基于自主可控需求的计算机组成原理教学实践

黄敏 陈沅涛

[摘 要] 文章从修订人才培养方案、改进课程的教学内容、方法与考核方式、强化实践教学、增加集中实践环节等方面，培养学生具有计算机各部件的设计方法、逻辑实现、建立系统概念及思维的能力，最后达到信息系统自主可控的需求。

[关键词] 自主可控;人才培养方案;课前练习;实践环节

[基金项目] 2018年湖南省普通高等学校教学改革研究项目（湘教通〔2018〕436号 No.193）;2019年长沙理工大学工程教育专业认证示范工程建设项目（高等教育研究所〔2019〕5号 No.11）

[作者简介] 黄 敏（1968—），女，重庆江津人，硕士，长沙理工大学计算机与通信工程学院副教授，研究方向为嵌入式系统与应用。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）42-0194-03    [收稿日期] 2020-03-04

一、研究背景

随着近几年中美贸易摩擦在科技领域愈演愈烈，国内对信息系统自主可控的需求也越来越强烈。计算机组成原理作为计算机及其相关专业的一门核心硬件课程，对信息系统自主可控的作用就越来越重要，其教学重点从以前的掌握“计算机各组成部件的工作原理、建立整机概念”，逐渐过渡到掌握“计算机各部件的设计方法、逻辑实现、建立系统概念及思维”[1]。为此，长沙理工大学计算机科学与技术专业从修订人才培养方案开始，改进课程的教学内容、方法与考核方式，增加集中实践环节，加强实践动手能力的培养，取得了较好的效果。

二、修订人才培养方案

表1所示是2016级以前与2017级培养方案的对比。由表可知，2017级的培养计划在计算机组成原理及其先修、后续课程中，都增加了实验课时，而且在理论和实验课程结束后，增加了2周的集中实践环节系统能力综合实训。如此修改的目的就是要加强对学生实践动手能力的培养，尤其是培养学生对计算机硬件部件直至系统的设计能力，最终实现信息系统软硬件的自主可控的目的。

三、改进理论课程教学内容、教学方法与考核方式

为实现信息系统自主可控的目的，计算机组成原理的教学内容[2]必须增加各部件的设计方法、逻辑实现，最后获得整机系统，为此，各部分的内容调整见表2。

在2016级以前的培养方案中，计算机组成原理课程的教学重点是掌握“计算机各组成部件的工作原理、建立整机概念”。采用传统的老师课堂讲授为主的教学方法，考核方式以期末考试为主，占总成绩的80%;辅以课堂提问加作业，占总成绩的10%;实验占总成绩的10%。这样的比例分配导致大部分学生在临近考试前才开始背题目、背概念，真正掌握计算机工作原理的人并不多。

在2017级的培养方案中，计算机组成原理课程的教学重点是掌握“计算机各部件的设计方法、逻辑实现、建立系统概念及思维”。计算机组成原理课程的特点是理论性强、概念多，仅靠老师讲、学生记都很难理解，而且与软件类课程不一样，可以通过编程来验证自己的理解是否正确，硬件类的概念只能通过做题和大量实践来验证理解是否正确。为此，理论课程的教学采用学生课前练习加老师课堂讲授的方式，即每次课均有课前练习，主要采用考研真题中的选择题为主，运用已学习过的理论知识来解决一些实际问题，而且每个题目都涉及多个知识点的综合应用。学生做完之后，老师公布答案，并给予解释。对学生理解原理和概念有很大帮助。比如这个题目：“某字长为8位的计算机中，已知整形变量x、y的机器数分别为[x]补=1 1110100，[y]补=1 0110000。若整形变量z=2*x+y/2，则z的机器数为多少。”涉及机器字长、数值数据的编码、移位运算、溢出判断等多个知识点，而且与软件编程相结合，让学生认识到硬件知识对软件编程是非常有用的，而不是纯粹、枯燥的概念。课前练习是针对已学过的内容来出题的，一方面督促学生课后复习以提高答题准确率;另一方面也将计算机组成原理很多难于理解的概念、原理分散到每节课，减轻学生期末考试的负担，让学生不再认为这门课是最难学的课程。课前练习在学校的网络教学平台完成，客观题可以自动评阅并记录成绩，作为平时成绩占总成绩的20%，课后作业占总成绩的15%，课堂提问占总成绩的5%，期末考试占总成绩的60%。期末做了问卷调查，100%的学生都认可课前练习，对理解枯燥的概念、原理有很大的帮助[3-6]。

四、强化实践教学，创新实践教学环节

2016级以前的实验是课内实验，10学时，采用SLJZ-1型计算机组成原理教学实验箱，共开设5个实验，分别是：静态随机存储器实验、算术逻辑运算器实验、数据通路实验、微程序控制器实验和基本模型机设计与实现，均是验证性实验，配有实验指导书，只要设备没问题，跟着步骤做，实验基本都能完成，对理解各功能部件的工作原理有一定帮助。但实验箱的硬件设计已固定，初学的学生难以在短时间内熟悉设计及其原理，且设备老化后故障也比较多。每个实验2学时，设备一旦出现故障，学生很难排除，导致稍微复杂一点的两个实验（微程序控制器实验和基本模型机设计与实现），只有少数学生能完成。而且部分学生因为设备陈旧和老化而难以完成，索性就不去做实验，最后也能获得这门课程的学分，因为实验成绩只占总成绩的10%。这样的实验对培养学生分析问题、解决问题能力的培养收效甚微。

2017级的实验独立设课，单独考核，0.5学分，16学时。采用Logisim仿真平台，开设的实验项目及成绩比例见表3。

通过这种考核方式得到的学生成绩，超过90%的学生都认为是合理的，认可实验有收获，掌握了计算机各部件的工作原理和逻辑设计方法。

针对2周的集中实践环节系统能力综合实训，要求每个学生选取8条以上的MIPS指令，设计微程序或硬布线的多周期CPU，需设计数据通路，划分时序，设计各阶段各部件的控制信号，用微程序或硬布线的方式在Logisim仿真平臺实现，最后用冒泡排序或选择排序的程序给予验证。考核方式是：题目完成情况的演示与答辩占50%，报告占50%。如果演示没通过，不管报告如何都不能及格。

五、結语

针对计算机组成原理课程对信息系统自主可控需求的重要性，从修订人才培养方案，改进课程的教学内容、方法、考核方式，强化实践教学环节等方面进行教学改革和尝试，得到了学生的认可，获得了较好效果。能够培养学生具有从计算机部件到系统的设计能力，对其他专业课教学也具有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]王志英，周兴社，袁春风，等.计算机专业学生系统能力培养和系统课程体系设置研究[J].计算机教育，2013（9）：1-6.

[2]白中英，戴志涛.计算机组成原理[M].第5版.北京：科学出版社，2013：6-11.

[3]兰勇，张朝阳，王伟，等.计算机组成原理教学改革探索与实践[J].计算机组教育，2019（1）：13-15.

[4]张铭泉，程晓荣.以能力培养为目标的计算机组成原理教学研究[J].教育教学论坛，2019（11）：221-222.

[5]柳星，袁景凌，饶文碧，等.计算机组成原理实验改革方法探讨[J].计算机组教育，2018（5）：5-9.

[6]高小鹏.计算机专业系统能力培养的技术途径[J].中国大学教学，2014（8）：53-57.

Teaching Practice of Computer Composition Principle Based on Autonomous and Controllable Demand

HUANG Min，CHEN Yuan-tao

（School of Computer and Communication Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha，Hunan 410114，China）

Abstract：From the aspects of revising the talent training plan，improving the teaching content，teaching methods and assessment methods of the course，strengthening the practice teaching，and increasing the concentration of practice links etc.，we try to train the students to have the ability of designing the computer components，establishing system concept and thinking ability，and finally meet the needs of autonomous and controllable information system.

Key words：autonomous and controllable;talent training plan;practice before class;practice link