应用型人才培养的计算机组成原理课程教学改革研究

姚 莉，倪 波

应用型人才培养的计算机组成原理课程教学改革研究

姚 莉，倪 波

（湖北理工学院 计算机学院，湖北 黄石 435003）

为了提高计算机组成原理课程教学效果，培养学生的计算机系统能力，提高学生解决计算机复杂工程问题能力，在总结计算机组成原理课程教学经验的基础上，结合应用型人才培养需求，提出课程教学改革建议。根据课程特点和课程在高校计算机专业中的教学现状，分析教学过程中存在的问题。从教学内容、教学方法、教学评价和课程思政等方面，提出教学改革措施，结合案例落实于教学过程，成效显著。

计算机组成原理；课程教学；改革研究

计算机组成原理是计算机专业本科生核心基础课程之一，对构建学生整个计算机“系统观”起到承上启下的作用。通过该课程的学习，学生需要能够从微观、中观、宏观三个层面掌握计算机内部基本组成，计算机核心部件的工作原理和各部件之间的相互协作运行机制；掌握机器指令、微指令等相关概念和指令级计算机系统运行机理；建立理解不同层次指令在计算机硬件上的执行过程。但在实际教学过程中存在现实问题：其一理论与实践“两张皮”。计算机组成原理概念抽象，知识点多，课内实验分散在不同的章节，缺乏系统化，造成理论教学解释原理不深入，实践教学训练强度不够，从而造成理论与实践“两张皮”问题。其二实践教学“三脱节”问题。计算机组成原理实践教学中存在实践内容、实验环境、考核标准与塑造学生系统观念，熟悉系统内部运行机理和流程以及考核学生能力产出方面存在脱节，制约了学生解决复杂工程能力的能力。其三课程思政“空泛化”问题。目前计算机组成原理的课程思政建设更多的强调的是一种理念的宣讲，如，介绍中国计算机发展的现状和取得的成就，从而激励学生爱国热情和社会责任，而忽视专业精神和职业精神的协同培养。

一、教学改革措施

目前各高校在计算机专业人才培养方面针对计算机组成原理课程改革有很多[1]，包括从理论到实验，再到课程设计[2]等。有利用各类工具完善实验教学的改革措施，也有针对课程内容进行的改革方法[3-4]。本课程改革的重点是培养学生的计算机系统能力，以提高学生解决计算机复杂工程问题能力。工程认证毕业要求培养学生解决计算机专业领域的复杂工程问题能力，就必须对计算机系统有深入全面的认识。

（一）教学内容改革，培养学生深入工程原理的系统观

笔者所在课题组以具体实践项目融入教学内容和课内实践教学始终，并通过完成项目为评价依据，强化学生的系统思维和深入工程原理的系统设计与开发能力，训练学生计算机系统能力，为培养学生解决计算机复杂工程问题能力打下坚实基础，具体实施如图1所示。

图1 课程教学实施

计算机系统能力是指能自觉运用系统观，理解计算机系统的整体性、关联性、层次性、动态性和开放性，并用系统化方法，掌握计算机硬软件协同工作及相互作用的机制的能力。通过掌握软硬件接口和运行协同机理、软硬件逻辑关系和体系结构、功能设计和交互模式等知识内容，培养学生解决复杂工程问题的基本能力，最终实现计算机应用和创新的价值。

计算机系统能力的内涵主要包括三个方面。一是计算机基础系统能力，即学生可以运用数学和物理原理，设计和开发计算机运行系统，包括中央处理器（CPU）、操作系统、编译系统和网络系统，这是计算机最基本的系统，称为计算机基础系统。二是计算机领域系统能力，即学会运用计算机基础系统原理，设计和开发计算机领域的专门系统，例如软件开发系统、 数据库系统、嵌入式系统等，称为计算机领域系统。三是计算机应用系统能力，即可以运用计算机专业系统原理，设计和开发各种应用系统，称为计算机应用系统。

随着大规模数据中心的建立和个人移动设备的普及，可以清楚地看到，计算机人才培养强调的“程序性开发能力”正在转化为更重要的“系统性设计能力”。为了应对各种复杂应用，编写出高效程序，应用开发人员必须了解系统平台的底层结构，并熟练掌握其中的技术和工具。同时，要求在整体的系统层面综 合设计，通过软硬件协同实现开发方案的最优化，以强大的底层技术来保证各项复杂功能的高效实现。因此，修订教学内容，培养学生深入工程原理的系统观是保证学生计算机系统能力培养的必要条件。

（二）教学方法改革，多措并举培养学生自学和探究能力

计算机组成原理是一门硬件课程，是学生全面认识计算机硬件工作原理的核心课程。计算机系统包含软件系统和硬件系统，硬件是系统的基础，软件是硬件的补充。计算机系统从硬件到接口，从系统软件到应用软件一直都是密不可分的，因此教师在教学过程中应引导学生从系统的角度看待问题，建立基本计算机模型通过实验传授基本技能分析问题，最后不断完善模型解决问题。在强调“大工程观”的前提下开启学导式案例教学。

在课程学习中，引导学生有效的结合软件基础语言课程，帮助学习计算机组成原理，让学生在学习的过程中会变得更易接受。其实计算机组成原理课程的众多知识点都与计算机语言类课程中的基础知识点有一定的联系。例如：C语言、汇编语言等，如表1所示。

表1 课程知识点对比

因此，在授课过程中，根据需要在“先学”或“后教”环节中引入C语言或汇编语言问题，提高学生对计算机系统的认知。向学生抛出问题、增加互动、引导学生讲解，完成学导式教学。

另外，例如在讲解微程序控制器时，使用Logisim软件设计简易计算机系统模型，强调“先学后教，先练后讲”，在理论教学过程中穿插基于OBE的实验教学。将前导知识指令系统和前导课程汇编语言程序设计里的内容进行合理的设计和串接，让学生在如图2所示的完整模型机上完成汇编语言源码、机器指令以及微指令的设计与运行，完成实践性案例教学。

CPU由运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0-R7），指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成,如图2所示。这个CPU在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU必须和主存挂接后才有实际的意义，所以还需要在该CPU的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。通过在教学过程中对实际系统的模拟与仿真，理解计算机中各个部件如何协调工作，理解并掌握计算机工作的基本原理。

此外，为弥补学时不足的影响，本课程采用线上线下相结合的教学方式，一方面弥补课时不足的影响，另一方面通过线上预习，课后答题等环节培养学生自学和探究能力。本课程的线上教学依托educoder实践教学平台，利用线上平台帮助学生更好的完成知识的学习与实践。同时，让学生在课下也能更好的完成自主学习和复习巩固。如图3所示是学院21级所有本科专业学生已经完成的线上课堂。

图2 仿真模型机电路图

图3 educoder平台课程线上学生情况

图3是2022年9月至2023年1月的一个学期实践，是本课程教学改革最近的一个学期的实践。参与课程改革实践的21级学生在学到的知识，提高了认知的情况下，大大提高了学习能力，掌握了对新领域新知识的探索方法。学生学习以后不断完善模型机功能，随着对计算机系统认知不断加深，确定个人的学习发展方向“终身学习”“持续改进”。

（三）教学评价改革，注重工程实践考核

传统计算机组成原理课程考核是围绕知识层面的考核。例如：平时作业完成度，课程报告、期末成绩等，缺乏对复杂工程问题中涉及的多制约条件下，学生实践能力的考核。本次改革中，考核标准将工程实践的考核分解为，项目调研、分析、实施、部署等环节，并在不同的环节中既考察系统功能的完备性、技术路线的先进性等技术性因素，还重点考察文献检索、现代工具使用、成本分析、团队合作等非技术性指标，让考核成为检验学生具备解决复杂工程问题的“金标准”。

（四）课程思政融入课堂

另外，“课程思政”的建设工作中，强调“要完善课程体系，解决好各类课程和思政课相互配合的问题”[5]。计算机组成原理在课程教学中也存在着课程思政空心化，对思政理解肤浅化的现象。在教学过程中根据课程内容，选取和思政关系大的知识点，展开教学。比如，通过讲解计算机存储系统及计算机存储芯片发展史，告诉同学们科学研究要“坐得冷板凳”，对所从事的工作，要执着、热情、淡泊名利。再比如，讲到计算机整体结构的时候，可以结合华为目前技术突飞猛进的例子展开讲解。通过这样的案例合理设计教学过程，在专业课教学过程中，融入思政元素，达到良好的育人效果。

二、改革成效

（一）教学满意度方面

经过上述一系列的改革措施，从整体上也提高了学生的学习积极性。团队教师使用Logisim设计了基于冯诺依曼机的简易计算机系统模型，并推广应用到计算机所有专业中，实现了硬件实验自主研发。让课堂氛围提升的同时，极大地调动了学生的学习主动性。根据educoder平台上统计的数据，学生花在计算机组成原理课程上的时间也增加了。反映出学院学生对本课程有了更全面、更完整的理解，对课程教学评价满意度也有很大的提高。

（二）学生能力提升方面

2016年至今，教师指导学生参加全国各类专业性竞赛，例如：大学生计算机设计大赛、全国物联网设计竞赛等获得国家级省级奖项若干。2017年至今，教师指导学生参加蓝桥杯全国软件和信息技术专业人才大赛也获得了非常优异的成绩。2020年，教师指导2017级计算机科学与技术专业、2017级物联网工程专业等共计21名学生参加蓝桥杯嵌入式设计与开发组竞赛，19人获奖，其中4人获得国家级奖项，获奖率超过90%。

指导学生积极参与“互联网+”大学生创新创业大赛，推动各专业多学科的学科建设和产业创新的联动发展。2019年至今获得校级奖励若干，2020年获得第六届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛湖北省铜奖一项，并获得优秀指导教师荣誉称号。

（三）示范推广方面

该课程成功的教学改革为数字逻辑、嵌入式系统开发等课程的改革提供了借鉴和示范，进而使得学院初步建立起较为完整的数字逻辑-计算机组成原理-嵌入式原理-嵌入式系统开发的嵌入式人才培养的课程体系，为计算机各本科专业制定了全面合理的人才培养方案[6]。申请购置升级现有的嵌入式系列课程实践教学设备，组织成立了基于物联网领域的嵌入式工程应用型人才培养团队[7]，为专业教育和人才培养做出了良好的示范。

三、结语

本文提出的计算机组成原理课程设计改革,实现了为解决具体的应用问题而设计指令和CPU，扭转了过去单纯设计指令和CPU后再去简单验证其正确性的做法，在多年的实践检验中获得积极成效。这种以应用为牵引的目标驱动式创新实践改革，能够提升课程设计的针对性、目标性和有效性，帮助学生在带着问题思考与解决的过程中提升对计算机整机系统的全局理解、设计、实现的能力，能够加强软硬件协同设计与开发的系统能力培养目标实现，对于提升复杂工程问题解决能力具有重要意义。配合更深入的指令设计与FPGA资源利用，逐渐将更多计算机硬件与系统软件融入到设计实现中，彻底贯通计算机系统，这是令人期待的课程改革与人才培养的重大突破。

[1]史小松,马辉.计算机组成原理课程教学改革探索[J]. 计算机教育,2022,8(8):34-37+42.

[2]张磊,何杰,齐悦,等.工程认证背景下计算机组成原理课程设计改革[J].实验技术与管理,2021,38(4):179-185.

[3]黄磊,张媛.用Logisim改革计算机组成原理实验[J].产业与科技论坛,2021,20(11):45-46.

[4]胡迪青,谭志虎,吴非,等.“计算机组成原理"课程虚拟仿真实践教学研究[J].电气电子教学学报,2018,40(4):113-116.

[5]王亚峰.“课程思政”建设的理念与路径思考.[J].江苏 高职教育,2019,19(1):69-71.

[6]倪波,刘志远,纪鹏,等.基于“课证共生、模块串行”的网络工程实践教学体系的改革与实践[J].实验技术与管理, 2020,37(7):200-203.

[7]姚莉.“嵌入式”课程教学改革研究[J].湖北理工学院 学报,2014,30(6):68-70.

G423.07

A

1672-1047（2023）04-0052-04

10.3969/j.issn.1672-1047.2023.04.13

2023-07-03

湖北理工学院教育教学改革研究项目“适应应用型人才培养的计算机组成原理课程教学内容和方法的改革研究”（2020C02）；湖北省教学改革研究项目“IT 自主可控战略下应用型人才培养模式研究”（2021450）；湖北理工学院大学生创新创业训练计划项目“车间自动控制系统与智能清洁机器人”（S202210920036）。

姚 莉，女，湖北黄冈人，硕士，讲师，计科系主任。研究方向：计算机应用技术，嵌入式系统。

倪波，男，湖北黄石人，博士，副教授，计算机学院副院长。研究方向：计算机视觉，医学图形处理。

[责任编辑：罗幼平]