《計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)》教學(xué)初探

摘要：《計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)》是計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它涵蓋了計(jì)算機(jī)內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)、基本工作原理以及軟硬件的劃分和界面。本文分析了江南大學(xué)《計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)中存在的一些困難，并初步探討了可能的應(yīng)對(duì)方案。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ) 多種方式相結(jié)合

引言

目前，隨著網(wǎng)絡(luò)化和信息化的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的軟件領(lǐng)域課程，尤其是網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用類課程，越來(lái)越得到各高校的重視，國(guó)內(nèi)很多高校的計(jì)算機(jī)專業(yè)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤败浖こ獭焙汀坝?jì)算機(jī)科學(xué)”方向，過分強(qiáng)調(diào)軟件與應(yīng)用，而缺乏計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)等硬件方向的培養(yǎng)。但是，從就業(yè)市場(chǎng)反饋的信息看，計(jì)算機(jī)軟件人才已經(jīng)供大于求，而熟悉硬件設(shè)計(jì)的人才則供不應(yīng)求，年薪也高于同等的軟件人才。據(jù)資料顯示，2002年北京人才市場(chǎng)上硬件人才以較大差額供不應(yīng)求，年薪高居行業(yè)第二，而軟件人才則以3倍數(shù)量供大于求。不熟悉計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)、不了解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的軟件人才，也猶如建立在空中的樓閣，沒有基礎(chǔ)，從小而言無(wú)法滿足人才市場(chǎng)的需求，從大而言無(wú)法擔(dān)負(fù)我國(guó)科教興國(guó)、在國(guó)際信息化競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地的重任。

一、計(jì)算機(jī)硬件課程設(shè)置現(xiàn)狀

當(dāng)前國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)科硬件主干課程設(shè)置有兩種模式：一種是數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)（技術(shù)基礎(chǔ)課）→計(jì)算機(jī)組成原理（專業(yè)基礎(chǔ)課）→計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（專業(yè)課），大多數(shù)重點(diǎn)院校采用這種模式。

《計(jì)算機(jī)組成原理》是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生必修的重要核心硬件課程之一，通過學(xué)習(xí)本課程，要求能夠掌握計(jì)算機(jī)的一般組成原理與內(nèi)部運(yùn)行機(jī)理，為學(xué)習(xí)本專業(yè)后繼課程和進(jìn)行與硬件有關(guān)的技術(shù)工作打好基礎(chǔ)。其后續(xù)課程有操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。

《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》是以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外部特性為主來(lái)研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的一門學(xué)科，是計(jì)算機(jī)及相關(guān)學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課程。作為計(jì)算機(jī)學(xué)科的一個(gè)分支，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)主要研究軟件、硬件的功能分配和對(duì)軟件、硬件界面的確定，即確定哪些功能由軟件實(shí)現(xiàn)，哪些功能由硬件實(shí)現(xiàn)。本課程的學(xué)習(xí)目的是建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計(jì)方法，掌握新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理。

另一種設(shè)置模式是數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)（技術(shù)基礎(chǔ)課）→計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)（專業(yè)基礎(chǔ)課），江南大學(xué)及國(guó)內(nèi)許多本科高等學(xué)校采用了這種課程設(shè)置模式。

《計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)》課程綜合了《計(jì)算機(jī)組成原理》和《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》兩門課程的要求。要求學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)部件的組成原理，最終達(dá)到從系統(tǒng)、整機(jī)的角度理解計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成，是“計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課、計(jì)算機(jī)硬件與結(jié)構(gòu)方向非常重要的一門課程。這門課程的建設(shè)與教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系到人才培養(yǎng)中計(jì)算機(jī)硬件與結(jié)構(gòu)方向教育的成敗。

目前，江南大學(xué)《計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)中存在如下一些具體困難：1）學(xué)時(shí)短，教學(xué)任務(wù)重。在大多數(shù)院校中兩門主干課的內(nèi)容被壓縮到一門課程（80學(xué)時(shí)，其中包括16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）中完成，在如此短的時(shí)間中很難針對(duì)技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)講解，學(xué)生普遍反映課程內(nèi)容比較抽象，難以理解。2）課堂表現(xiàn)形式單一，沒有充分利用板書+多媒體+實(shí)物演示相結(jié)合的方式體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容。3）教材內(nèi)容無(wú)法全面反映該學(xué)科最新發(fā)展動(dòng)態(tài)。4）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和安排還不夠完善，沒有充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自身的能動(dòng)性去設(shè)計(jì)和完成實(shí)驗(yàn)。大多數(shù)學(xué)生完全按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書步驟完成實(shí)驗(yàn)，并沒有真正理解實(shí)驗(yàn)的目的和意圖。

為此，本文建議從以下兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)和完善：1）嘗試?yán)冒鍟⒅v解、多媒體課件、實(shí)物/模型展示相結(jié)合的多種方式和手段進(jìn)行教學(xué)，以降低本課程的抽象程度，方便學(xué)生的理解和認(rèn)識(shí)；2）適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，并以驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)、模仿式實(shí)驗(yàn)、探索式實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自身的能動(dòng)性，真正通過實(shí)驗(yàn)理解計(jì)算機(jī)的工作原理和機(jī)制。

二、多樣化的課堂教學(xué)方式

由于《計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)》主要講述計(jì)算機(jī)內(nèi)部基本部件邏輯結(jié)構(gòu)、各部件協(xié)調(diào)工作機(jī)制。具有涉及知識(shí)面廣、難度大、內(nèi)容多、頭緒多等難點(diǎn)；又由于專注于芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，學(xué)生平時(shí)接觸不到對(duì)應(yīng)的實(shí)物，普遍反映這門課程難點(diǎn)多、內(nèi)容抽象。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師通常用粉筆+黑板+書本的教學(xué)方式，這種教學(xué)方法非常不適應(yīng)本課程的教學(xué)。首先，教師大量課堂時(shí)間用于板書、作圖等低效率的重復(fù)體力勞動(dòng)，留給課堂講解的時(shí)間就會(huì)縮短；其次，這種靜態(tài)作圖顏色單調(diào)、誤差大，不能激發(fā)學(xué)生的想象力，學(xué)生仍缺乏感性的認(rèn)識(shí)；另外，一些最新的進(jìn)展難以及時(shí)地傳遞給學(xué)生，無(wú)法激起學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)激情。因此，有必要采用板書、講解、多媒體課件、實(shí)物/模型展示相結(jié)合的多種方式和手段進(jìn)行教學(xué)。

（一）多媒體技術(shù)的應(yīng)用。隨著多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用，它成為了現(xiàn)代教學(xué)過程的重要輔助手段。多媒體通過提供良好的視覺、聽覺效果、生動(dòng)形象的演示，使傳統(tǒng)上枯燥無(wú)味的課堂變得興趣盎然，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。多媒體手段還免除了教師大量低效重復(fù)的體力勞動(dòng)，可以節(jié)省出更多的課堂時(shí)間用來(lái)介紹新的內(nèi)容，展示本學(xué)科最新的發(fā)展成果，密切跟蹤新技術(shù)的發(fā)展步伐，比如講到某個(gè)最新發(fā)展成果，則適時(shí)地把它的最新照片和內(nèi)部圖解展示出來(lái)，則現(xiàn)場(chǎng)效果會(huì)好得多。多媒體手段可以運(yùn)用精確、逼真、動(dòng)態(tài)的圖像、視頻、聲音等多種媒體全方位調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。

（二）開發(fā)優(yōu)質(zhì)資源。建立立體化教學(xué)設(shè)計(jì)教材系列，開發(fā)專題網(wǎng)站，提供各種教學(xué)設(shè)計(jì)方法的具體應(yīng)用實(shí)例，最大限度滿足教與學(xué)的需要。

（三）在計(jì)算機(jī)組成和體系的教學(xué)過程中，還可以考慮課堂講解結(jié)合實(shí)物/模型的演示來(lái)促進(jìn)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，許多計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生理論知識(shí)比較豐富，但對(duì)于如何組裝電腦，如何識(shí)別和拆裝機(jī)器的零部件等動(dòng)手能力則非常缺乏。因此在課堂上可以通過實(shí)際打開PC，展示其主板、CPU、內(nèi)存條等部件使學(xué)生獲得比較直觀的認(rèn)識(shí)，從而將課堂內(nèi)容和實(shí)際生活中接觸到的計(jì)算機(jī)聯(lián)系起來(lái)。對(duì)于一些無(wú)法進(jìn)行實(shí)物展示的，如CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)、Cache、寄存器等，可以通過制作一些模型進(jìn)行演示。

當(dāng)然，多媒體手段的使用及實(shí)物/模型的展示都不能完全取代傳統(tǒng)教學(xué)。因?yàn)樗鼈兌贾皇且环N用來(lái)表達(dá)和描述既有知識(shí)的工具，本身并不具有創(chuàng)造新知識(shí)的能力。而教學(xué)活動(dòng)是教師和學(xué)生雙方創(chuàng)造性的活動(dòng)，教學(xué)雙方都不能完全依賴某一種教學(xué)方法而忽略另一種方法，更不能忽視學(xué)生抽象理解能力、形象思維能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)。

三、多層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置

計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要做到對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上要精心安排，在進(jìn)度上要有三個(gè)階段，應(yīng)該做到先基礎(chǔ)、簡(jiǎn)單、局部的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)要求深入，然后擴(kuò)展，復(fù)雜和整體的實(shí)驗(yàn)要求協(xié)調(diào)，要求連貫，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)度不同階段應(yīng)使用不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容要重點(diǎn)突出。由于我國(guó)教育體制的局限性，很多學(xué)生在高中以前幾乎很少或者沒有做過任何實(shí)驗(yàn)、受過這方面的訓(xùn)練，這就更應(yīng)該遵循這個(gè)規(guī)律。

1. 驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)方法。對(duì)于初上實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生，為求熟練掌握實(shí)驗(yàn)步驟和方法，一般采用驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)方法，所謂驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)方法是教師寫出實(shí)驗(yàn)步驟、方法、目的，畫出線路圖標(biāo)出之間連線或者寫出匯編程序，并指明實(shí)驗(yàn)結(jié)果，例如：將一塊27C64EPROM芯片從0地址開始寫上內(nèi)容，學(xué)生可根據(jù)電路圖構(gòu)成電路，讀出該地址內(nèi)容單元和教師寫上內(nèi)容比較，判斷對(duì)錯(cuò)；將74LS181的輸入/輸出分別接到對(duì)應(yīng)的外部引腳，根據(jù)手動(dòng)改變輸入，觀察輸出結(jié)果的變化，再和課本上給出的真值表進(jìn)行對(duì)比。通過這部分實(shí)驗(yàn)，學(xué)生基本熟悉了單元電路的構(gòu)造和調(diào)試手段及方法，能夠發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤及時(shí)排除。

2. 模仿式實(shí)驗(yàn)方法。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的中間階段學(xué)生可按具體有參考性質(zhì)的一些電路、程序、元器件庫(kù)，改造或模仿設(shè)計(jì)出有關(guān)實(shí)驗(yàn)電路和程序，以達(dá)到課程要求的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)結(jié)果，并觀察、分析、研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果和過程。這種方法要求學(xué)生部分掌握電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容及方法，提高分析和解決問題的能力。例如：可以將幾塊與非門或其它的集成電路芯片構(gòu)成一種電路；或根據(jù)多個(gè)單片運(yùn)算器、多個(gè)單片存儲(chǔ)器構(gòu)造一個(gè)指定位數(shù)的運(yùn)算器，或指定位數(shù)和字?jǐn)?shù)的存儲(chǔ)器。這種方法只提出目的，其他的交給學(xué)生去設(shè)計(jì)。

3. 探索式實(shí)驗(yàn)方法。在實(shí)驗(yàn)的后期，按照教材的內(nèi)容，要求自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，構(gòu)造調(diào)試實(shí)驗(yàn)電路和實(shí)驗(yàn)程序從而獲得某種所要求實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)結(jié)果。這種方法要求學(xué)生具有較高的分析問題和解決問題的能力，而且具有較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)軟、硬件知識(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體認(rèn)識(shí)水平。這種方法只能在最后階段。通過這幾階段的訓(xùn)練，鍛煉和提高學(xué)生的動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)、分析問題的能力。

4. 開放式計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在這一階段，完全解除教材和課堂知識(shí)的約束，學(xué)生可自行設(shè)計(jì)出電路、程序、選題、選元器件、計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言。同時(shí)實(shí)驗(yàn)室將所有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)全面對(duì)學(xué)生進(jìn)行開放，這樣培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，從而充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和積極性。這時(shí)，教師只對(duì)學(xué)生所的題目進(jìn)行審查、論證可行性，檢查最后的結(jié)果。

結(jié)語(yǔ)

本文首先分析了江南大學(xué)計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程的設(shè)置及教學(xué)過程中存在的具體困難，并從幾個(gè)方面提出了應(yīng)對(duì)方案。計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)改革是一個(gè)系統(tǒng)工程，只有在教學(xué)學(xué)時(shí)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式和方法、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施等多方面協(xié)調(diào)一致，整體推動(dòng)，才能取得預(yù)期的結(jié)果。

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