非計算機專業《計算機原理》課程教學實踐探索

馬勝 唐玉華 陸洪毅 王志英

摘要：非計算機專業的《計算機原理》課程的教學實踐面臨著諸多挑戰。本文探索了國防科技大學《計算機原理》課程教學團隊的教學實踐，教學團隊針對課程教學的特點，在教學內容、教學方法、實驗和習題設計方面進行了改革，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：計算機原理；非計算機專業；教學實踐

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）42-0135-03

一、引言

《計算機原理》是信息與通信工程、自動化、電氣機械等非計算機專業的一門關于計算機基本結構和工作原理的基礎課。當前，各大高校對計算機專業的《計算機原理》課程的教學理論和實踐方法研究較多，也取得了一定的成果[1-4]。但是對非計算機專業的《計算機原理》課程的建設關注卻較少，導致如何有效面向非計算機專業的學生講授《計算機原理》課程依然是一個值得研究的課題。

《計算機原理》課程具有涵蓋內容多、知識點離散、知識更新快等特點。此外，與計算機專業相比，非計算機專業的《計算機原理》課程還具有學生計算機基礎不足和課程課時較少兩個顯著的特點[5]。這兩個特點大大提高了面向非計算機專業學生講授《計算機原理》課程的難度和復雜性。一方面，學生的計算機基礎不足導致需要更多的課時才能讓他們掌握課程的知識。另一方面，受限于各個專業的人才培養體系，非計算機專業一般只給《計算機原理》課程安排了有限的課時。比如，在國防科技大學，為計算機專業學生開設的《計算機原理》課程的課時高達90個學時，但為非計算機專業學生開設的《計算機原理》課程的課時只有54個學時。因此，如何在有限的課時內讓計算機基礎較差的非計算機專業學生有效地學好《計算機原理》課程，無疑是一項具有較高挑戰性的工作。

二、課程教學特點

《計算機原理》課程是一門公認的較難講授的課程，而面向非計算機專業的學生講授《計算機原理》課程無疑是一項更為艱巨的挑戰。本節簡要分析了非計算機專業《計算機原理》課程的教學特點。

1.教學內容多，知識點離散。《計算機原理》課程涵蓋的內容非常豐富，從基本的數制表示到復雜的軟硬件協同管理的虛存都有涉及，課程需要講解一個完整主機的各個組成部件，包括中央處理器、存儲器、總線和各類外設等。為方便學生理解各個部件的結構和工作原理，課程還要求學生理解和掌握匯編語言，以便對這些部件進行編程操作。《計算機原理》課程不但涵蓋了很多的知識點，且這些知識點之間的離散性也較強，它們大都針對不同的部件。比如，中央處理器的流水線設計是一個非常重要的知識點，但是這個知識點與其他章節的內容基本無關。又如，包括串口、并口、定時器在內的各類外設接口都是獨立設計的，它們的工作機制和編程方式各有特點，很難總結出公共特性。涵蓋內容多使得學生需要學習很多知識點，知識點離散又進一步增加了學生理解和掌握這些知識點的難度。

2.知識更新快。《計算機原理》課程作為一門基礎課程，需要重點關注計算機組成結構和工作機制最本質、最基礎的部分。但是計算機領域是一個更新發展非常快的行業，很多新技術層出不窮，為了使學生學習到的知識與現實生活的采用技術緊密相關，課程又必須涵蓋業界的一些最新進展。比如，目前固態硬盤已基本成為各類計算機的一種標配，在課程教學中應相應地增加對固態硬盤的介紹，否則學生在學完課程后還是感覺對自己日常接觸的計算機的結構不了解，進而影響學習本課程的收獲感。

3.學生基礎差。非計算機專業的學生在上《計算機原理》課程之前先修的計算機類課程較少，一般只先修了《大學計算機基礎》和《C語言編程》這兩門課程，導致《計算機原理》課程當中遇到的一些基本概念以前沒有接觸過，學習起來難度較大。比如，部分學生對補碼的運算過程理解不清楚，在設置各種溢出標志位時會比較困惑，需要教師從多角度反復講解才能理解。又如，學生之前基本上沒有接觸過三態門的概念，當講解總線連接需要使用三態門時，學生往往難以理解，需要教師及時對三態門的概念做出解釋。

4.課時數量少。與計算機專業一般給《計算機原理》課程安排90甚至上百個課時不同，受限于各自專業的人才培養體系安排，非計算機專業一般只給《計算機原理》課程安排較少的課時數。如何在較少的課時內讓學生學習好《計算機原理》課程無疑是一個較大的挑戰，同時課時數較少也在一定程度上影響了學生對《計算機原理》課程的重視程度。在上述關于《計算機原理》課程的教學特點分析中，第一個特點和第二個特點是計算機專業和非計算機專業存在的共性問題。第三個特點和第四個特點是非計算機專業特有的問題。在面向非計算機專業學生講授《計算機原理》課程時，必須針對這四個特點進行教學實踐活動的設計。

三、課程實踐情況

1.教學內容設計。《計算機原理》課程的教學目標是要求學生理解計算機組成的基本原理和工作過程，但計算機專業和非計算機專業各有側重，計算機專業傾向于教學生設計好計算機，而非計算機專業傾向于教學生用好計算機。教學團隊緊緊圍繞非計算機專業的教學目標選擇合適的教材，對教學內容進行合理地規劃。所選擇的教材是電子工業出版社出版，東南大學楊全勝等人編寫的《現代微機原理與接口技術》，教學內容大部分來自這本教材。輔助教材是機械工業出版社出版，龔奕利等人翻譯的《深入理解計算機系統》。為了讓學生“用好計算機”，教學團隊為課程規劃的教學內容充分強調了對使用計算機的重視，使用計算機的一個重要方式是接口編程，因此課程將大量內容用于講解IO接口技術，并詳細講解了三款接口芯片的使用，包括8254定時器芯片、8255并口芯片和8259中斷控制器芯片。教學團隊對每一講的內容都精心設計，充分考慮非計算機專業學生的需求和他們的計算機基礎，將每一講教學重點集中于一些原理性的、根本性的概念上，對一些較復雜的與計算機使用關聯不大的內容則采取略講的方式。比如，在講解處理器結構與原理一講時，亂序執行是提升計算機性能的一個重要手段，因此重點介紹了指令亂序執行的過程，并重點解釋了它能獲得性能提升的原因。但是亂序執行的實現涉及到許多復雜的硬件結構，如保留站、重排序緩沖等，這些硬件結構與使用計算機關聯不大，因此課程對它們進行了略講。又如，Cache是一種典型的挖掘程序局部性的結構，因此cache結構是存儲器系統一講的一個重點，但是cache的替換較為復雜，存在各種不同的替換算法，課程對它們進行了略講。通過精講和略講相結合的方式，重點突出了與用好計算機最相關的內容，同時也對相對較復雜的一些設計進行了簡單介紹，方便有興趣的學生進一步學習。針對課程知識更新快的特點，為了充分調動學生學習的興趣和積極性，課程將一些業界最新進展引入了教學內容中，包括GPU結構及其對并行性的挖掘、固態硬盤結構、多核處理器結構、2.5D堆疊存儲的設計等。學生通過學習這些緊貼業界進展的知識，提高了他們將所學知識應用到現實生活中的能力，提高了他們學習這門課程的收獲感。

2.教學方法設計。由于非計算機專業學生的計算機基礎較差，為易于學生理解和掌握課程的知識點，教學團隊在教學中大量采用與現實生活貼近的比喻。比如，使用洗衣服的過程來解釋流水線的工作原理，洗衣服需要洗衣、烘干和熨燙三個步驟，正好跟一個三級流水線相對應。又如，中斷和異常是兩個容易混淆的概念，兩者都會打斷處理器當前的任務執行，區別在于中斷是由與處理器當前執行任務無關的事件引起的，而異常是由處理器當前執行的任務引起的。為解釋清楚中斷和異常這兩個概念，教學團隊引入了現實生活中的一個例子：假設某人正在吃飯，此時電話鈴響就是一個中斷事件，而如果吃飯過程中被魚刺卡住了喉嚨，就是一個異常事件。

3.實驗設計。《計算機原理》課程是一門對實踐性要求較高的課程，學生必須通過動手實驗才能充分理解所學到的理論知識。為此，教學團隊為課程設計了六次實驗，具體內容如表1所示。

匯編語言是使用計算機的一個重要工具，學生通過編寫匯編程序能更好地理解計算機的組成結構和工作原理，因此教學團隊為匯編語言設計了三個實驗，分別是標志寄存器的設置、分支程序的設計和子程序的調用設計。匯編語言編程是基于Emu8086工具開展的，Emu8086模擬了一個8086處理器平臺，支持單步執行、查看各種寄存器和存儲器的值。為了加深學生對cache的理解，教學團隊在存儲系統一講中安排了一次關于cache的實驗，實驗要求學生完成查看本地cache的結構信息、編程驗證cache行的大小、cache失效率的統計、cache禁用和啟用等操作。實驗過程使用valgrind軟件中集成的cachegrind工具統計cache失效次數。Cache的禁用和啟用是通過使用匯編語言對CR0寄存器進行設置實現。

最后兩次實驗是接口編程實驗，分別在TMC-2開放式實驗箱上進行定時器編程和并行接口編程，定時器編程需要基于8253定時器完成一個音樂跑馬燈和一個音樂盒的實現，并行接口編程需要基于8255并口芯片完成三種方式的通信實驗，并且在進行方式1實驗時發出中斷請求。接口編程需要使用匯編語言，因此也進一步鍛煉了學生的匯編程序設計能力。

4.習題設計。針對《計算機原理》課程存在知識點離散的特點，教學團隊精心設計了一些能將多個知識點串聯起來的習題，學生通過完成這些習題能較好地將多個知識點聯系成一個完整的整體，加深他們對這些知識點的理解和應用能力，本節簡要地給出一個例子。

Cache結構和虛存管理：傳統教學方法一般為cache結構和虛存管理設置獨立的習題，導致學生即使能較好理解這兩個知識點，但也無法將它們串聯成一個整體。為此，教學團隊特意設計了如下類型的習題。

這個習題要求學生理解對一個虛擬地址的訪問過程，訪問涉及到如下步驟：（1）通過查找TLB表格將虛擬地址轉換成物理地址，查找TLB表格需要確定虛擬地址中哪些位分別表示頁內偏移、虛頁號和TLB標記；（2）獲得虛頁號和TLB標記后，訪問TLB表格。如果TLB命中，就將虛頁號轉換成物理頁號，得到物理地址；（3）如果TLB缺失，接下來就訪問頁表，從頁表中獲得物理頁號，得到物理地址；（4）CPU得到物理地址后，訪問L1D cache。訪問L1D cache需要確定物理地址中哪些位分別表示cache行內偏移、cache行號和cache標記；（5）獲得cache行號和cache標記后，訪問L1D cache。如果cache命中，則返回L1D cache中的數據。如果cache缺失，則訪問主存。從上述過程可以看出，本習題較好地將虛存管理和cache訪問兩個知識點整合在一起，完成本習題需要學生掌握虛擬地址到物理地址的轉換機制以及cache的訪問過程。除了上述例子外，教學團隊還精心設計了許多其他串聯多個知識點的習題，包括綜合使用8253定時器芯片、8255并口芯片和8259中斷控制器芯片的習題，綜合磁盤訪問、主存訪問和cache訪問的習題。通過類似的綜合性習題的設置，較好地提高了學生有效掌握多個知識點的能力，加深了學生對完整主機的理解和掌握。

四、教學效果

教學團隊針對課程教學效果進行了統計分析。2017年秋季學期教學團隊共承擔了兩個班的教學任務，教學團隊通過多種手段提高了學生學習的積極性和興趣，兩個教學班的大部分學生都能集中精力聽講，學生上課睡覺的現象得到顯著改善。

五、結語

如何面向非計算機專業學生講授好《計算機原理》課程是一項較具挑戰性的工作。教學團隊針對非計算機專業《計算機原理》課程內容多、知識點離散、知識更新快、學生基礎差和課時少等特點，對教學內容、教學方法、實驗和習題進行了精心地設計，取得了良好的教學效果。

參考文獻：

[1]任江春，肖儂，王志英，唐玉華.“計算機原理”課程教學模式的新探索[J].計算機教育，2008，（22）：111-112.

[2]晏伯武.計算機組成原理的教學探討[J].福建電腦，2017，（9）：64-65.

[3]陳微，梁正發，唐玉華，王志英，肖儂.計算機原理課程實驗探索[J].計算機教育，2014，（15）：23-27.