基于專業規范的“計算機組成原理”課程改革

摘要:以教育部計算機科學與技術專業教學指導委員會的專業規范為指導，針對計算機組成原理課程的特點，從以專業規范為基礎優化教學內容、改進教學方法和豐富教學手段等方面進行了探討和實踐。分析實驗教學現狀，指出存在的問題，提出通過改編實驗設計，加強實驗教學過程指導，提高實驗教學效果。以專業規范為指導，從理論教學和實驗教學兩方面為“計算機組成原理”課程改革提出了新的建議。

關鍵詞:專業規范;計算機組成原理;課程改革;理論教學;實驗教學

中圖分類號:G642文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)21-5876-03

Reform in the Course of the Computer Composition Principle Based on Professional Norms

FANG Ming-ke， LI Lei

(School of Computer and Information Technology， Xinyang Normal University， Xinyang 464000， China)

Abstract: Following the guidance of professional norms which is specified by the Teaching Guiding Committee for Computer Science and Technology under the Ministry of Education， this paper analyzes the main properties of the course of Computer Organization Principles， discusses and carries out curriculum reform of the subject from the following aspects that include optimizing teaching contents based on professional norms， improving and enriching teaching methods. By analyzing the present situation of experiment teaching， this paper indicates existing problems， and put forward proposals to improve the effect of the experiment teaching: revising design of experiments and strengthening instruction on experiment process， etc. Finally， based on professional norms， this paper puts forwards reform proposals that include theory teaching and experiment teaching in the course of Computer Organization Principle.

Key words: professional norms; computer organization principle; curriculum reform; theory teaching; experiment teaching

隨著計算機和通信技術的蓬勃發展，中國開始進入信息化時代，計算機及技術的應用更加廣泛深入，計算機學科傳統的專業優勢已經不再存在。社會和應用對學生在計算機領域的知識與能力提出了新的要求。專家們指出，未來10～15年是我國信息技術發展的窗口期、關鍵期。為此，高等學校肩負著為國家發展和滿足社會需求培養多類型人才的重任。在這樣的背景下，高校必須正視問題，積極思索與變革，重新審視計算機專業教育的發展方向，與時俱進地推進計算機專業教育改革。

《計算機組成原理》是計算機科學與技術專業必修的一門專業主干課程。課程要求掌握計算機系統各部件的組成和工作原理、相互聯系和作用，最終達到從系統、整機的角度理解計算機的結構與組成，并為后續課程的學習奠定基礎。但從整個學科的建設和發展，以及對學生專業素質培養的角度來看，這樣的要求是不夠的。更為重要的是，通過教與學，還應當提高學生對計算機硬件系統的認知能力和設計能力，強化實踐意識與能力，培養創新理念與能力，激發學生自主學習、主動探索前沿知識。教育部計算機科學與技術專業教學指導委員會在2006年發布了計算機科學與技術本科專業戰略報告和專業規范，對計算機專業的發展與教學提出了指導意見。本文探討以專業規范為指導對計算機組成原理課程進行改革，研究并實踐一種有效的教學模式，幫助學生從微觀層面掌握本課程知識單元，從宏觀層面建立該課程知識體系，使學生準確把握課程的核心內容，全面地構建整機系統，進而培養學生的專業素養和綜合能力。

1 計算機科學與技術專業規范

教育部高等學校計算機科學與技術專業教學指導委員會(以下簡稱教指委)在廣泛深入的調查研究基礎上，借鑒國際上計算機專業辦學的發展與現狀，結合我國計算機教育的實際情況，對計算機專業本科教育的發展方向和辦學單位的專業發展提出了指導性意見，并制定了具體的《專業規范》。

教指委在計算機科學與技術專業發展戰略研究報告和專業規范中提出了以“培養規格分類”為核心思想的計算機專業發展建議，將計算機學科分為三種類型四個方向，即:科學型(計算機科學方向CS)、工程型(包括計算機工程方向CE和軟件工程方向SE)、應用型(信息技術方向IT)[1]。針對每個類型的每個方向的特點和要求，專業規范從學科方法論、培養目標與規格、教育內容和知識體系等方面進行了詳細的規劃，提出了富有建設性的指導意見。

專業規范中明確指出，“計算機組成基礎”是計算機科學方向和計算機工程方向的核心課程，并且對實驗、綜合性課程設計和核心的教學內容提出了規范要求。在軟件工程方向和信息技術方向，“計算機組成基礎”是核心知識領域計算基礎(SE-CMP)和平臺技術(IT-PT)的核心知識單元[1]。專業規范根據課程體系對每一門課程內容、知識要點、學習目標等都進行了詳細的設計與組織。在專業規范中，“計算機組成基礎”的理論教學課時一般為48～56，實驗課時一般為8～16，是計算機體系結構、操作系統、嵌入式系統和計算機網絡等課程的先修課程，重點涵蓋了計算機運算、存儲系統組織和結構、功能組織等多個知識單元。本文主要探討在專業規范的指導下，“計算機組成原理”課程的教學改革與建設。

2 課程內容組成及改革

2.1 課程改革的基本原則

教指委的專業規范為計算機組成原理教學大綱和教學計劃的制定，以及課程在課堂教學和實驗教學上提供了指導性的意見，是我們推進課程改革的重要參考。以教指委專業規范為指導，結合學校的實際情況是計算機組成原理課程改革的原則之一。在具體的教學過程中，課程改革必須依據計算機組成原理課程的教學目標、內容和特點。

其次，課程改革還應當聯系學校的實際情況，如學校育人目標的定位、學校的教學與實驗條件、學生的知識基礎等。教指委的戰略報告中也明確了提出了這種改革思路。因此，在綜合分析了學校和學生的實際情況后，我們確定了注重知識結構的特色和執行深度，加強學生實踐操作思維與能力的培養，因人而宜地進行點面結合的改革原則。

第三，在信息化時代，社會競爭壓力日益激烈，學生就業壓力不斷增大，學生在學校在課堂學到的方法、知識與能力將直接影響到學生在競聘和后續發展的競爭力，例如，企業等用人單位在招聘人才時關注學生的以學習能力為代表的發展潛力和動手能力，因此，課程改革的推進，應當兼顧國家的需要、社會的需求和企業的要求。

為此，我們基于上述原則，從教學指導思想和教學方法兩個方面，從知識講授和能力培養兩個層次上，對“計算機組成原理”課程改革進行了詳細設計與組織，建立了一套有效的教學模式，幫助學生從宏觀和微觀兩個層面系統地掌握課程知識，進而培養學生學習和探索知識的意識、興趣和能力。

2.2 課程改革與實踐

2.2.1 優化教學內容和教學組織方法

針對本門課程的要求和特點，我們對教學內容進行了優化設計，提出了宏觀與微觀分層講授，相互貫穿的教學組織方法。內容組織方面，在宏觀上強調對部件的功能及整機系統的需求進行分析與講解，在微觀上重點強調實現這些功能的各組成部件的結構、設計與工作原理。

通過分析比較國內外一些大學同類課程的教學內容、實施方法和教學改革后發現，這些學校在課程的教學內容上差別基本不大，核心知識單元主要包括:數據在機器中的表示、存儲器的組織與結構、指令系統、中央處理器、總線系統和外圍設備與接口等[2-3]。在課時有限的情況下，為了高效地完成教學任務，達到教學目標，我們本著把握基礎、突出重點、明確主線的方針對本門課程知識點進行了分析與優化，尤其是存儲系統、中央處理器和I/O技術等知識領域。對專業規范要求的每個知識單元和教材的每一章，明確其中必須掌握的基礎知識和重點，加強與之結合實例內容;對僅僅要求了解的和一些比較容易掌握的的內容，以引導學生自學為主，減少其課堂教學時間;弱化“過時”內容，及時補充新技術新方法，保持課程內容的時代性。

以存儲系統和結構為例，首先從宏觀的角度對計算機在數據存儲、交換上的需求進行分析，使學生明確存儲系統在整機中的地位與作用，進而分析存儲系統的功能，使學生從整體上把握存儲系統的結構與組成，同時對某類型計算機的實際情況進行分析，加深學生的理解。然后引導學生對存儲系統中的具體部件從微觀的角度分層次地進行分析。接著對SRAM和DRAM的基本存儲元進行解析，由這些存儲元構成存儲單元，再到芯片，最終擴展形成存儲器。再結合實例和計算機的實際情況對Cache和虛擬存儲器進行詳細講解。在新技術方面，介紹DDR與DDRⅡ的情況，要求學生自己去查閱DDRⅢ等技術資料。最后再將這些各層次的部件串起來，從整體到細節地明確存儲系統的功能、工作原理及實現。

2.2.2 從問題出發，實施動力式教學

通過研究比較發現，國內外的同行在本門課程的教學中，在知識講授和能力培養兩個大方面上有著較大的差異。“計算機組成原理”課程的教學，應使學生盡快建立計算機的整體概念，透徹地理解和掌握課程知識點，從宏觀和微觀層面上理解和把握計算機各部件的原理、組成及相互聯系，進而達到能力培養的目標[4]。

在現代教育理念中，教學設計應當以“學”為中心，學生是教學活動的主體，是知識學習的主動建構者，教師在教學過程中發揮著組織者、指導者和促進者的作用。課堂教學應當側重于引導學生主動學習與思考，要靈活地將互動式、啟發式和任務驅動式等教學方法結合起來，而不是單一地采用某種方式對學生進行灌輸。而且有必要設計一些教學環節對學生進行啟發，在課堂內外與學生進行互動與討論，尤其是一些新技術，引導學生學習研究的方法與方向，從而激發學生學習的興趣和主動性，進而培養他們的自主學習能力、研究能力和創新能力。

加強課堂教學的提問與討論環節，不僅可以活躍課堂氣氛，活躍學生思維，而且可以促使學生在課余主動地學習和對問題進行鉆研，從而高效深入的學習和掌握知識。這是互動式和啟發式教學的重要手段之一。如針對計算機外圍設備在種類和技術方面的一些問題，提問學生回答問題，并藉此與學生討論新技術新發展，引領學生突破思維定勢，培養創新意識等。

針對專業規范中知識單元的一些重要知識點，有意提出或設計一些問題和目標，將其作為任務交由學生去分析解答。這是任務式和問題式教學的重要手段之一。學生或個人或合作對任務進行分析，找到問題所在，通過討論、學習或搜索等方法解決任務，并進行總結歸納。在此過程中，學生通過學習與研究，發現隱含在問題和目標背后的知識，形成解決問題的研究能力和自主學習能力。如在中央處理器一章中，要求學生對CPU發展的新動態進行研究。學生通過上網搜索、查閱文獻等手段收集了大量的資料，了解了CPU的發展歷程，對一些實際的參數，如Cache的大小與級數、流水線條數、工作頻率、前段總線等都有所了解，加深了對CPU的認識。引導學生將單核、雙核和多核CPU進行對比，分析它們最新的技術和發展趨勢等。通過這樣的方法取得了良好的教學效果。

2.2.3 充分利用現代教學手段

現代教學手段也是提高教學效果，培養學生綜合能力的重要一環。多媒體課件、動畫演示、實物展示與剖析等方法可使抽象難講的內容變得具體、生動和形象，使學生寓教于樂，對于改善教學效果非常好。例如，定點乘除法運算的陣列運算方法使用動畫演示比直接講解的效果要好，且更能吸引學生的注意力;補碼原碼轉換關系推導等還是采用傳統的黑板比較好[5]。在教學過程中，我們發現將一些需要動畫演示的課件交由學生負責完成，激發了學生學習的興趣和積極性。同時，利用網絡進行課程建設、答疑、意見交流已經成為我們基本的教學手段。

3 實驗改革與實踐

加強計算機專業的實驗教學已經成為共識，教指委的專業規范將計算機原理實驗列為典型的必須的實驗，并提高了課時數。實驗將使學生掌握計算機硬件設計、調試和運行維護等多方面的技能，訓練學生的動手能力，培養創新能力以及認真、嚴謹的科研作風。但學生的動手能力不強現在是一個比較普遍的問題。因此，計算機專業應當強調實踐教學體系、實驗設計和指導執行等軟環節。

計算機組成原理實驗主要有驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗三個層次，涉及的內容主要有數據通路、運算器、存儲器、微程序控制器，以及整機設計等。首先，實驗內容的選取和設計對實驗教學效果有著重要的影響。不同的學校，不同層次的學生應當有不同的選擇和不同的設計。一般來說，從課程的基本要求和培養學生的基本能力角度出發，基礎性的驗證性實驗是必須的。對硬件方向要求較高的有條件的學校，應當開設設計性實驗，如對整機進行設計等，以及引入FPGA技術等實現相關實驗[6]。其次，因材施教，對不同的學生有不同的要求和指導是必要的。針對一些復雜的難度較大的實驗，可以采取開設實驗選修課程，或者是將其列為選做實驗。實驗課教師則對這些要求進一步學習的同學進行另外的指導，加大課外實驗課時，并可以將他們組建學習小組來進行研究性的探索。第三，實驗課的主要目的是對學生觀察能力、思維能力、操作能力和表達能力的綜合培養[6]。在培養過程中，教師的教學指導和規范實驗過程是重要的兩個環節。教師的教學指導不是事無巨細地告訴學生該做什么，而是將重點內容告訴學生后，重點引導學生去思考和探索，從而達到實驗目的。而且應當強調過程指導，即注重發現并引導學生分析實驗過程中出現的問題，提示和鼓勵他們去解決問題，從而通過這個過程使學生探索計算機硬件的特點和規律。規范實驗過程，例如規范實驗報告、實踐過程中的操作規范、分析問題和解決問題的方法與描述等，是對計算機組成原理實驗的重要要求，對學生綜合能力的養成有著潛移默化的作用。

4 總結

本文從提高教學質量、培養學生的角度出發，基于教指委的專業規范，就優化教學內容、教學方法和手段、實踐教學等幾個方面對《計算機組成原理》課程改革進行了探討。總之，計算機組成原理課程教學應在把握整機概念、優化教學內容、結合新技術新方法改進和加強實踐教學等方面積極探索，并充分利用網絡和多媒體技術促進教學互動和教學相長。顯然，隨著計算機技術的發展， 設備不斷完善，新的思路、新的嘗試必將繼續下去，教師還必須不斷地追求新知識，學習新技術，提高自身知識水平，結合社會需求和實際情況進一步地探索改進教學，以取得更好的教學效果。

參考文獻:

[1] 教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會. 高等學校計算機科學與技術專業發展戰略研究報告暨專業規范(試行)[M].北京:高等教育出版社，2006.

[2] 陳金兒，王讓定，林雪明，等.基于CC2005的“計算機組成原理與結構”課程改革[J].計算機教育，2006(11):33-37.

[3] 鄭玉彤.《計算機組成原理》課程實現的比較研究[J].中央民族大學學報，2003，12(1):79-82.

[4] 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.

[5] 趙秋云，何嘉， 魏樂. 對《計算機組成原理》課程教學模式的探討[J].電腦知識與技術，2008，4(3):693-694.

[6] 姚愛紅，張國印，武俊鵬.計算機專業硬件課程實踐教學研究[J].計算機教育，2007(12):29-31.