人工智能時代計算機組成原理課程教學探索與實踐

李忠玉 劉桄序 王惠清

摘要：為了適應人工智能時代對新工科人才的培養需要，結合成都師范學院計算機科學學院計算機科學與技術專業人才培養特色，分析了“計算機組成原理”課程在理論教學環節和實踐教學環節存在的問題，提出了人工智能時代“計算機組成原理”課程教學改革思路，通過教學內容和教學模式的創新，引導學生主動學習理論知識，培養學生理實結合的能力。

關鍵詞：人工智能;教學改革;計算機組成原理

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）22-0108-03

開放科學（資源服務）標識碼（0SID）：

計算機科學與技術專業人才培養旨在培養掌握計算機軟硬件及應用基礎知識、基本方法和技能，熟練掌握現代計算機軟硬件環境和工具的使用，了解專業學科前沿發展動向，具備扎實基礎理論、寬泛專業知識、良好素養和創新意識、較強的計算機應用系統分析設計和工程實踐能力的新工科復合型人才[2]。計算機組成原理作為計算機科學與技術專業的一門核心專業基礎課，起著承上啟下的作用，是計算機科學與技術專業學生學好后續眾多的計算機專業課的重要保障。由于計算機組成原理在計算機專業課程中的重要地位，使得目前擁有計算機類相關專業的高校對該課程的教學均比較重視，進行較多的教學改革工作并取得了一定的成果。高等教育是我國新興人才培養的主要途徑，其目的是為國家輸送前沿型、應用型及創新型人才。所以高等教育課程建設應該與學科前沿密切結合，不僅培養學生扎實的專業基礎知識，同時培養學生時刻把握前沿動態，能夠獨立創新的能力[3]。

人工智能作為計算機科學的一個重要分支，是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學[4]。計算機組成原理課程旨在講授單核處理系統的組成及工作原理[1]，以培養學生熟練掌握計算機整機結構及工作原理為目標，其主要以電子技術基礎、C語言程序設計等為前導課程，以接口技術、嵌入式系統等課程作為后續課程，所涉及的知識主要包括運算器與運算方法、多層次存儲結構、指令系統、中央處理器、總線系統、外存與1/0設備、輸入輸出系統等[2]。人工智能的發展與計算機的發展緊密結合，隨著現代人工智能技術的廣泛應用，將其先進的成果與計算機組成原理課程內容相結合，探索新的教學內容和模式以適應新工科建設人才培養的要求勢在必行。

1 目前教學中存在的問題

計算機組成原理課程內容煩瑣，知識抽象，系統性強，各個模塊的關聯性強且技術更新迭代周期很短，現有的較為陳舊的教學模式所顯現出來的弊端越來越明顯。當下，計算機組成原理教學中存在的問題主要展現在以下幾個方面。

1.1教學內容陳舊，缺乏前沿應用

目前，計算機組成原理課程教學能容還是主要以講述單核的處理機系統的組成為主。內容主要是運算器與運算方法、存儲器、指令系統、總線系統、外存與1/0設備及輸入輸出系統[2]等，這些內容是傳統的計算機組成原理內容體系，例如：CPU部分課程內容還是以8位的單核8086系列為主，但是目前市面上的CPU已經到了4核甚至8核的處理器;明顯課程理論知識與實際市場應用的對接出現了脫軌情況，較為陳舊的教學內容使得目前學生的知識儲備不能充分滿足高等教育對于前沿型、創新型及應用型新工科人才的培養需求。目前的課程教學內容的評價體系缺乏對前沿知識應用的評價標準。

1.2教學方式單一，學生缺乏主動性

計算機組成原理作為計算機類專業的核心基礎課，多數高校目前對于此課程的教學模式還是以老師課堂講授知識點為主;然而本身計算機類專業的學生對硬件的重要性認識不夠深刻，所以在學習硬件類課程時下功夫不夠，直接導致硬件知識相對比較薄弱。如果在講授計算機組成原理這門知識點晦澀，難度較大的課程時依然采用滿堂知識講授的教學方式，忽略學生應用能力和創新思維的培養，一味地讓學生死記硬背知識點，這樣會導致學生學習難，教師授課難的雙難境地。同時，在傳統的教師模式中，教師是課堂的中心，學生在課堂上只能被動的聽、記，缺乏主動的思考與討論環節，且計算機組成原理內容多，學時普遍較短，這就無形中加重了學生課堂的學習任務。

1.3實驗教學環節重視不夠，與前沿應用脫軌

目前多數本科院校對于計算機組成原理課程的實驗教學環節重視程度不夠，存在實驗學時較短，實驗設備不足，實驗環節與理論環節進度脫節，實驗簡單多以驗證性實驗為主的現象，學生在進行實驗時缺少親自動手搭建電路、調試電路的機會，更不用說開展結合前沿技術的綜合性實驗;因此目前存在的計算機組成原理的實驗教學環節與培養人工智能時代的應用型新工科人才培養目標出現了一定的脫節。因此，計算機組成原理的實驗環節沒有達到既定的理實相結合的目的，無法引導學生認識課程的重要性，同時也無法讓學生掌握前沿的技術動態。

1.4缺乏有效的課程考核方式和評價標準

教學質量是高校生存與發展的根本;課程評價是對課程決策與管理成效，對課程開發、設計過程和課程體系整體系統，對課程的目標、課程材料、課程組織、課程實施及其結果等方面的評價，即包含顯性課程也包含隱性課程[7]。課程考核是既是為了評價學生對課程的學習的知識的掌握情況，幫助教師更好的教，學生更好的學，同時也是為了對學生階段性學習做出客觀公正的評價，使學生更加明確自己的學習方向，盡快找到更加適合自己的學習方法，掌握課程知識。因此科學有效的課程考核方式和評價標準能夠更好地促進教師的教學與學生的學習，但是目前計算機組成原理課程的考核方式主要還是期末的閉卷筆試，評價標準還是多以考試分數作為主要依據。學生在該考核標準下顯然不能更有效的學以致用，所以目前計算機組成原理的考核方式與評價標準無法滿足新時代背景的人才培養要求。

2 理論教學改革探索

課程的理論教學部分是一門課程教學非常重要的組成部分，然而計算機組成原理課程理論教學部分教師反映課難上，學生普遍反映難聽懂，很難理解且不知道怎么應用。針對這些問題，成都師范學院計算機科學學院計算機組成原理課程組，結合目前廣泛的人工智能技術應用背景，對該課程進行了理論教學部分的改革探索，以增加課程知識的實用性、創新性與前沿性為目標，從理論教學內容的制定、教學方式方面進行革新，使學生能夠更加有效地掌握計算機組成原理的經典硬件模型并能較為準確的把握技術的時代前沿。

2.1 合理調整教學內容

計算機組成原理課程目前的教材多是講授單核處理系統的組成與工作原理，以講述經典的硬件系統為主。在當前人工智能技術廣泛應用的時代背景下，以培養學生創新能力與解決實際應用問題為目標的新工科培養要求，合理調整教學內容，拓展教學資源，對于該課程理論內容的教學從以下幾個部分進行。

第一部分，介紹人工智能與計算機系統概述。介紹人工智能技術的體系及常見的人工智能算法;計算機的分類和應用;計算機的硬件;計算機的軟件;計算機系統的層次結構。進一步闡述人工智能與計算機之間的內在聯系，其不僅從軟硬件還從網絡層面影響計算機的發展。

第二部分，介紹運算器與運算方法，計算機運算能力與人工智能技術之間的聯系。闡述二進制編碼，數制轉換，定點小數和整數的原、反、補碼表示;定點加法、減法運算;定點乘法運算;定點除法運算;定點運算器的組成;浮點運算方法和浮點運算器，引導學生理解人工智能技術與計算機運算能力之間的關系。

第三部分，介紹存儲設備;闡述隨機讀寫存儲器;只讀存儲器和閃速存儲器;高速存儲器;cache存儲器;虛擬存儲器;外存的基本原理;引導學生了解人工智能技術與大數據技術的實現與存儲設備之間的內在聯系。

第四部分，介紹指令系統與總線通信，介紹指令系統的發展與性能要求;指令格式;指令和數據的尋址方式;堆棧尋址方式;典型指令及總線的概念和結構形態;總線接口;總線的仲裁、定時和數據傳送模式與幾種經典總線;引導學生從局部向整體理解指令系統，并進一步介紹ARM指令集與I2C總線、USB總線等幾種常用總線。

第五部分，中央處理器;主要介紹CPU的功能和組成;指令周期;時序產生器和控制方式;微程序控制器;微程序設計技術;硬布線控制器;傳統CPU;流水CPU;RISC CPU;多媒體CPU等，引導學生理解集成電路的思想，AI硬件最大的特點就是集成化和內聯化，將智能化的CPU、GPU等聯系起來融合圖像、語音、自然語言處理的多種功能。

第六部分，1/0設備與輸入，輸出系統;主要介紹外圍設備;顯示設備;輸入設備和打印設備;外圍設備的定時方式與信息交換方式;程序中斷方式;DMA方式;通道方式;通用1/0標準接口等內容，結合人工智能技術應用場景，引導學生掌握所學知識的最新應用動態。

2.2 創新教學模式

計算機組成原理課程內容抽象，知識點眾多，其包含的技術在不斷地迭代更新，授課教師在教學過程中如果單純按照傳統的方法進行教學的話，顯然無法滿足新工科人才培養目標，因此需要創新教學模式，本課題的教學方式的革新可以從以下幾個方面人手：

1）建立以學生為中心的課堂教學模式;傳統的教學模式課堂以教師講，學生的聽、做筆記為主，多數教師過分依賴電子課件，導致課堂氣氛枯燥、乏味，教師與學生之間缺少課堂的互動。因此教師課堂教學應進一步提高課件的生動性，可將課件中滿篇的文字敘述，用圖表、動畫、討論、短視頻等多樣化形式代替，輔之以教師的講解，實現理論知識到物理層次的過渡，為知識點中經典模型到實物應用場景搭建橋梁，提高學生的興趣和參與度。

2）增加線上線下及翻轉課堂的混合教學模式，提高學生課程的參與度;計算機組成原理隨時知識點講授的是若干經典模型與理論，但是人工智能作為計算機重要的一個分支，使得新背景下的計算機組成原理教學應在一定的程度上增強前沿性與探索性，因此在教學過程中可在某些章節增設翻轉課堂模式，增強學生的主動參與性;目前各學科的網絡資源非常豐富，中國大學生慕課、智慧樹等等網絡教學平臺有豐富的優質課資源。因此對于計算機組成原理課程教學過程中，應該講一些優質的網絡資源引入，可以增設課下慕課教學環節，讓學生進行課下學習，然后到課上進行討論和答辯，幫助學生有效提升自主學習的能力。

3）理論課堂增設實物教學環節，多采用引導式，啟發式教學;在進行多媒體教學過程中，可以在課程硬件類知識的學習過程中結合實物進行現場教學，例如：講解CPU、存儲器、總線、輸入/輸出系統、外存等等教學時可將實物帶人課堂進行展示引導學生思考，啟發學生進行多維度的學習，可以幫助學生更加形象地理解知識。

3 實驗教學改革探索

計算機組成原理課程在多數高校存在實驗學時比例低，實驗設備不足，老舊等情況。因此本課程在實驗教學環節可從以下幾個方面進行改革探索：

1）適當增加實驗學時。對于應用型本科院校，目標是培養服務區域經濟的應用型人才，計算機組成原理就課程本身而言，本來是一門實用性較強的課程，應該在增強學生在學習過程中實驗學時，提高學生實踐參與度。

2）以驗證性、設計性及綜合性實驗為主線進行實驗設計。在實驗教學過程中，教師可以將一個較大綜合性的項目（最好是一款實際應用的產品）的模塊拆分成驗證性、設計性和綜合性實驗環節，使學生完成各個環節及最終環節實驗后能夠看到自己完成了一個能夠用以實際應用的產品，提高學生興趣，培養學生實際產品開發能力。

3）增設仿真實驗環節。對于理論知識中較為晦澀的難點，設計仿真實驗，引導學生通過動手仿真實驗，靈活的掌握所學。

4 優化課程考核模式與評價

科學合理的課程考核與評價模式是保證學生更好掌握所學知識的有效途徑，學生可以在考核過程中，了解自己的知識盲點，及時地查漏補缺。對于課程的評價體系可從以下幾個方向進行改革探索：

1）理論知識體系評價。對于理論知識體系的評價可以采用期末閉卷考試、章節問題討論、知識點翻轉課堂相結合的模式進行考核評價。即期末從整體評價角度采用閉卷考試，考試內容涉及本課程重難點知識點，在試卷最后設計一道開放型的問題，考查學生對課程前沿知識的掌握;每一章節設計重難點知識點討論，每個同學通過網教平臺發表自己對于問題的看法;對于較為前沿應用較為廣泛的知識采用翻轉課程形式，讓學生自己查閱資料學習后在課上與同學分享;這三個環節均設置一定比例分數。

2）實驗考核評價。針對驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗分類別設計評價標準，可以從實驗態度、實驗過程、實驗結果、實驗報告、小組分工答辯這幾個方面設置一定比例的成績完成實驗考核。著重考查學生對實驗項目的構想，實驗步驟的規劃，實驗過程中遇到問題的解決能力，答辯環節考察學生的團隊協助，臨場應變及對實驗項目的拓展能力。

5 結語

本文針對新的時代背景下“計算機組成原理”課程教學過程中存在的問題進行了剖析，從理論教學，實驗教學及課程考核評價體系三個層面結合應用型本科院校在培養新工科人才目標及課程組的授課經驗方面提出了一些改革建議。今后課題組將根據實際教學需要進一步優化計算機組成原理課程的各個教學環節;同時現在各大學科競賽為高校學子提供了良好的實踐平臺，也為今后的課程教學改革提出了新得挑戰，以賽促學，以賽促教為今后學生課程學習與教師的課程教學指明了方向。

參考文獻：

[1]李忠玉.《計算機組成原理》課程在應用型本科教學中的探索[J].科技資訊，2018，16（10）：199-201.

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[3]劉輝，等.“人工智能+”背景下“電力電子技術基礎”課程教學改革[J].教育現代化，2019，6（97）：66-68.

[4]史忠植.高級人工智能[M]. 2011.

[5]王寬仁.應用型本科院校專業課程質量標準精細化建設研究[J].西部素質教育，2015，1（15）：9-10.

[6]林清華，何恩基.什么是一堂好課？——課堂教學評價標準研究述評[J].中小學管理，2004（6）：23-26.

[7]焦雅萍.論新課程理念下的課程品質及評價標準[J].教學與管理（理論版），2011（7）.

【通聯編輯：王力】

基金項目：成都師范學院教改項目：“人工智能”背景下《計算機組成原理》課程質量標準及評價體系研究（No.2019JG21）

作者簡介：李忠玉（1990-），男，四川成都人，通信作者，博士，講師，研究方向為人工智能、物聯網、智能教育;劉桄序（1977-），男，四川廣元人，碩士，副教授，研究方向為嵌入式系統、智能硬件、創新教育;王惠清（1983-），男，山西原平人，博士，講師，研究方向為人工智能、云計算、大數據。