對高職《計算機(jī)組成原理》教學(xué)改革的探討

□吳新華 羅曉娟

對高職《計算機(jī)組成原理》教學(xué)改革的探討

□吳新華 羅曉娟

分析了《計算機(jī)組成原理》在高職高專教學(xué)中存在的若干問題，圍繞如何調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、完善教學(xué)手段、改革教學(xué)方法以及實踐教學(xué)環(huán)節(jié)等問題進(jìn)行了探討，提出了提高教學(xué)質(zhì)量的方法。

計算機(jī)組成原理；教學(xué)方法；實踐教學(xué)

《計算機(jī)組成原理》是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課。它主要講述基于馮、諾伊曼計算機(jī)基本部件的構(gòu)造和組織方式、基本運算的原理以及部件和單元的設(shè)計思想等[1]。其前導(dǎo)課程是“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字邏輯”，后續(xù)課程是“微型計算機(jī)接口”、“單片機(jī)原理”等等，《計算機(jī)組成原理》在其中起著承上啟下的關(guān)鍵作用。前導(dǎo)課程的學(xué)習(xí)使同學(xué)們了解了計算機(jī)硬件最底層的物理原理、基本的電子元件和數(shù)字電路，而《計算機(jī)組成原理》則是第一次全面系統(tǒng)地把計算機(jī)的整機(jī)工作原理引入進(jìn)來，可以提高學(xué)生對硬件系統(tǒng)的分析、設(shè)計、開發(fā)的能力，也為后續(xù)的硬件課程打下基礎(chǔ)[2]。

一、教學(xué)中存在的問題

《計算機(jī)組成原理》在我校這樣的高職高專院校的實際教學(xué)過程中存在著不少問題，教學(xué)效果不是很理想。學(xué)生普遍反映這門課程難懂、內(nèi)容抽象，從而在學(xué)習(xí)中產(chǎn)生畏難和厭煩情緒。通過調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)主要原因有：

（一）硬件課程基礎(chǔ)較差

高職高專院校層次的學(xué)生高中數(shù)學(xué)、物理的基礎(chǔ)極差，對“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”這兩門先行專業(yè)基礎(chǔ)課難以理解透徹，而這兩門課正是“計算機(jī)組成原理”的基礎(chǔ)課程，所以教學(xué)過程中很多的概念和圖形，學(xué)生感到難以理解，不知所云。這在一定程度上打擊了學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的積極性。而且，因為高職高專層次學(xué)生素質(zhì)普遍不是很高，遺忘速度較快，也不太可能指望他們通過預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)自我提高。

（二）教學(xué)方式比較單一

盡答現(xiàn)在很多高校已經(jīng)采用現(xiàn)代化的教學(xué)手段，但是仍然避免不了“滿堂灌”的被動局面，老師和學(xué)生不能很好的互動起來。在教學(xué)組織中，計算機(jī)硬件許多新的內(nèi)容和技術(shù)沒能補(bǔ)充進(jìn)來。在教學(xué)課時安排上，應(yīng)注重與已修相關(guān)課程的內(nèi)容銜接，刪減不必要的重復(fù)內(nèi)容，留出適當(dāng)?shù)恼n時增加新的教學(xué)或討論內(nèi)容，充分讓學(xué)生參與課程，讓他們在熱烈、輕松的課堂氣氛中獲得知識。在考核方式上，仍然采用傳統(tǒng)的閉卷考試為主，實驗課環(huán)節(jié)只是占很小的比例，不能提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。

（三）實踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱

《計算機(jī)組成原理》更多涉及到芯片的構(gòu)造、工作原理和應(yīng)用，很多知識只有通過實踐操作、驗證和設(shè)計，才能真正理解和掌握。根據(jù)這一特點，在教學(xué)時就應(yīng)著重理論和實驗緊密結(jié)合，理性和感性相互結(jié)合，學(xué)習(xí)的質(zhì)量才能得以保證。但現(xiàn)在很多高職高專院校實驗設(shè)備陳舊，功能單一，不能很好地滿足計算機(jī)組成原理實驗教學(xué)的需要。實驗環(huán)節(jié)薄弱使學(xué)生不能有效的理解計算機(jī)內(nèi)部工作原理[3]。

二、教學(xué)方法的改革

（一）精選教材，合理組織教學(xué)內(nèi)容

目前在高校里用到的《計算機(jī)組成原理》的教材很多，例如高等教育出版社唐朔飛編寫的 《計算機(jī)組成原理》，清華大學(xué)出版社王愛英主編的《計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》等。根據(jù)我校實際情況，我們選擇了王愛英的《計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》，這本教材融合了計算機(jī)組成原理、計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兩方面的知識，能讓學(xué)生了解更多的計算機(jī)硬件細(xì)節(jié)，讓學(xué)生掌握如何在硬件系統(tǒng)上提高軟件的運行效率。

在教學(xué)內(nèi)容的編排上，依據(jù)教學(xué)大綱，重點突出，詳略得當(dāng)。每一章都分為精講和選講兩部分，將選講部分放手讓學(xué)生自學(xué)或開展網(wǎng)上討論，既培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力，又節(jié)約了課時。精講部分則要求老師講細(xì)、講透，并結(jié)合當(dāng)今計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，適當(dāng)增加有關(guān)計算機(jī)各部件的演變歷史和最新技術(shù)知識，這樣既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又彌補(bǔ)了教材與實際的脫節(jié)，提高了這門課的使用價值。

（二）明確學(xué)習(xí)目的，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情

《操作系統(tǒng)》是站在軟件的角度看計算機(jī)的運行原理，《計算機(jī)組成原理》則是站在硬件的角度來看計算機(jī)的運行原理，因此這門課對于學(xué)習(xí)計算機(jī)的學(xué)生來說非常重要。另外，這門課程和《數(shù)字電路》等課程也有不同，《數(shù)字電路》是站在微觀的角度講解計算機(jī)的原理的，而 《計算機(jī)組成原理》則是站在宏觀角度講解的，因此大可不必在電路圖等細(xì)節(jié)問題上陷得太深，以“抽象”的觀點看問題，只要知道它能實現(xiàn)何種功能，不必管它內(nèi)部是怎么實現(xiàn)的。

對于以后想從事嵌入式系統(tǒng)、操作系統(tǒng)設(shè)計等和硬件結(jié)合比較緊密的工作的同學(xué)，我建議所有的內(nèi)容都要學(xué)好，而如果以后想從事軟件相關(guān)工作的同學(xué)也要學(xué)好存儲器、輸入輸出系統(tǒng)、計算機(jī)的運算方法、指令系統(tǒng)、CPU的結(jié)構(gòu)和功能等章節(jié)的內(nèi)容，因為做大型系統(tǒng)軟件會涉及到調(diào)優(yōu)的問題，如果只懂軟件，而不知道硬件在怎么運行的話，調(diào)優(yōu)會受到限制，軟件無法發(fā)揮硬件的最大優(yōu)勢。舉一個簡單的例子，筆者在讀研期間，我們實驗室曾開發(fā)過一套軟件系統(tǒng)，在HP的服務(wù)器上運行，一開始我們的軟件運行效率非常低，然后HP派了一個對硬件、軟件都非常熟悉的團(tuán)隊來進(jìn)行調(diào)優(yōu)，經(jīng)過調(diào)優(yōu)，我們的程序運行效率提高了10倍。由此讓學(xué)生明白，要編寫一個高效率的軟件，必須具備扎實的硬件基礎(chǔ)。

（三）采用啟發(fā)式教學(xué)法

啟發(fā)式教學(xué)法是教師啟發(fā)學(xué)生積極思維，使他們主動掌握知識的一種教學(xué)方法。《計算機(jī)組成原理》和其他專業(yè)課不同，大部分都是理論性的東西，動手實驗的內(nèi)容較少，因此很多同學(xué)感覺非常枯燥。在日常教學(xué)中，我經(jīng)常建議學(xué)生多結(jié)合自己的電腦進(jìn)行聯(lián)想和研究，多到網(wǎng)上搜索相關(guān)的資料，那樣理解就會更加深刻。《計算機(jī)組成原理》、《操作系統(tǒng)》是可以當(dāng)成“小說”來看的課程，不要皺著眉頭把它當(dāng)成理論學(xué)，而是把課本想象成一個給你講計算機(jī)運行原理的說書人。

比如學(xué)到《系統(tǒng)總線》的時候，我讓學(xué)生意識到：計算機(jī)部件之間的通訊如果是通過一根線來進(jìn)行的話肯定非常慢，因為數(shù)據(jù)、控制信息等都要通過一根線進(jìn)行，而如果分成數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線三條線，這樣數(shù)據(jù)、控制、地址信息就可以并行進(jìn)行，所以速度就快了。然后學(xué)生就可以到網(wǎng)上搜PCI、ISA總線等的介紹，南北橋芯片的介紹等，這樣就能把知識做到“不用刻意記就記住了”。

講到《存儲器的緩存》的時候，我引導(dǎo)學(xué)生琢磨緩存到底是在做什么。緩存就是為了解決低速設(shè)備讀取的問題，從內(nèi)存中讀數(shù)據(jù)肯定沒有直接從CPU的緩存中讀取快，所以就需要把經(jīng)常被讀取的數(shù)據(jù)放到緩存中，以后讀的時候直接去緩存中讀取就可以。緩存不能設(shè)計的太小，因為太小的話很多需要緩存的數(shù)據(jù)放不進(jìn)去，太大的話則會增加成本，而且會導(dǎo)致很多不需要被緩存的數(shù)據(jù)也緩存了。然后學(xué)生就到網(wǎng)上看主流的CPU內(nèi)置的1M、2M、8M緩存的比較的文章，這樣就會理解深刻了。

講到程序查詢方式、DMA方式等的時候，我引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想企業(yè)中的人員管理，有的企業(yè)里邊A員工讓B員工做一件事情也要領(lǐng)導(dǎo)轉(zhuǎn)達(dá)任務(wù)分派，而且有的企業(yè)里一些普通的事情員工之間就可以處理，無需要領(lǐng)導(dǎo)過問。講到奇偶校檢碼的時候你就可以思考為什么有的壓縮文件、視頻文件有輕微的損壞仍然能夠打開，你甚至可以自己寫一個程序來實現(xiàn)校檢功能。

三、實踐教學(xué)的改革

《計算機(jī)組成原理》的實踐教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計，應(yīng)該以深化學(xué)生對理論知識的理解和掌握，以培養(yǎng)學(xué)生動手能力，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識而定位。由此我們建立了新的“計算機(jī)組成原理”實驗教學(xué)體系，將實驗進(jìn)度分為基礎(chǔ)模塊實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗，形成從部分到整體、從接受知識型到綜合能力型逐級提高的實驗體系[4]。

（一）基礎(chǔ)模塊實驗階段

實驗有移位操作實驗、運算器實驗、控制器實驗、存儲器實驗。通過一系列小實驗的驗證和應(yīng)用，要求學(xué)生掌握實驗系統(tǒng)中單元模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及相關(guān)電子芯片的基本邏輯，理解單元模塊的工作原理及該單元模塊在整機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。讓學(xué)生對五大硬件的理論知識由淺到深逐步掌握。

（二）綜合性實驗階段

讓學(xué)生建立整機(jī)思想，在熟悉單元模塊工作原理的基礎(chǔ)上，掌握計算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)地協(xié)調(diào)運行。為了達(dá)到這一教學(xué)目的，我們在教學(xué)內(nèi)容中安排了一定量的綜合設(shè)計實驗，要求學(xué)生通過一系列此類實驗，掌握整機(jī)運行模式，從部分到整體形成一個完整的“整機(jī)”概念，進(jìn)一步深刻理解理論知識[5]。

（三）設(shè)計性實驗階段

在這一階段的系列中，我們改變傳統(tǒng)計算機(jī)組成原理實驗“芯片+連線”的做法，用大規(guī)模可編程邏輯器件使硬件的功能可以和軟件一樣通過編程來實現(xiàn)。學(xué)生使用可編程邏輯器件，通過可編程方式來設(shè)計并實現(xiàn)電路，開展可重構(gòu)原理的計算機(jī)設(shè)計，使學(xué)生具有用硬件描述語言進(jìn)行設(shè)計的能力，完成從驗證知識到設(shè)計、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

四、結(jié)語

大專層次的學(xué)生學(xué)習(xí)計算機(jī)課程，其目的在于了解計算機(jī)在現(xiàn)代社會中重要作用，掌握計算機(jī)的基本知識和基本操作，以使其在今后的生產(chǎn)技術(shù)第一線的工作崗位上靈活使用計算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)代化管理，提高工科的科學(xué)性和有效性。對于他們來說，計算機(jī)理論、原理、系統(tǒng)知識要學(xué)，但更應(yīng)注重實效性，才能滿足社會各行業(yè)對計算機(jī)應(yīng)用要求的不斷變化和提高。隨著計算機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用的不斷發(fā)展，計算機(jī)軟件和硬件都在不斷更新和完善，這就要求計算機(jī)教學(xué)的內(nèi)容和教學(xué)方法都應(yīng)隨著計算機(jī)利學(xué)技術(shù)的發(fā)展而有所調(diào)整，以適應(yīng)社會發(fā)展的需要。本文對《計算機(jī)組成原理》在高職高專層次教學(xué)存在的一此問題進(jìn)行了分析和討論，并提出了一此改進(jìn)措施和方法，以促進(jìn)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的提高。但是，教學(xué)改革是一個逐步深化的長期過程，需要教師立足于提高教學(xué)水平、教學(xué)質(zhì)量培養(yǎng)全面發(fā)展的新型人才的出發(fā)點上，不斷提高自身索質(zhì)，不斷摸索，不斷創(chuàng)新。

[1]鄒紅文，聶雅琳.《計算機(jī)組成原理》教學(xué)設(shè)計研究與實踐[J].洛陽理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)),2008(01).

[2]王勇，黃賢英.“計算機(jī)組成原理”的教學(xué)方法[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)),2008，22（03）.

[3]顏俊松.計算機(jī)組成原理實驗教學(xué)研究與探索[J].重慶文理學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2008，27（01）.

[4]任春明，劉軍.計算機(jī)組成原理實驗教學(xué)的思考與改進(jìn)[J].實驗技術(shù)與管理,2006，23（10）.

[5]王建新等.基于組件的計算機(jī)組成原理虛擬實驗室的設(shè)計與實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2008，20（09）.

本文系江西省教育廳資助課題“高職高專信息檢索網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺設(shè)計與應(yīng)用研究”的階段性研究成果（編號：JXJG-08-23-13）。

吳新華（1975-），男，江西萍鄉(xiāng)人，碩士，萍鄉(xiāng)高等專科學(xué)校講師，研究方向為計算機(jī)應(yīng)用、智能嵌入式軟硬件；羅曉娟（1975-），女，江西萍鄉(xiāng)人，碩士，萍鄉(xiāng)高等專科學(xué)校講師，研究方向為計算機(jī)應(yīng)用和算法程序設(shè)計。

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1001－7518（2010）02－0022－02

責(zé)任編輯謝榮國