面向新工科建设的计算机组成原理课程教学

张威 胡晓宏

摘 要：针对新工科背景下计算机组成原理课程教学面临的具体问题，结合工程教育认证的要求分析了课程教学的知识、能力和素质目标，提出了“培养学生的系统思维能力”的教学理念，并详细介绍了教学内容、教学设计、课程考核等环节的实施细节。

关键词：新工科;计算机组成原理;教学模式

中图分类号：G648.4

Teaching of Computer Composition Principle for

the Construction of New Engineering

Zhang Wei Hu Xiaohong

Department of Computer Science and Technology，Beihua University JiLinJiLin 132021

Abstract：In view of the specific problems faced by the teaching of computer composition principle under the background of new engineering，combined with the requirements of engineering education certification，this paper analyzes the knowledge，ability and quality objectives of curriculum teaching，puts forward the teaching concept of "cultivating students' systematic thinking ability"，and introduces in detail the specific implementation details of teaching links such as teaching content，teaching design and curriculum assessment.

Keywords：new engineering;computer composition principle course;teaching model

計算机组成原理课程是计算机专业本科教学中承上启下的核心专业课程，以计算机硬件系统为主线，训练学生系统分析与设计实现能力，提高学生工程意识、工程素质和工程实践能力，完成新工科背景下学生解决复杂工程问题能力的培养[1]。本文以课程教学的开展与创新为主题探索新工科背景下计算机组成原理课程教学的新模式。

1 课程教学面临的具体问题

计算机组成原理课程是计算机类专业学生的一门专业基础必修课，以培养学生“利用工程化方法解决计算机等相关领域复杂问题的开发能力”为根本目标，从硬件的角度讲述计算机的工作原理，运行机制和设计方法，建立硬件软件协同一体的整机概念。

课程的先修课程包括数字电路技术和程序设计基础。通过数字电路技术的学习，学生具备了基本的数字电路技术基础，但是现代计算机内部的高度集成使得其内部结构和工作过程无法直观感受，所以很多学生感觉课程内容抽象、难度大、学习兴趣不高。通过程序设计基础的学习，学生具备了高级语言程序设计与分析的基本能力，但是组成原理课程内容以计算机主要功能部件的工作原理为主线进行硬件知识的讲解，学生难以建立高级语言与硬件构造的联系，就业中硬件系统设计的相关岗位并不多，导致许多学生认为课程的实用性不强，重视程度不够。传统上课程内容的组织是以早期最简单的计算机为模型，讲解计算机系统的共性特征，因此给部分学生造成了教学内容陈旧、与实际应用脱节的印象。

系统能力培养是新工科计算机类专业建设和教育提升中首当其冲的重要内容[23]。系统能力培养的目标是让学生站在不同层面上把握不同层次上的应用，理解计算机系统的整体性、关联性，能够用系统化方法，掌握计算机硬软件协同工作及相互作用机制，全面考虑系统各部分及其与外界的逻辑与联系，完成一定规模的系统设计的能力[4]。

针对教学中反映出来的问题，依据培养学生系统能力的思想，我校计算机组成原理课程组从硬件设计者、软件设计者、系统普通用户三个讲授视角展开授课内容，让学生在掌握计算机系统的外部特性、硬件工作原理基础上，理解硬件与软件之间的联系，提升课程的实用性。授课中穿插介绍计算机组与体系结构中所用的各种新技术及其发展趋势，拓宽学生视野，提升学习兴趣。

2 课程教学目标分析

通过行业访谈以及与校内外专家的研讨等手段，我们将毕业要求指标点进行了分析拆解，确定计算机组成原理课程的教学目标有以下内容：

（1）掌握现代数字计算机硬件系统的基本构成与工作原理，理解数值的机器表示与运算、存储系统、指令系统、中央处理器、输入输出系统、总线的基本内容。

（2）能够运用数据表示和运算方法、存储结构、指令系统和CPU原理等知识对计算机系统设计方案和模型进行推理和验证。

（3）能够运用计算机的层次性结构、数据表示与运算方法等基础理论对软件工程领域问题进行设计、分析与验证。

（4）通过组成原理相关知识的学习和研究，进一步了解计算机组成原理课程发展、开发标准和行业规范，培养在实际的工程问题中灵活应用的能力。课程目标和教学环节的对应关系如下表。

3 课程教学改革与创新

结合专业人才培养目标，以工程教育认证理念为指导，课程进行了以下几方面的探索：

3.1 以成果为导向反向设计课程目标

将课程的根本目标从“讲授计算机系统的基本组成、工作原理”转变为“培养学生的系统思维能力”，使其可以从系统角度综合考虑和解决复杂工程问题，对软、硬件功能合理划分、对系统不同层次抽象和封装，能够分别从软件和硬件的角度对计算机执行指令的机制有所了解，并能利用了解到的软件、硬件之间的对应关系来设计高效的应用程序，针对操作系统、编译器等系统软件的理解，具有系统整体性能分析和调优、用户程序性能评估和优化等能力[5]。培养自主学习和终身学习的意识，使学生及时了解计算机组成与体系结构中所用的各种新技术及其发展趋势。

以上课程目标在落实到教学实施中可以从知识、能力、素质方面归结如下：

（1）知识目标。掌握计算机硬件系统的工作原理与基本逻辑结构，掌握计算机系统中的信息表示与基本运算，理解计算机系统运行机制和基本设计方法。

（2）能力目标。建立计算机系统层次化概念，能够识别和判断应用系统中的核心问题，能利用多种资源寻求解决方案进行正确表达，掌握系统分析、抽象、表达的基本方法;能够针对特定计算机系统需求、可复用模块或组件完成数据结构和算法的设计/硬件单元的设计，具备利用现代工程工具和信息技术工具探索实际工程中硬件系统设计与开发能力，具备理论联系实际能力，能够对硬件设计方案做出恰当的评价分析。具有良好的团队协作精神，能够在团队中有效沟通交流完成所承担的任务。

（3）素质目标。提升学生的学习兴趣、工程素养，培养正确的生活、学习习惯，具备良好的身心素质;把知识传授和理想信念、价值理念有效结合，将课程内容与我国计算机事业发展融会贯通，激发学生的爱国情操;通过工程项目实例的分析讲解，培养求实创新的工作作风，理性处理问题与矛盾。将学生熟悉的软件开发设计过程与课程的知识点紧密结合，引导学生理论联系实际，做到学以致用;通过线上线下的导学讨论，提升学生的自主学习能力和知识自主应用能力，具备不断学习及适应发展的能力。

3.2 面向系统能力培养重构教学内容

结合课程特点与教学目标，在教学内容的组织上进行调整。保留原有的从硬件设计者的角度讲授各功能部件的工作原理与互联机制，让学生能掌握计算机系统的基本原理、运行机制与设计方法。另一方面，从软件开发者角度引导学生分析、体验计算机底层硬件结构与程序执行正确性及程序执行性能之间的关系，强调软硬件关联协同，搭建硬件软件的桥梁。例如，在进行高速缓存内容的讲解中，以如何写出让CPU跑得更快的代码为主题，从数据缓存和指令缓存两方面来分析程序，综合运用数据的物理存储及排序优化程序提高cache命中率，有效提升代码的执行速度。让学生通过课程学习理解Cache的工作原理、设计思想的同时，理解软硬件关联协同的理念并能在实践中灵活应用。

3.3 以学生为中心驱动教学进程

采用“互动、开放”的课堂形式，以问题为载体，教师采用启发式教学方法，引导学生自己完成知识点到知识链的关联，形成计算机组成原理系统观和构造观。

例如，在进行数据表示与运算的讲解时，从硬件设计的角度引入补码表示的必要性，引导学生分析计算机的计算能力与硬件设计的关系及其对程序设计的影响，使学生能掌握运算器的构造并能真正理解数据表示对软件、硬件系统设计的影响。

3.4 以能力为指标科学考核设计

利用多形式、分阶段考核等多样化考核形式对学生的知识掌握和能力培养进行全面综合评价。除了传统的客观性考核方法以外，引入课程讨论、新技术演讲交流、课程小论文等具有一定主观性的考核方式，注重考核学生的创新能力、解决问题的能力、实践能力。

3.5 智慧教學理念的引入与实施

借鉴优质网络资源助力智慧学习。备课时参考融合超星平台等提供的各种相应课件、录像、慕课，课前为学生介绍提供丰富的参考资源并做相应指导，为学生建立自主导学的环境。利用采用多样化教学组织引领智慧教学。通过上传课件并查看学生预习情况预估讲授重点、通过“打卡”进行课堂签到、“投票提问”课堂专注度分析等形式增加课堂管控能力。

设计面向思维培养的教学内容指导个性化培养。利用超星平台的学习监控数据，根据学生在平台上的预习与前测情况掌握学生学习风格与认知水平，针对课程核心内容设计不同梯度的问题，课程内容分为基础、进阶、选学，引导学生从记忆、理解层面过渡到运用分析、综合评价层面。

采用智能化多元化评价具有思维含量的学习成果。利用网络平台上对学生的学习参与度、章节测验等对学生知识掌握情况进行阶段性考核。在教学平台上传并批改作业，一般知识性作业由平台直接批改解析，高阶问题开展限时讨论并由教师总结。部分设计类题目由学生将自己的作业上传到平台，学生之间互评，以实现课后反思与提高。教师根据学生综合表现形成评价结果。

4 教学设计

4.1 问题引导，激发学习兴趣

在内容讲授中以学生感兴趣的实际问题出发，例如，在介绍缓存技术时从“U盘安全删除”这个主题，引出缓存的概念，在讲授之前就抓住学生的注意力，引起他们听讲的兴趣。在讲授之后提出根据缓存的特性进行程序优化以及缓存技术在操作系统和Web中的应用，让学生在巩固课堂学习内容的基础上思考所学内容在应用中的转化，实现从知识的被动学习到主动应用。

4.2 情景展开，串联知识架构

把各个章节独立的授课内容与计算机工作过程相联系，从工作过程关联到系统设计，自动形成该计算机组成的整体框架结构。按照课程内容组织，为每个章节设计主题情节。例如，在高速缓存讲授中，以提高CPU执行效率为主线安排教学内容，讲授cache的工作原理、读写过程，分析计算机中的数据表、指令执行对存储系统的限制与关联，使得独立的单元授课内容统一到整机系统的大概念中。

4.3 进阶任务，强化分析问题能力

为每次课程的主题设计进阶式任务，引导学生自主分析、解决，创造“闯关式”教学环节的推进。例如，在提升存储系统效率这一主题中，通过师生互动由浅入深讲解，引导学生从采用高性能器件到改进存储系统结构，分析存储系统结构改进对CPU的设计与指令执行的关联，逐步分级知识点，学会应用基本原理，识别表达通复杂工程问题，并设计可行的解决方案。

4.4 启发式讨论，激发创新性思维

为每个课程主题设置相关讨论议题，让学生在课后进行发散式讨论，课后形成书面材料上交。选择代表性问题在课上进行展示与辩论，培养学生撰写报告和设计文稿、陈述发言与沟通的能力。全部课程结束后要求学生将所有讨论议题和课程知识点对应，形成总结性材料。

4.5 课堂延展，完成知识到素养转换

推荐布置与课程内容相关的影音资料等，为学有余力的学生提供阅读参考材料。引导学生从趣味故事中学习背景知识，通过对比联想进行思维挖掘，完成从方法到能力，从能力到思维的转换。

结语

根据新工科理念，结合工程认证持续改进的理念，我们对计算机组成原理课程的教学内容以及教学过程的组织不断改进。力求使学生在掌握通用的计算机基本组成和工作原理的基础上，能识别、分析具体工程应用问题，具备基本的软硬件协同设计、实现开发能力，为复杂工程问题的解决打好基础。课程教学取得了一定的成效，学生对硬件课程的学习兴趣有明显提高，从课堂监控数据可以看到，学生出勤率、课堂参与度逐年提高，报名参加校级电子设计竞赛、硬件比赛的学生比往年高出20%左右，两组学生获得了电子竞赛省级一等奖，以软硬件协同为主题的立项获得省级以上大创项目3项。

参考文献：

[1]李妍，孙冬璞，崔永利，董薇.新工科背景下计算机组成原理课程实践教学的探索[J].中国现代教育装备，2020（19）：4951+61.

[2]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）：16.

[3]言十.新工科建设与系统能力培养[J].计算机教育，2018（7）：58.

[4]安鑫，胡学钢，陈付龙，卢建良，李建华，陈田，张昱.面向系统能力培养的硬件类课程实践体系构建[J].计算机教育，2020（05）：141146.

[5]黄岚，吕春利，史银雪，孙瑞志，袁刚，程新荣，刘云玲.面向工程认证的计算机组成原理课程建设探索[J].教育教学论坛，2018（12）：2602.

基金项目：本文得到吉林省高等教研教学改革研究课题“面向复杂工程问题的应用型本科院校计算机专业基础课程群实践教学体系探索”（SJXG2019033）的资助

作者简介：张威（1974— ），女，汉族，吉林吉林人，博士，北华大学计算机科学技术学院教授，研究方向：图像处理与模式识别、计算机教学与教育研究;胡曉宏（1969— ），女，汉族，吉林吉林人，硕士，北华大学计算机科学技术学院教授，研究方向：数字图像处理及计算机教学与教育研究。