中各部件。但学生学了半个学期后，可能还不知道对各个部分的学习到底有什么用，感觉每部分都比较难，直到最后才将全部的内容连贯起来。 这种自下向上的讲述方法，不易激发学生主动探求知识的热情，也不利于形成“以学生为主”的教学方式。

因此，教师可以摆脱传统的教学顺序，从系统的角度来进行讲解，引导学生对课程进行系统的思考。教师可以先介绍计算机的基本组成和总线系统，让学生对计算机的总体概况有一个初步的了解，然后再详细介绍存储器、输入输出系统、运算器、控制器，使学生能更形象地理解计算机的基本组成和工作原理。

2.2.2 从问题出发，采用启发式教学

教师在教学过程中，对于每一个新的知识点可以采用设问探究法，通过提问引发学生思考，同时也起到组织教学的作用，引导学生将新旧知识建立联结，并进行思考，让学生在倾听与反馈中建构新知识结构。例如在讲输入输出系统信息交换方式中的程序查询方式、程序中断方式时，可以先讲一个例子，幼儿园老师给10 个小孩分糖吃，每个小孩分2 块糖，要求每个小孩要把2 块糖都吃完，可以采用什么方法分糖？第一种方法是，老师先给第一个小孩1 块糖，守在他边上等他吃完，然后再给他第二块糖，接着给第二个小孩分糖，其过程与第一个小孩完全一样，以此类推，直到第十个小孩吃完2 块糖。这种方法和程序查询方式类似，老师在孩子们吃糖时一直在守候，花费了很多时间，效率很低。第二种方法是，每个小孩发一块糖各自去吃，并告知谁吃完第一块糖就向老师举手报告，再发第二块糖。这种方法和程序中断方式类似，提高了工作效率，老师可以在孩子们吃糖时批改作业，在收到孩子吃完糖的报告后，才停下手上的工作去处理一下。

同时，在课堂上要注意从熟悉的事物入手提出问题，启发引导学生独立思考，让学生借助已有的知识去获取新知识。例如讲到存储器中的高速缓冲存储器Cache 时，教师可以让学生思考Cache 到底在做什么。高速缓冲存储器Cache 可解决主存速度与CPU 速度不匹配的问题，从主存中读数据肯定没有直接从Cache 中读取快，利用程序访问的局部性原理，主存可以把经常被读取的信息提前送到高速缓冲存储器Cache 中，以后CPU 可以不直接访问主存，而是先与Cache 交换信息。

2.2.3 采用翻转课堂和微课

翻转课堂教学将学习的主动权从教师转移给学生。为拓宽学生的视野，提高学生解决问题能力和创新能力，教师可以对课程中的一些与实际问题相关的知识模块采用翻转课堂的方式处理，将其以问题的形式抛给学生，并提供所讲主题的历史背景、相关人物、相关计算机公司、相关技术等的材料、电影、纪录片等，让学生们在课后利用这些资料或借助图书馆、网络资源来制作课件或微课，并在课上讲授。这种方式可以鼓励学生自己学习课堂上没有讲过的内容，使他们在潜移默化中不断地获取给养，逐步学会欣赏、思考本专业、本领域的各种问题，不断提高自主学习能力［7］。

2.3 加强实验教学，提高学生实践创新能力

计算机组成原理课程传统的实践环节以验证性实验为主，大部分学生的实验过程及实验结论都相同，缺乏创造性。对此，教师可将实验分为基础验证型实验、设计应用型实验、综合设计型实验三个层次，其中以设计应用型实验、综合设计型实验为主，基础验证性实验为辅。同时根据实验项目的难度，将每次实验划分为基础实验项目和选做实验项目［8］。例如，在存储器实验中，基础实验项目是完成数据在存储器中的读写，选做实验项目是结合之前的运算器实验、寄存器实验，完成数据取出、运算并存储的整个通路。鼓励学生在完成基础试验项目的基础上尝试选做项目。对于能够顺利完成选做项目的实验小组，教师可以在实验成绩上给予加分奖励并鼓励学生分享实验方案。除完成课堂内实验外，可以充分利用实验室资源，将计算机组成原理实验室设为开放实验室 ，提供设计型、综合型和创新型实验供学生自主选择，学生可以通过预约方式到实验室进行实验，并鼓励学生自拟实验项目到实验室做实验。

3 结语

要提高计算机组成原理的课程教学质量，需要在理论和实践课教学中下功夫、在教学内容、教学方法、实践教学上不断研究和调整。要以学生为主体，努力提高学生的学习兴趣，将计算机硬件发展的新技术、新应用引入教学过程中。