對《計算機組成原理》課程教學模式的探討

摘要：針對《計算機組成原理》課程的特點，結(jié)合作者講授本課程的經(jīng)驗，從教學內(nèi)容的組織、教學手段的采用、教學方法的改革和學生實際動手能力的培養(yǎng)等角度出發(fā)，對《計算機組成原理》課程的教學模式進行了探討。特別是把軟件設計的思想應用到課程教學中，是一個大膽的嘗試和創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：教學改革；實踐；計算組成原理；仿真器

中圖分類號：G624.0文獻標識碼：B文章編號：1009-3044(2008)30-0693-02

Exploration on the Teaching model of the Course of Computer Organization Principles

ZHAO Qiu-yun，HE Jia，WEI Le

(Computer Science Department，Chengdu University of Information Technology， Chengdu 610225，China)

Abstract: Based on the character of Compiler Organization Principles and several teaching years’ experience， this paper discusses teaching model of the subject from the following aspects that how to organize the contents， which means to take， the reform of teaching methods and to enhance students’ ability of practice. Especially， it’s the positive attempt that the thought of software designation is introduced into the teaching work.

Key words: teaching reform; pratice; computer organization principles; simulator

1 引言

《計算機組成原理》課程是計算機科學與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)基礎核心必修課程，其任務是使學生掌握計算機各組成部件的工作原理、邏輯實現(xiàn)、設計方法以及將它們連接成整機的方法，為培養(yǎng)學生對計算機硬件系統(tǒng)的分析、開發(fā)、使用與設計能力打下基礎。縱觀整個計算機知識的體系結(jié)構(gòu)，掌握計算機硬件知識，是一個高水平計算機工程技術(shù)人員成長必須具備的一個基礎。高等教育開設《計算機組成原理》課程的目的也就是基于此考慮。

但是我國高校（尤其是普通高校）的教學過程中存在教學內(nèi)容陳舊、重理論輕實踐、重分析輕綜合三個方面的問題，往往沒有達到課程設置的目的。因此，如何改革《計算機組成原理》課程教學模式，以提高其教學效果和教學質(zhì)量， 使它跟上計算機技術(shù)的發(fā)展， 是我們當前亟待解決的問題。為了使學生系統(tǒng)而全面地掌握計算機工作原理， 培養(yǎng)學生扎實的理論基礎和良好的實際應用能力， 我們在多年的教學實踐基礎上對這門課程的教學模式進行了一些探索， 已初見成效。

2 合理組織教學內(nèi)容，注重教學方法改革

2.1 針對學生實際，合理安排教學內(nèi)容

各個學校的定位不同，學生基礎有別，因此必須根據(jù)課程設置和學生實際情況，制定合適的教學大綱，合理安排教學內(nèi)容。針對我校實際情況，在選擇羅克露編寫的《計算機組成原理》教材[1]基礎上，我們在安排教學內(nèi)容時遵循三個基本原則：1) 重點在計算機組成中具有共性的問題，注意把教學重點放在基本概念、基本原理和具體的實現(xiàn)方法上，但是要適當?shù)亟榻B一些體現(xiàn)當代計算機發(fā)展特征的新知識和新技術(shù)，以跟上技術(shù)的變化； 2)從單機系統(tǒng)的幾大組成部件的組成原理以及內(nèi)部工作機制講起，最終要幫助學生建立整機概念；3)考慮先設和后置課程的內(nèi)容，不做重復無用功。

基于上述三點我們在安排內(nèi)容時把重點放在信息表示、指令設計的思想、時序控制方式、存儲器設計、主機與外設的連接控制方式、CPU設計、磁記錄方式、打印機和顯示器工作原理上面，而對《計算機導論》涉及的馮氏計算機結(jié)構(gòu)概述、《匯編語言》涉及的尋址方式、《接口技術(shù)》涉及的總線和接口、《操作系統(tǒng)》涉及的虛擬存儲器、《計算機體系結(jié)構(gòu)》涉及的流水線、《計算機網(wǎng)絡》涉及的數(shù)據(jù)校驗、《存儲技術(shù)》涉及的磁盤陣列等內(nèi)容，只是簡要概述，不做詳細講解。經(jīng)過內(nèi)容的調(diào)整，我們可以把重點關(guān)注于組成原理本身的知識點上，從而在有限的學時中，使學生掌握理解了更多的知識。

2.2 采用啟發(fā)式教學

啟發(fā)式教學法是教師啟發(fā)學生積極思維，使他們主動掌握知識的一種教學方法。它主要以提高學生的積極性、主動性、創(chuàng)造性為目的，通過老師的課堂提問和引導讓學生加深對教學內(nèi)容的理解，并提高他們分析問題和解決問題的能力[2]。在《計算機組成原理》課程教學過程中，為了達到較好的教學效果，教師一方面要深刻理解課程的基本理論，了解計算機科學的最新發(fā)展和應用情況；同時，教師應該注重知識的邏輯組織形式，采用多種多樣的形式將枯燥的理論知識與靈活的實際應用相結(jié)合，使教師和學生之間形成流暢的信息流動，從而最大限度地調(diào)動學生的主動性，營造出積極、和諧的課堂教學氣氛。

例如，在講解存儲器設計時可以這樣對學生來進行啟發(fā)：1)計算機中的內(nèi)存容量很大，而單個存儲芯片容量又較小，能否用存儲芯片構(gòu)成存儲器？ 2) 若能，需要解決哪些問題？3)要解決存儲地址線、數(shù)據(jù)線、片選信號等問題，又該如何解決？4)解決上述問題，存儲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何表示？5）CPU是如何使用組合后的存儲器？使用的實質(zhì)是什么？對上述問題的解答教師要引導學生進行積極思考，使其參與其中，進而實現(xiàn)觀點的撞擊。

2.3 合理采用教學手段

教學手段的應用不在于新，而在于其效果。因為《計算機組成原理》課程固有的特點，我們采用的教學手段為：對需要推導的知識如數(shù)的表示范圍、補碼原碼轉(zhuǎn)換關(guān)系的推導等還是采用傳統(tǒng)的黑板；對需要展現(xiàn)工作過程的知識如CPU內(nèi)部信息傳送、微程序工作原理、堆棧等則采用多媒體教學，把它們以動畫的形式反映出來，提高學生學習興趣；充分利用輔助教學平臺、電子郵箱，實現(xiàn)師生課外交互。

3 重視實踐教學，加強動手能力的培養(yǎng)

《計算機組成原理》是一門理論性比較強的課程，但其實踐性亦不容忽視。教師和學生都應該樹立這種觀點：不掌握理論就不會理解實際的計算機設計；看不到理論在實際中的應用就不會真正理解理論。因此對《計算機組成原理》的實踐教學我們注重做到：1)選擇合適的實驗儀器，即軟件、硬件等基本配置應該比較完整，能夠覆蓋課程的主要教學內(nèi)容，可以支持數(shù)量較多且水平較高的教學實驗項目；2)設計合理的實驗項目，所開設的實驗項目要具有一定的靈活性，學生可以在簡單模型機設計的基礎上，根據(jù)自己的要求重新設計。例如，我們可以設計一定數(shù)量的實驗項目、驗證性實驗，加深學生對各計算機大部件的組成和工作原理的進一步了解；可以設計一定數(shù)量的可重設型項目，訓練學生對單獨部件的獨自設計能力；3)延長實驗室開放時間，由于有些實驗在課內(nèi)做不完，實驗室在課余時間對學生開放，沒有完成任務的學生可以繼續(xù)進行，有對實驗感興趣的學生也可以進行開發(fā)研究。通過實驗教學的開展與實驗室的開放，學生們增強了對硬件學習的信心及興趣，更進一步掌握了所學的理論知識，也鍛煉了他們獨立分析問題和解決問題的能力。

4 合理應用軟件思想，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維

《計算機組成原理》在計算機專業(yè)的課程中，處于承上啟下的作用，但學生最終卻沒有形成這樣的認識，在后續(xù)課程的學習中不能與之建立聯(lián)系，造成知其然，不知其所以然的狀況，由此，我們需要加強這方面的引導。這一點可以通過利用軟件模擬的方法構(gòu)造自己的計算機來解決。引導學生把學習的硬件理論通過軟件來進行模擬，一方面可以克服實驗箱比較簡單，與實際的計算機復雜程度差別較大，不能完全重現(xiàn)計算機的工作過程的不足；另一方面可以鍛煉學生綜合應用所學知識的能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維。對于構(gòu)造的個人簡單計算機軟件作為一個課外作業(yè)，要求每個學生必須完成。個人簡單計算機的要解決的問題[3，4]：合理設計簡單計算機的語言、機器指令的設計與表示、寄存器和內(nèi)存單元的仿真、指令執(zhí)行過程的模擬、錯誤的檢查和處理、微指令和微程序的設計與模擬(可選)。我們已經(jīng)實現(xiàn)了該軟件，限于篇幅，對具體實現(xiàn)不再贅述，給出程序一個運行界面如圖1所示。

5 結(jié)束語

本文從提高教學質(zhì)量、培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的角度出發(fā)，就教學內(nèi)容組織、教學方法和手段、實踐教學環(huán)節(jié)和軟件思想在課程中的應用幾個方面對《計算機組成原理》課程的教學模式進行了探討。對文中探討的模式，在實際教學中進行了驗證，取得了較好的效果。當然在教學中還有一些其它的方面，比如如何引發(fā)學生學習興趣、課堂組織形式等本文沒有進行探討，這將在今后教學中予以補充和總結(jié)。

參考文獻：

[1] 羅克露，單立平，劉輝等.計算機組成原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2] 裴春琴.淺析《計算機組成原理》課程教學改革[J]. 忻州師范學院學報.2006，22(3):55-57.

[3] 魏樂，趙秋云，黃健.基于軟件模擬技術(shù)的簡單計算機的設計與實現(xiàn)[J].四川師范大學學報(自然科學版).2006，29(11):267-269.

[4] 魏樂，黃健，葉劍新.基于軟件模擬技術(shù)的微程序控制器的設計與實現(xiàn)[J].西南民族大學學報（自然科學版）.2007，33(4):964-967.

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