計算機組成原理課程在專業轉型發展過程中的建設與探索

牛玉軍+張敏+王東

摘要：該文總結了本校軟件工程專業在轉型發展過程中計算機組成原理課程建設的經驗和成果。以培養企業需求的應用型工程技術人才為目標，針對計算機組成原理課程的特點及教學中的難點，對該課的教學內容和方法、實驗內容、前修和后繼課程進行了全面的改革和探索。并以計算機組成原理課程知識為基礎，鼓勵學生進行物聯網、機器人等方面的應用實踐。經過在實際教學中的應用和完善，教學效果較好。

關鍵詞：計算機組成原理；教學改革；專業轉型；課程建設

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）02-0097-02

1 概述

大連大學作為地方性大學，以培養產業轉型升級和公共服務發展需要的高層次技術技能人才為主要目標，正在向應用技術類型高校轉型發展[1-3]。本校軟件工程專業根據這一思想的指導，對本專業的教學大綱和教學計劃進行了修改和完善。其中計算機組成原理課程是軟件工程專業的專業基礎課，是軟件工程專業國家碩士研究生統一考試的四門專業課之一。該課程主要講述計算機底層功能部件的組成結構和工作原理[4-7]，而軟件工程專業的學生在底層硬件方面的知識儲備欠缺，有的學生甚至對以計算機硬件為主的課程感到畏懼和排斥。所以對計算機組成原理課程的建設具有一定的難度和意義。

2 計算機組成原理課程的建設

軟件工程專業為發揮學科專業建設優勢，創新人才培養模式，服從遼寧省 “十三五”信息技術產業發展規劃需要，滿足軟件產業和企業信息化的發展需求，明確軟件工程專業定位為：面向軟件行業，服務地方經濟建設，培養社會認可、企業滿意的應用型工程技術人才。根據這一目標我們定制了計算機組成原理課程的教學目的與教學任務：①掌握計算機系統各部件的基本組成、邏輯實現、設計方法及其互聯技術；②注重培養學生的硬件電路設計能力，最終建立一套整機的概念和設計思想，使學生深入理解計算機系統的工作過程；③掌握Verilog HDL語言的程序設計方法，能夠在FPGA上實現MIPS指令集和中央處理器的設計，提高學生的工程實踐能力和利用數字系統解決實際問題的能力，并為學生以后的學習、研究和工作奠定計算機硬件方面的基礎。相應的我們對計算機組成原理課程的教學大綱進行了重新的定制，對課程的教學內容和方法、實驗內容、前修和后繼課程進行了建設。并在這兩年的實際教學實施中進行修改與完善，得到了較好的教學效果。

2.1 前修課程的設置

計算機組成原理課程難度較大，要求學生有數字電路方面知識的儲備，對學生起點要求較高。在開始此門課程之前，我們開設了數字電子技術基礎課程，并做了多方面的準備。

①加強數字電路的學習。將原來第三學期開設的電子技術課程改為上數字電子技術基礎，去掉了強電部分，加強了數字電路的內容，課時設置為64學時。使學生熟悉數字電路的基礎理論知識，掌握數字電路與系統的工作原理和分析方法，能對主要的邏輯部件進行分析和設計，學會使用標準的集成電路。為以后計算機組成原理課程的學習、或實踐應用奠定扎實的理論與實踐基礎。

②選修硬件方面的課程。由于軟件工程專業是以軟件系統的開發與設計為主要教學任務，由于本專業總課時的限制，所以硬件方面的課程不能開設太多，計算機組成原理課程的前驅課程只有數字電子技術基礎這門課程。為了彌補這一問題，我們把邏輯與計算機設計基礎、單片機等課程開設為選修課，讓有精力和興趣的同學去選修。

③實訓的激勵。在第二學期期末有兩周的實訓，由學校和企業聯合教學。讓學生去企業參觀實際的應用項目，例如一些物聯網、機器人項目的展示。使學生明白，計算機的軟件和硬件是不分家的，軟件工程專業的學生不僅要學好軟件系統的設計與開發，還要掌握硬件方面的知識，為學習計算機組成原理課程培養興趣。

2.2 課程內容的設置與教學方法

為了能夠跟隨計算機技術及其應用的發展，培養出企業和社會需要的工程技術人才，我們選用了南京大學袁春風教授主編的《計算機組成與系統結構》作為上課的主教材。該教材根據教育部“高等學校計算機科學與技術專業規范”組織編寫，與美國ACM和IEEE CS Computing Curricula 最新進展同步，也是“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材。該教材試圖改變國內同類教材通常的就硬件講硬件、軟硬件分離的傳統內容的組織方式。依據該教材，計算機組成原理課程的主要內容為：計算機系統概述、數據的機器級表示、運算方法與運算部件、指令系統、中央處理器、指令流水線、存儲器分層體系結構和互聯及輸入輸出組織。根據以上的課程內容，在實際的教授過程中，我們應用了以下的教學方法：

①案例驅動的方法。 在教授某一部件的工作原理和設計方法時，都有實際應用的例子，以達到深入淺出的講解問題，激發學生的學習興趣。如果有多個知識點是連貫的，我們就以一個綜合的案例為例，分步剖析，使學生具有系統的分析設計能力。例如在講解“最簡單的CUP→總線式CPU→單周期CPU→多周期CPU→基本流水線CPU”過程中均以MIPS處理器為例。

②理論講授與設計實驗相結合。在某一個部件的工作原理與設計方法講解完后，都安排有相應的設計實驗。實驗的課時由原來的16學時增加到32學時。在上實驗課時有專門的實驗老師對學生進行精心的講解和指導。

③激勵學生參加相關競賽。在課程講授的同時，組織指導學生參加計算機系統設計、機器人、物聯網等相關競賽，把學到的知識及時應用到實踐。既可以鞏固學到的知識，又可以激發學生的創新能力。

2.3 實驗內容的設置

軟件工程專業投入了專項資金，購買了30套計算機組成原理實驗設備FPGA開發板，可提供30人的班型每人一臺的實驗環境。實驗課時由原來的16學時擴展到了32學時。實驗內容主要是利用Verilog語言進行MIPS指令集和中央處理器的設計實現，使學生深入理解計算機系統的工作過程，提高學生的硬件電路設計能力。而軟件工程專業的學生大多數沒有接觸過Verilog語言，所以在做實驗前安排2學時講授Verilog語言基本語法與簡單的程序應用，并要求學生利用課余時間加強學習。endprint

實驗的主要內容包括： ①多路選擇器的設計與實現（用結構化的行為描述實現32位多路選擇器）；②7段譯碼器的設計與實現（使用ISE軟件進行4位7段譯碼器設計實現）；③SOC的設計與應用；④CPU的設計與實現（設計一個簡單的單周期CPU，來替換SOC實驗中的CPU模塊）；⑤CPU的擴展（對僅支持9條指令的CPU進行功能擴展，增加I型指令）；⑥基本IO設計與實現（使用前面實驗設計的CPU增加簡單的接口設備和驅動實現最簡單的SOC或微控的應用）；⑦計數/定時器（在實驗6的基礎上增加計數器的設計與實現）；⑧中斷（修改前面實驗CPU模塊中的PC發生器，并增加中斷返回指令）。

2.4 后繼課程的設置

為了加強計算機組成原理課程知識向應用實踐的轉化，在計算機組成原理課程結束后，我們開設了嵌入式系統設計和移動應用開發兩門課程。 嵌入式系統設計課程是以應用為中心、以計算機技術（主要是計算機組成原理課程知識）為基礎，進行嵌入式系統的應用設計，并將應用設計擴展到機器人、物聯網等領域。而移動應用開發是從嵌入式系統分離出來的手機應用開發課程。對于嵌入式系統設計和移動應用開發比較優秀的學生，在大四可以到合作的企業免費實習，有的被合作企業聘用為正式員工，直接解決了學生的就業問題。

2.5 鼓勵學生應用實踐

軟件工程專業專門成立了以計算機組成原理課程知識為基礎的應用工作室，提供專門的房間和經費支持。工作室的成員主要由參加相關競賽或科研項目的學生組成，學生在課余時間便可去工作室進行學習和研究。專業教研室指派專業老師輪流對工作室進行管理和對學生進行指導。工作室的題目主要來自大學生競賽、老師的科研項目或合作的企業。這樣為學生應用能力和創新意識的培養提供了場地、設備與資金等方面的支持。工作室的學生參加了計算機系統設計、機器人、物聯網等方面的競賽，取得了較好的成績。

2.6 校企合作為課程建設注入了活力

校企合作為計算機組成原理課程建設提供了充足的動力。授課的教師都是在合作企業培訓過，或參加過相關的企業項目設計開發。教師在企業要注重企業實際應用案例的收集整理，然后應用到教學中。并隨著新的應用技術的出現和應用的發展，不斷地更新教學的案例。形成了軟件工程專業與企業共同進行課程建設的合作模式，使得師生能夠了解當前社會的實際需求，及時調整教學與實踐內容，跟上社會發展的步伐，極大地激發了學生的學習興趣和動力，為課程的建設與發展注入了活力。

到目前為止，本校的軟件工程專業已經與多家計算機企業建立了良好的校企合作關系，包括北京千峰互聯科技有限公司、北京尚觀科技有限公司、大連達內軟件有限公司、東軟集團、中軟國際、藍鷗科技（大連）有限公司等IT企業。

3 結論

計算機組成原理課程知識是嵌入式、物聯網、機器人等應用的基礎。而軟件工程專業在專業轉型的過程中，如何以應用為導向，與合作企業聯合把該門課程建設好，使培養出的學生真正滿足社會的需求，是一個值得研究的問題。本文對本校軟件工程專業在專業轉型過程中計算機組成原理課程建設進行了總結，經過實際教學中的修改和完善，取得了較好的教學效果。希望對其他地方高校在專業轉型發展過程中的課程建設起到一定參考作用。

參考文獻：

[1] 繆峰. 由教改實踐談對地方新建本科院校轉型發展的思考——以民辦高校三江學院建筑系為例[J]. 科技創新導報，2016（27）：142-143.

[2] 魏莉， 趙純堅. 基于地方本科高校轉型發展的校企合作應用技術人才培養的研究與實踐[J]. 高教學刊， 2015（23）：207-208.

[3] 樓建明， 鮑淑娣， 傅越千， 劉良旭. 基于“卓越計劃”工程實踐教學的改革與實踐[J]. 實驗室研究與探索， 2015，34（2）：177-181.

[4] 林浩. 計算機組成原理課程教學改進的探討[J]. 福建電腦，2017（9）：179-180.

[5] 唐朔飛， 劉旭東， 王誠， 包健， 熊桂喜.“計算機組成原理”課程教學實施方案[J]. 中國大學教學， 2010（11）：42-45.

[6] 周駿. 計算機組成原理課程教學改革思考[J]. 西 南 師 范 大 學 學 報， 2014，39（6）：161-165.

[7] 李東勤， 徐勇， 常郝.計算機組成原理課程教學改革的研究和探索[J]. 電腦知識與技術， 2017，13（3）107-109.endprint