谈计算机组成原理课程教学改革
作者：杨旭东 肖铁军 丁伟 赵蕙　　

计算机组成原理是计算机科学与技术专业的核心硬件基础课程，是全国计算机专业硕士研究生入学考试的重点专业考试课程之一。它在计算机及其相关专业本科教学课程体系中起着承前启后的作用。该课程内容涵盖计算机系统的基本硬件部件构成和组成方式，包括基本的运算操作原理和单元设计思想、操作方式及其實现等。
　　通过对该课程的学习，不仅可以帮助学生理解单处理器计算机硬件系统的基本组织结构和工作原理，掌握单处理器计算机硬件系统的基本分析和设计方法及相互关系，还使学生了解计算机系统的层次化结构概念，明晰硬件与软件之间的接口界面，建立起一个完整的计算机系统的整机概念，为后续相关硬件课程如计算机体系结构、微型计算机系统原理与接口等课程的学习打下良好的基础。

1课程教学现状
　　1.1教材建设问题
　　计算机组成原理课程教学课时相对较少，但是其理论性强、知识面广、内容多且更新快，教师难教，学生难学。现有计算机系统内部都是由超大规模集成电路组成，缺乏和书本相一致的硬件电路帮助学生加深认识。如果在没有相关基础知识的前提下，直接介绍现有的较复杂的新技术、新方法和新知识，学生熟悉和掌握有一定困难。
　　1.2教学方法存在的问题
　　由于“计算机组成原理”课程的知识点较多，现有的教学课时数较少，所以教师在教学过程中基本采用传统的“填鸭灌输式”教学方法，虽然教学工具从“粉笔+黑板”逐渐转变为“黑板+课件”，提高了教学效率，使教学内容更加紧凑，但仍然存在许多弊端，比如因为内容较多，学生在听课时没有充分思考的时间，缺乏足够的课堂交互，过分依赖拷贝教师的课件，不注重课堂理解，使教学效果较差。
　　1.3實践教学问题
　　计算机组成原理课程的實践教学在整个课程教学中有着重要作用，其主要實验内容包括运算器、存储器、控制器等各部件實验以及基本模型机的课程设计實验。但在现有的實践教学过程中，基本是由老师给出實验步骤，学生负责验证完成實验，对其中用到的相关知识及工作原理学生不能完全理解，缺乏对實验过程中出现错误的分析和解决能力。如果改用FPGA平台采用VHDL或Verilog语言进行设计型實验，虽然相对验证型實验而言，實验内容得到了改进，但由于学生个体差异较大，有的学生在相对有限的實验时间内无法完成，實际效果大打折扣。

2教学改革
　　针对以上问题，笔者所在的课程教研组从教材建设、教学内容组织、教学模式、教学方法、實践教学等几个角度出发，进行了一系列教学改革和實践。
　　2.1教材建设
　　通过分析CC2005教程体系、《高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范和计算机科学与技术专业研究生入学考试专业基础课全国统一命题考试大纲》对计算机组成原理课程知识点的要求，笔者所在的教研组重新编写了课程教材，将重点放在讲述一般性原理，不针对任何具体的商业机型，综合国内外计算机类型中较为成熟的先进技术，兼顾计算机发展的新技术、新成果，力求做到深入浅出。同时，为了避免一般性的抽象原理不利于分析理解，该教材即反映了不同的典型结构，也有深入的分析，点面结合；通过一个模型机的實例将相关章节联系起来，最终形成一个整机的概念，系统性较强。新教材紧密联系實践环节，加深了学生对所学知识的理解深度和应用能力，提高了学生的学习兴趣，取得了良好的学习效果。
　　2.2教学内容组织
　　计算机组成原理课程教材的内容覆盖范围广、知识点多、理论性强，但是在当前课时日益减少的情况下，不适合不加取舍地照本宣科，如何站在计算机硬件系统课程群的角度对课程内容进行适当取舍，对前导课程计算机基础、数字逻辑电路已经讲过的相关内容可以略过，以习题或课堂提问的方式引导学生回忆曾经学习的内容。对于将在后继课程中讲到的内容，比如流水线技术、虚拟存储技术、通道输入输出方式等，只提及基本概念、结构和工作原理，不需要精讲分析，将相关内容留给后继课程去讲解。
　　2.3教学模式选择
　　改革现有的以课堂教学为主的教学模式，辅以多媒体、网络教学。在多媒体课件设计的过程中，竭力避免大段抄袭教材内容的课件，强调概括突出章节知识要点，针对课程内容抽象、實物演示存在难度的特点，课件主要内容以动态演示为主，生动形象地描述地址流、数据流、指令流在计算机内部的操作过程，让学生能以更直观的方式理解计算机内部的信息处理过程，提升课堂教学效果。此外，在网络上提供一个以学生为中心的网上学习环境，除了實现课程相关资源上网以外，针对每个章节设置试题库，考核学生对相关知识点的掌握情况，并设置板块对历年考研试题进行解答分析，安排任课教师轮流在网络上对学生反馈的相关学习问题进行答疑解析，使学生与老师的互动不受时间和地点的限制。
　　2.4教学方法改革
　　传统的教学方法是灌输式的，笔者在对中西方教学方法进行了解和比较后，探索将启发式教学、类比式教学、案例教学等多种教学方法综合应用到计算机组成原理课程教学当中。
　　现有的情境教学、启发式教学强调创设适合问题的情境。所谓问题的情境是指不能直接使用自身已有的知识处理，但可以间接利用已有知识处理的情境。这就需要教师根据本课程的教学内容，围绕特定的课程主题，设计合适的问题，激发学生的求知欲，强化其学习兴趣，引导其主动探求更多的新知识。在教学过程中，教师需要鼓励学生敢于质疑，敢于提问，而且要从不同角度提出问题、思考问题。例如在讲解运算器ALU的时候，可以先提出问题，为什么衡量计算机运算速度可以采用每秒钟多少次加法这个性能指标？加减乘除四则运算之间是否可以合并化简？从而让学生思考计算机的算术运算功能的實现主要依靠什么部件，是否存在同一个部件能够同时完成所有的四则运算功能？这就可以引申出加法器的基本概念，使学生明白在计算机中用来實现运算的核心部件是加法器。在實际教学过程中，还需要尊重学生的个性思维，给予他们开放式的答案，这对于提升学生的学习兴趣，保持学生持续的学习动机非常有帮助。
　　类比教学是指在讲授过程中将一些概念、策略和思想等比较抽象的内容与现實生活中的生动事例进行关联、类比，从而将学生可能认为抽象的概念、理论形象化、生动化，使其掌握知识更牢固。例如，将日常生活中最简单的接电话与中断处理过程相联系起来，在日常的工作过程中，突然出现的手机铃声就是中断请求信号，打进电话的呼叫者就是发送请求的中断源，因为被呼叫者无法预知呼叫的时间，所以打进电话的过程是个随机事件，具有和中断相同的特征——随机性。手机的分组铃声和来电显示可以用来区分呼叫者的身份，是用来识别不同中断来源的标志，这个过程是个中断识别的过程。而被呼叫者中止当前正在执行的工作，选择接听或者挂断电话的过程是中断响应的问题，接听是响应中断，挂断则是不响应。如果设置了来电过滤的黑名单和白名单属于中断屏蔽的问题，黑名单上的呼叫者将会被屏蔽掉，白名单上的则不会受影响。被呼叫者接听电话回应呼叫者的过程属于中断处理过程。接听完毕，挂断电话，重新开始原来被中断的日常工作属于中断返回。整个过程和中断处理过程如出一辙，通过这样一件简单的日常事例，学生可以由此及彼的掌握整个中断过程。
　　案例教学法在一些法学、管理类教学中早已广泛运用，它是通过實际案例来反映教学内容中的一些基本原理和方法，提高学生思考问题、分析问题和解决问题的能力，重视培养学生学习兴趣的一种教学方法。案例教学法关键在于选择合适的案例，案例必须具有典型性，具有普遍意义，这样的實例在教学过程中值得花费精力讨论和设计。计算机组成原理课程内容比较抽象，案例教学对CPU数据通路的教学非常有效，特别是指令执行过程部分，通过对模型机案例的信息流分析以及和现代计算机硬件系统结构的直观对比，介绍计算机系统的新理论和新技术，加深学生对计算机硬件系统各功能部件的基本原理、基本结构的理解和掌握。
　　2.5實践教学改革
　　2.5.1實验内容改革
　　学院从过去的固定结构實验平台下的验证性實验，过渡到FPGA實验平台下的设计性實验，使實验项目更加灵活，實验内容与教材内容保持一致，避免實验与课堂教学脱节的问题，做到课堂教学与實践环节的统一，巩固教学效果。
　　2.5.2實践教学方法改革
　　从2004年开始，笔者所在的教研组针对不同类型的学生，采用了层次化教学法，并在后续的實践中，陆续采用了任务驱动式實践教学，建立實践教学平台等多种方法提高教学效果。层次化教学法是针对学生的个体差异，在教学大纲允许的范围内，将實践任务分成基本、常规、提高3个层次，基本层次完成原理验证型實验，常规层次完成给定框架内的设计并进行验证，提高层次鼓励学生综合所学知识，實践自己的创新设计。课程组在编写指导书时就对不同层次分别指导，如课程设计指导书中基本层次完成CPU的微程序设计，着重于理解指令的實现过程，常规层次还要完成CPU的硬件设计，从设计的角度理解计算机的工作原理。在實施中采用学生申请、指导老师审核的方式选择层次，层次的选择不影响成绩的档次，保证每个学生都能通过實验有所收获。
　　任务驱动式教学就是把所要学习的知识转化为对应的任务，教师通过引导学生分析任务、通过主动探求完成任务来實现所要达到的教学目标。它符合探究教学模式，强调知识和技能的传授应以完成典型“任务”为主，强调学生在密切联系学习、生活和社会實践的有意义的“任务”情境中，通过完成任务来学习知识、获得技能、形成能力。在计算机组成原理课程的實践教学过程中，以模型机CPU的设计作为實践教学的核心任务。之所以选择CPU，主要是由于CPU对大多数计算机专业学生而言，是既陌生又熟悉的一个具有神秘感的硬件，能够充分调动学生的学习兴趣；同时CPU又是整个计算机系统的控制处理中心，负责指令的解释执行，實现了对计算机系统中各个功能部件的管理控制，可以帮助学生深入理解计算机的工作原理。在整个實践教学过程中，这个核心任务被分解成若干个环环相扣的子任务，如伴随课堂教学进度进行的运算器、高速缓存、控制器等部件设计，由浅入深、循序渐进，在期末课程设计的时候，由学生设计實现各种不同结构和功能的CPU。学生可以将所学知识融会贯通、综合运用到CPU设计过程中，给有潜力的同学留下了足够的创新空间，对于培养学生的创新能力、创新思维有着较大帮助。

3结语
　　针对目前存在的学生学习兴趣不高，课程理论性知识较多，课堂内容抽象等问题，课程组通过对教材建设、教学模式、教学内容的组织等多个方面的不断改革，取得了较好的教学效果。多项教学改革的综合应用表明，师生之间的教学互动得到了加强，学生的学习兴趣大大提高，学习的主动性和积极性被充分调动，课程教学从课堂内延伸到课外。但还应注意到，随着生产工艺的不断提高，传统的计算机硬件不断地被取代，单核处理器已逐渐被淘汰，计算机组成原理的教学改革任重而道远，在今后的教学實践过程中，应结合当前的发展动态、发展方向，结合学校学生的實际情况，不断深入和完善。