人工智能时代计算机组成原理课程教学探索与实践

李忠玉 刘桄序 王惠清

摘要：为了适应人工智能时代对新工科人才的培养需要，结合成都师范学院计算机科学学院计算机科学与技术专业人才培养特色，分析了“计算机组成原理”课程在理论教学环节和实践教学环节存在的问题，提出了人工智能时代“计算机组成原理”课程教学改革思路，通过教学内容和教学模式的创新，引导学生主动学习理论知识，培养学生理实结合的能力。

关键词：人工智能;教学改革;计算机组成原理

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）22-0108-03

开放科学（资源服务）标识码（0SID）：

计算机科學与技术专业人才培养旨在培养掌握计算机软硬件及应用基础知识、基本方法和技能，熟练掌握现代计算机软硬件环境和工具的使用，了解专业学科前沿发展动向，具备扎实基础理论、宽泛专业知识、良好素养和创新意识、较强的计算机应用系统分析设计和工程实践能力的新工科复合型人才[2]。计算机组成原理作为计算机科学与技术专业的一门核心专业基础课，起着承上启下的作用，是计算机科学与技术专业学生学好后续众多的计算机专业课的重要保障。由于计算机组成原理在计算机专业课程中的重要地位，使得目前拥有计算机类相关专业的高校对该课程的教学均比较重视，进行较多的教学改革工作并取得了一定的成果。高等教育是我国新兴人才培养的主要途径，其目的是为国家输送前沿型、应用型及创新型人才。所以高等教育课程建设应该与学科前沿密切结合，不仅培养学生扎实的专业基础知识，同时培养学生时刻把握前沿动态，能够独立创新的能力[3]。

人工智能作为计算机科学的一个重要分支，是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学[4]。计算机组成原理课程旨在讲授单核处理系统的组成及工作原理[1]，以培养学生熟练掌握计算机整机结构及工作原理为目标，其主要以电子技术基础、C语言程序设计等为前导课程，以接口技术、嵌入式系统等课程作为后续课程，所涉及的知识主要包括运算器与运算方法、多层次存储结构、指令系统、中央处理器、总线系统、外存与1/0设备、输入输出系统等[2]。人工智能的发展与计算机的发展紧密结合，随着现代人工智能技术的广泛应用，将其先进的成果与计算机组成原理课程内容相结合，探索新的教学内容和模式以适应新工科建设人才培养的要求势在必行。

1 目前教学中存在的问题

计算机组成原理课程内容烦琐，知识抽象，系统性强，各个模块的关联性强且技术更新迭代周期很短，现有的较为陈旧的教学模式所显现出来的弊端越来越明显。当下，计算机组成原理教学中存在的问题主要展现在以下几个方面。

1.1教学内容陈旧，缺乏前沿应用

目前，计算机组成原理课程教学能容还是主要以讲述单核的处理机系统的组成为主。内容主要是运算器与运算方法、存储器、指令系统、总线系统、外存与1/0设备及输入输出系统[2]等，这些内容是传统的计算机组成原理内容体系，例如：CPU部分课程内容还是以8位的单核8086系列为主，但是目前市面上的CPU已经到了4核甚至8核的处理器;明显课程理论知识与实际市场应用的对接出现了脱轨情况，较为陈旧的教学内容使得目前学生的知识储备不能充分满足高等教育对于前沿型、创新型及应用型新工科人才的培养需求。目前的课程教学内容的评价体系缺乏对前沿知识应用的评价标准。

1.2教学方式单一，学生缺乏主动性

计算机组成原理作为计算机类专业的核心基础课，多数高校目前对于此课程的教学模式还是以老师课堂讲授知识点为主;然而本身计算机类专业的学生对硬件的重要性认识不够深刻，所以在学习硬件类课程时下功夫不够，直接导致硬件知识相对比较薄弱。如果在讲授计算机组成原理这门知识点晦涩，难度较大的课程时依然采用满堂知识讲授的教学方式，忽略学生应用能力和创新思维的培养，一味地让学生死记硬背知识点，这样会导致学生学习难，教师授课难的双难境地。同时，在传统的教师模式中，教师是课堂的中心，学生在课堂上只能被动的听、记，缺乏主动的思考与讨论环节，且计算机组成原理内容多，学时普遍较短，这就无形中加重了学生课堂的学习任务。

1.3实验教学环节重视不够，与前沿应用脱轨

目前多数本科院校对于计算机组成原理课程的实验教学环节重视程度不够，存在实验学时较短，实验设备不足，实验环节与理论环节进度脱节，实验简单多以验证性实验为主的现象，学生在进行实验时缺少亲自动手搭建电路、调试电路的机会，更不用说开展结合前沿技术的综合性实验;因此目前存在的计算机组成原理的实验教学环节与培养人工智能时代的应用型新工科人才培养目标出现了一定的脱节。因此，计算机组成原理的实验环节没有达到既定的理实相结合的目的，无法引导学生认识课程的重要性，同时也无法让学生掌握前沿的技术动态。

1.4缺乏有效的课程考核方式和评价标准

教学质量是高校生存与发展的根本;课程评价是对课程决策与管理成效，对课程开发、设计过程和课程体系整体系统，对课程的目标、课程材料、课程组织、课程实施及其结果等方面的评价，即包含显性课程也包含隐性课程[7]。课程考核是既是为了评价学生对课程的学习的知识的掌握情况，帮助教师更好的教，学生更好的学，同时也是为了对学生阶段性学习做出客观公正的评价，使学生更加明确自己的学习方向，尽快找到更加适合自己的学习方法，掌握课程知识。因此科学有效的课程考核方式和评价标准能够更好地促进教师的教学与学生的学习，但是目前计算机组成原理课程的考核方式主要还是期末的闭卷笔试，评价标准还是多以考试分数作为主要依据。学生在该考核标准下显然不能更有效的学以致用，所以目前计算机组成原理的考核方式与评价标准无法满足新时代背景的人才培养要求。

2 理论教学改革探索

课程的理论教学部分是一门课程教学非常重要的组成部分，然而计算机组成原理课程理论教学部分教师反映课难上，学生普遍反映难听懂，很难理解且不知道怎么应用。针对这些问题，成都师范学院计算机科学学院计算机组成原理课程组，结合目前广泛的人工智能技术应用背景，对该课程进行了理论教学部分的改革探索，以增加课程知识的实用性、创新性与前沿性为目标，从理论教学内容的制定、教学方式方面进行革新，使学生能够更加有效地掌握计算机组成原理的经典硬件模型并能较为准确的把握技术的时代前沿。

2.1 合理调整教学内容

计算机组成原理课程目前的教材多是讲授单核处理系统的组成与工作原理，以讲述经典的硬件系统为主。在当前人工智能技术广泛应用的时代背景下，以培养学生创新能力与解决实际应用问题为目标的新工科培养要求，合理调整教学内容，拓展教学资源，对于该课程理论内容的教学从以下几个部分进行。

第一部分，介绍人工智能与计算机系统概述。介绍人工智能技术的体系及常见的人工智能算法;计算机的分类和应用;计算机的硬件;计算机的软件;计算机系统的层次结构。进一步阐述人工智能与计算机之间的内在联系，其不仅从软硬件还从网络层面影响計算机的发展。

第二部分，介绍运算器与运算方法，计算机运算能力与人工智能技术之间的联系。阐述二进制编码，数制转换，定点小数和整数的原、反、补码表示;定点加法、减法运算;定点乘法运算;定点除法运算;定点运算器的组成;浮点运算方法和浮点运算器，引导学生理解人工智能技术与计算机运算能力之间的关系。

第三部分，介绍存储设备;阐述随机读写存储器;只读存储器和闪速存储器;高速存储器;cache存储器;虚拟存储器;外存的基本原理;引导学生了解人工智能技术与大数据技术的实现与存储设备之间的内在联系。

第四部分，介绍指令系统与总线通信，介绍指令系统的发展与性能要求;指令格式;指令和数据的寻址方式;堆栈寻址方式;典型指令及总线的概念和结构形态;总线接口;总线的仲裁、定时和数据传送模式与几种经典总线;引导学生从局部向整体理解指令系统，并进一步介绍ARM指令集与I2C总线、USB总线等几种常用总线。

第五部分，中央处理器;主要介绍CPU的功能和组成;指令周期;时序产生器和控制方式;微程序控制器;微程序设计技术;硬布线控制器;传统CPU;流水CPU;RISC CPU;多媒体CPU等，引导学生理解集成电路的思想，AI硬件最大的特点就是集成化和内联化，将智能化的CPU、GPU等联系起来融合图像、语音、自然语言处理的多种功能。

第六部分，1/0设备与输入，输出系统;主要介绍外围设备;显示设备;输入设备和打印设备;外围设备的定时方式与信息交换方式;程序中断方式;DMA方式;通道方式;通用1/0标准接口等内容，结合人工智能技术应用场景，引导学生掌握所学知识的最新应用动态。

2.2 创新教学模式

计算机组成原理课程内容抽象，知识点众多，其包含的技术在不断地迭代更新，授课教师在教学过程中如果单纯按照传统的方法进行教学的话，显然无法满足新工科人才培养目标，因此需要创新教学模式，本课题的教学方式的革新可以从以下几个方面人手：

1）建立以学生为中心的课堂教学模式;传统的教学模式课堂以教师讲，学生的听、做笔记为主，多数教师过分依赖电子课件，导致课堂气氛枯燥、乏味，教师与学生之间缺少课堂的互动。因此教师课堂教学应进一步提高课件的生动性，可将课件中满篇的文字叙述，用图表、动画、讨论、短视频等多样化形式代替，辅之以教师的讲解，实现理论知识到物理层次的过渡，为知识点中经典模型到实物应用场景搭建桥梁，提高学生的兴趣和参与度。

2）增加线上线下及翻转课堂的混合教学模式，提高学生课程的参与度;计算机组成原理随时知识点讲授的是若干经典模型与理论，但是人工智能作为计算机重要的一个分支，使得新背景下的计算机组成原理教学应在一定的程度上增强前沿性与探索性，因此在教学过程中可在某些章节增设翻转课堂模式，增强学生的主动参与性;目前各学科的网络资源非常丰富，中国大学生慕课、智慧树等等网络教学平台有丰富的优质课资源。因此对于计算机组成原理课程教学过程中，应该讲一些优质的网络资源引入，可以增设课下慕课教学环节，让学生进行课下学习，然后到课上进行讨论和答辩，帮助学生有效提升自主学习的能力。

3）理论课堂增设实物教学环节，多采用引导式，启发式教学;在进行多媒体教学过程中，可以在课程硬件类知识的学习过程中结合实物进行现场教学，例如：讲解CPU、存储器、总线、输入/输出系统、外存等等教学时可将实物带人课堂进行展示引导学生思考，启发学生进行多维度的学习，可以帮助学生更加形象地理解知识。

3 实验教学改革探索

计算机组成原理课程在多数高校存在实验学时比例低，实验设备不足，老旧等情况。因此本课程在实验教学环节可从以下几个方面进行改革探索：

1）适当增加实验学时。对于应用型本科院校，目标是培养服务区域经济的应用型人才，计算机组成原理就课程本身而言，本来是一门实用性较强的课程，应该在增强学生在学习过程中实验学时，提高学生实践参与度。

2）以验证性、设计性及综合性实验为主线进行实验设计。在实验教学过程中，教师可以将一个较大综合性的项目（最好是一款实际应用的产品）的模块拆分成验证性、设计性和综合性实验环节，使学生完成各个环节及最终环节实验后能够看到自己完成了一个能够用以实际应用的产品，提高学生兴趣，培养学生实际产品开发能力。

3）增设仿真实验环节。对于理论知识中较为晦涩的难点，设计仿真实验，引导学生通过动手仿真实验，灵活的掌握所学。

4 优化课程考核模式与评价

科学合理的课程考核与评价模式是保证学生更好掌握所学知识的有效途径，学生可以在考核过程中，了解自己的知识盲点，及时地查漏补缺。对于课程的评价体系可从以下几个方向进行改革探索：

1）理论知识体系评价。对于理论知识体系的评价可以采用期末闭卷考试、章节问题讨论、知识点翻转课堂相结合的模式进行考核评价。即期末从整体评价角度采用闭卷考试，考试内容涉及本课程重难点知识点，在试卷最后设计一道开放型的问题，考查学生对课程前沿知识的掌握;每一章节设计重难点知识点讨论，每个同学通过网教平台发表自己对于问题的看法;对于较为前沿应用较为广泛的知识采用翻转课程形式，让学生自己查阅资料学习后在课上与同学分享;这三个环节均设置一定比例分数。

2）实验考核评价。针对验证性实验、设计性实验和综合性实验分类别设计评价标准，可以从实验态度、实验过程、实验结果、实验报告、小组分工答辩这几个方面设置一定比例的成绩完成实验考核。着重考查学生对实验项目的构想，实验步骤的规划，实验过程中遇到问题的解决能力，答辩环节考察学生的团队协助，临场应变及对实验项目的拓展能力。

5 结语

本文针对新的时代背景下“计算机组成原理”课程教学过程中存在的问题进行了剖析，从理论教学，实验教学及课程考核评价体系三个层面结合应用型本科院校在培养新工科人才目标及课程组的授课经验方面提出了一些改革建议。今后课题组将根据实际教学需要进一步优化计算机组成原理课程的各个教学环节;同时现在各大学科竞赛为高校学子提供了良好的实践平台，也为今后的课程教学改革提出了新得挑战，以赛促学，以赛促教为今后学生课程学习与教师的课程教学指明了方向。

参考文献：

[1]李忠玉.《计算机组成原理》课程在应用型本科教学中的探索[J].科技资讯，2018，16（10）：199-201.

[2]白中英.数字逻辑、计算機组成原理两门课的衔接性[J].计算机教育，2011（19）：42.

[3]刘辉，等.“人工智能+”背景下“电力电子技术基础”课程教学改革[J].教育现代化，2019，6（97）：66-68.

[4]史忠植.高级人工智能[M]. 2011.

[5]王宽仁.应用型本科院校专业课程质量标准精细化建设研究[J].西部素质教育，2015，1（15）：9-10.

[6]林清华，何恩基.什么是一堂好课？——课堂教学评价标准研究述评[J].中小学管理，2004（6）：23-26.

[7]焦雅萍.论新课程理念下的课程品质及评价标准[J].教学与管理（理论版），2011（7）.

【通联编辑：王力】

基金项目：成都师范学院教改项目：“人工智能”背景下《计算机组成原理》课程质量标准及评价体系研究（No.2019JG21）

作者简介：李忠玉（1990-），男，四川成都人，通信作者，博士，讲师，研究方向为人工智能、物联网、智能教育;刘桄序（1977-），男，四川广元人，硕士，副教授，研究方向为嵌入式系统、智能硬件、创新教育;王惠清（1983-），男，山西原平人，博士，讲师，研究方向为人工智能、云计算、大数据。