統考下的“計算機組成原理”教學方法探討

摘要:“計算機組成原理”課程是計算機專業本科階段一門極其重要的課程，歷來是計算機專業教學中的重點，同時也是考研統考中所占比例很大的一門課程。文章分析“計算機組成原理”課程的考研大綱及其考點分布，探討“計算機組成原理”教學與學生能力培養之間的關系，提出一種研究性的教學方法。根據筆者的長期從事計算機硬件教學的經驗，針對統考下的計算機組成原理教學方法進行了一些有益的探討。實踐證明，這樣的方法也的確收到了良好的效果。

關鍵詞:考研;計算機組成原理;課程改革;教學方法

2009年以前計算機考試是各個學校自己命題，根據各個學校對考生的要求和學校老師的研究方向確定不同的考試科目。一般從數據結構、組成原理、操作系統、計算機網絡這四門課中挑選兩到三門來考。不同學校的試題難度相對不同學校的學生存在有非客觀的因素。為使學生在計算機專業課考試中有一個客觀的評價，教育部針對這個問題提出了統考科目。眾所周知，計算機學科整個課程體系粗略可以分為軟件理論和硬件理論兩部分。“數據結構”是軟件課程的基礎，“計算機組成原理”是硬件課程的基石。在這兩門課程的基礎上，操作系統講述的是如何使計算機展現給用戶強大而易用的功能。隨著網絡應用的興起，計算機網絡運行基本原理也顯得越發重要起來。因此，將這四門課被選定為計算機專業研究生入學考試考查的課程還是比較科學的。計算機專業考研統考給我們的計算機教學提出了新的要求。

1 “計算機組成原理”考研大綱解析

1.1大綱考查目標

首先我們要知道考研大綱的考查目標，大綱中明確指出了課程的考查目標為:

(1) 理解單處理器計算機系統中各部件的內部工作原理、組成結構以及相互連接方式，具有完整的計算機系統的整機概念。

(2) 理解計算機系統層次化結構概念，熟悉硬件與軟件之間的界面，掌握指令集體系結構的基本知識和基本實現方法。

(3) 能夠運用計算機組成的基本原理和基本方法，對有關計算機硬件系統中的理論和實際問題進行計算、分析，并能對一些基本部件進行簡單設計。

1.2大綱解析

從大綱的考查目標以及近兩年的真題中可以看出“計算機組成原理”課程的教學內容不僅要傳授有關硬件設計的課本知識，更要重視理論知識與實踐過程的結合，將知識綜合靈活運用，重視學生綜合能力和創新能力的訓練和培養。本課程應該著重培養學生關于計算機硬件系統方面的3種能力:即計算機硬件系統的認知能力、設計能力與創新能力。課程主要通過對計算機各功能部件的組成及運行原理的分析、講解和配套實驗，培養學生對計算機硬件的系統級認知能力。通過對數據的機器表示、運算方法及運算部件的組成等知識點的講解和實驗，使學生掌握計算機的運算特征;通過指令系統的相關知識，使學生掌握計算機系統匯編級的結構特征和基本操作描述方法;通過存儲系統的詳細講解和實驗，使學生能從容量、速度和成本的角度理解多層次存儲系統的組織結構和工作原理;通過CPU及控制單元的功能和結構的詳細分析，結合指令執行控制的深入講解和實驗，使學生理解計算機系統指令執行的實質和控制單元的基本實現方法;通過總線、輸入輸出接口及外部設備等知識的講解，使學生了解計算機系統內部、計算機系統與外部的交互方式。

2教學方法探討

2.1教學內容設計

通過對大綱及其所涉及的知識點的分析來看，“計算機組成原理”考研大綱首先要求學生了解各部件的內部工作原理、組成結構以及相互連接方式，具有完整的計算機系統的整機概念。也就是要求學生既能夠從全局或宏觀的角度掌握計算機硬件系統的整體結構和工作原理，又能從局部或微觀的角度理解計算機各個部件的工作過程和交互方式。任課教師不但要使學生清晰地了解所學內容在課程知識結構中的位置以及和其他部分之間的關系，還要使學生對所學內容具有清晰的脈絡和思路，這對學生全面地掌握本課程的知識具有十分重要的作用。因此，有必要研究并實踐一種有效的教學模式，使學生從微觀層面掌握課程知識單元、從宏觀層面建立該課程知識體系，進而培養學生關于計算機硬件系統的認知能力、設計能力和創新能力[1]。

在實踐中，我們從知識與能力兩個層次，課堂與實驗兩個環節對“計算機組成原理”課程與實驗體系進行了詳細設計，采用自頂向下的教學思路，建立了一種從整體功能推進到局部組成、從微觀實現抽象到宏觀結構的層次化課程內容設計模式。通過提出問題、分析問題、分析功能需求、探討解決思路、總結功能特征、介紹設計與實現細節的教學內容展開模式，分別對存儲系統、計算單元、控制單元和輸入輸出系統的教學內容進行設計，貫徹局部組成體現整體功能、微觀實現體現宏觀結構的教學內容設計思路，同時突出“功能分析”和“結構設計”兩條主線。

2.2教學方法

在實際教學過程中，有些學生，甚至老師認為各硬件課程之間的銜接并不緊密，互不相干。有的教師講到的知識點如果用到了前導課程的知識，很多老師在這里就只是一筆帶過，沒有將前導課的知識點和本課程銜接和過渡起來，而知識之間的貫穿、聯系去靠學生自己去領悟，這樣的教學效果可想而知。因為課程與課程之間的聯系內容對同學們對舊知識的加深和對新知識的理解起著非常重要的作用，教師明確將這種銜接和過渡告訴學生，學生才能在大腦里形成一個嚴密完整、一環扣一環的硬件體系[2]。

在培養學生對計算機硬件的系統級認知能力的基礎上，我們通過對運算部件、存儲系統、指令系統、控制單元、整機硬件系統的設計方法等知識的講解，結合相應設計實驗，培養學生對計算機硬件系統的理解和設計能力。在設計能力培養的具體方式上，可通過課堂講授、課后練習、配套實驗等形式分層次實現。如課堂講授可重點介紹系統和部件的設計方法和設計過程等內容;課后練習可進行框架性設計;配套實驗可圍繞規范、典型的模型系統，從功能部件的實現開始，直至最終設計出一臺具備基本運算能力和存儲能力、支持有限指令集的計算機設備。從而達到驗證功能部件和系統的功能，掌握必要的硬件描述語言、設計工具及仿真環境，體驗計算機硬件系統的設計過程，掌握相關硬件設計技術與方法等目的。

課堂教學和實驗應著力培養學生的創新意識和創新能力，在培養學生認知和設計能力的基礎上，通過對計算機硬件系統不同階段面臨的問題及其技術發展的分析和探討，體會在特定的技術條件下的創新思維;針對計算機硬件系統面臨的新問題和新需求，結合新技術向學生介紹該領域的技術發展趨勢，引領學生突破思維定勢，以此培養學生的創新意識。通過集成計算機組成原理、操作系統、編譯技術等課程知識內容的綜合課程設計，培養學生的基本創新能力。

3教學方法實踐

在教學中筆者還有意識地運用以下一些方法。

3.1多媒體教學

“計算機組成原理”傳統的教學方法是采用粉筆加黑板的教學方式，教學手段單一。很多工作過程都發生在芯片內部，看不見也摸不著，內容很抽象，而且電路圖、時序圖也非常多。如果總是空講或是單憑老師在黑板上畫是遠遠不能滿足授課需要的。要解決這個問題，就得充分利用現代的多媒體手段，上課的時候通過多媒體課件，使同學們有一個直觀的、感性的認識，同時擴大學生的知識面。比如:要講解CPU執行指令的時候，最好制作一個能反映 CPU每一步工作流程的動畫，動畫生動地反映了計算機指令被執行的詳細過程，指令如何流動，數據如何獲取，結果如何存放。這樣就能使同學們直觀地獲得感性認識，同時也加深了大家對理論知識的理解和記憶。

3.2啟發式教學

啟發式教學是指教師有意識地提出一些現象或問題去引導學生思考。例如，講解加法器的時候引導學生思考:ALU內部有加法器，那么有減法器嗎?教師進一步引導:補碼出現的意義是什么，補碼如何實現減變加?經過啟發引導，學生把前后兩個看似孤立的知識點有機聯系在一起，構成完整的知識體系。

3.3類比教學

類比教學是在授課過程中將一些概念、策略和思想等與現實生活中的生動事例進行關聯、類比。使學生更容易理解和牢固掌握教學內容、抓住關鍵思想。例如:為了便于理解指令尋址方式，用生活事例類比:你想找張三，如果張三與你在同一辦公室，在辦公室可直接找到他，這相當于立即數尋址;如果張三與你不在同一單位，但你知道他的家庭地址。根據地址到張三家可以找到他，這是直接尋址:如果你不知道張三的地址，但是你知道李四的地址，而李四知道張三的地址，可以通過李四找到張三，這就是間接尋址。再如，把存儲層次中的映像規則與閱覽室的位置分配進行類比;把局部性原理與衣柜里存放什么衣服以及電腦的桌面放什么圖標相關聯;把流水線技術與工業流水線進行類比等[3]。

還有在講述計算饑存儲系統時，學生對Cache在計算機系統中的作用不能準確把握，此時可以列舉:假沒學生要找一個同學的電話號碼，一個途徑是從整個城市的電活號碼薄中去查，另一個途徑是在自己隨身攜帶的手機通訊錄中去查，顯然在手機通訊錄中去查會快得多。這例子形象地說明了在Cache中獲取數據會比在主存中獲取數據更快，另外也說明了Cache的另一個特點:雖然存儲容量有限，但所存儲的信息是較常用的。又例如教學總線寬度的慨念，可借助于城市道路寬度來類比說明。

3.4根據教材內容補充最新的實用知識

計算機技術的迅速發展和教材的出版周期的不協調，使得教材中部分知識顯得較老或過時，這也是造成學生學習興趣不高的原因之一。因此，教學過程的每一環節，都盡量補充一些當前最新技術的發展情況和新型元器件的介紹。讓學生不但能在該課程中學習到理論知識，還能開闊眼界并學習到實用的知識，從而有效提高學習積極性[4]。如:在講述內存的存儲單元工作原理和讀寫工作周期時，也可以補充一些與當前流行的計算機內存的相關知識，如SDRAM、DDR、DDRII等，以及內存工作參數如PC150、DDR266、DDRII800等。又如:講存儲器時，也可以補充ROM、PROM、EPROM、EEPROM，使學生在比較中了解這幾種存儲器的區別和發展歷史。在輸入輸出系統教學中，需要指出哪些技術和設備已經過時，讓學生清楚了解輸入輸出系統的發展過程。同時補充一些當前最新的輸入輸出設備的發展、技術和性能，如 U盤和串行硬盤存儲系統、液晶顯示系統等。由于這些最新的技術和產品是學生經常接觸到的，相關知識容易吸引他們的興趣，讓學生清楚地理解教材內容究竟有哪些實際應用，可以讓學生在學習理論知識的同時也學到一些與實踐和應用相關的知識。這樣，使學生對知識的記憶不再孤立，而能進行關聯記憶，產生較好的教學效果。

4結語

總體來說“計算機組織原理”課程的難度還是較高，在計算機專業課里占到45分。在學習的時候要特別注意以下幾點，第一要正確理解大綱的基本概念，掌握概念的一些要點;第二把概念和原理聯系起來，不要孤立學習某一部分，要關聯起來，因為計算機各個部件之間本來就是一個相互聯系的整體;第三要把握重點、難點，主次分清。

以上是筆者在多年“計算機組成原理”教學改革摸索過程中的一些心得體會，歸納起來就是:通過合理組織硬件課程的知識內容，使它們詳略得當，突出重點;充分結合實際，引入當前的許多實例來豐富學習的內容，提高同學們的學習興趣;采用新的教學方法，使用多種教學工具充分調動同學們學習的積極性和主動性，提高學生對計算機組成的實際分析、設計和動手操作能力。通過以上這幾個方面來提高課程的教學水平和教學質量，促進課程的建設與發展。在教授知識的同時，作為教師也應該不斷學習提高，加強學科科研，立足教學，只有這樣教師才能把“計算機組成原理”課程講好，學生才能更加深入地理解和掌握課程內容，對考研大綱所要求的各個知識點才能更加融會貫通，當然也能夠取得較為理想的考試成績。

參考文獻:

[1] 劉旭東，熊桂喜. “計算機組成原理”的課程改革與實踐[J]. 計算機教育，2009(7):74-76.

[2] 楊振華.“計算機組成原理”課程改革探索[J]. 中國電力教育，2008(23):119-120.

[3] 王志曉，夏戰國，王凱.《計算機組織與體系結構》教學改革與探索[J].福建電腦，2009(2):213-214 .

[4] 王勇，黃賢英.“計算機組成原理”的教學方法[J]. 重慶工學院學報:自然科學，2008，22(3):167-170.

Discussion of Teaching Method to the Principles of Computer Organization

under the Environment of National Unified Exams

WANG Ding-lei

(Anyang Normal University， Anyang 455002， China)

Abstract: The Principles of Computer Organization is a very important course during the stage of undergraduate to the major of computer science. It is always the focus of computer science teaching， and occupy a high proportion in the postgraduate entrance exams. The outline and exam focus on the course has been analyzed.， and the relationship between teaching and training on student ability has been discussed. A kind of researched teaching methods has been explored and practiced. Some teaching methods has been discussed for the course under the environment of national unified exams according to the author’s long-term experience of computer hardware teaching. These methods have been proved effectively in the practice.

Key words: postgraduate entrance exams; the Principles of Computer Organization; reform of course; teaching method

(編輯:彭遠紅)