基于自主可控需求的計算機組成原理教學實踐

黃敏 陳沅濤

[摘 要] 文章從修訂人才培養方案、改進課程的教學內容、方法與考核方式、強化實踐教學、增加集中實踐環節等方面，培養學生具有計算機各部件的設計方法、邏輯實現、建立系統概念及思維的能力，最后達到信息系統自主可控的需求。

[關鍵詞] 自主可控;人才培養方案;課前練習;實踐環節

[基金項目] 2018年湖南省普通高等學校教學改革研究項目（湘教通〔2018〕436號 No.193）;2019年長沙理工大學工程教育專業認證示范工程建設項目（高等教育研究所〔2019〕5號 No.11）

[作者簡介] 黃 敏（1968—），女，重慶江津人，碩士，長沙理工大學計算機與通信工程學院副教授，研究方向為嵌入式系統與應用。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）42-0194-03? ? [收稿日期] 2020-03-04

一、研究背景

隨著近幾年中美貿易摩擦在科技領域愈演愈烈，國內對信息系統自主可控的需求也越來越強烈。計算機組成原理作為計算機及其相關專業的一門核心硬件課程，對信息系統自主可控的作用就越來越重要，其教學重點從以前的掌握“計算機各組成部件的工作原理、建立整機概念”，逐漸過渡到掌握“計算機各部件的設計方法、邏輯實現、建立系統概念及思維”[1]。為此，長沙理工大學計算機科學與技術專業從修訂人才培養方案開始，改進課程的教學內容、方法與考核方式，增加集中實踐環節，加強實踐動手能力的培養，取得了較好的效果。

二、修訂人才培養方案

表1所示是2016級以前與2017級培養方案的對比。由表可知，2017級的培養計劃在計算機組成原理及其先修、后續課程中，都增加了實驗課時，而且在理論和實驗課程結束后，增加了2周的集中實踐環節系統能力綜合實訓。如此修改的目的就是要加強對學生實踐動手能力的培養，尤其是培養學生對計算機硬件部件直至系統的設計能力，最終實現信息系統軟硬件的自主可控的目的。

三、改進理論課程教學內容、教學方法與考核方式

為實現信息系統自主可控的目的，計算機組成原理的教學內容[2]必須增加各部件的設計方法、邏輯實現，最后獲得整機系統，為此，各部分的內容調整見表2。

在2016級以前的培養方案中，計算機組成原理課程的教學重點是掌握“計算機各組成部件的工作原理、建立整機概念”。采用傳統的老師課堂講授為主的教學方法，考核方式以期末考試為主，占總成績的80%;輔以課堂提問加作業，占總成績的10%;實驗占總成績的10%。這樣的比例分配導致大部分學生在臨近考試前才開始背題目、背概念，真正掌握計算機工作原理的人并不多。

在2017級的培養方案中，計算機組成原理課程的教學重點是掌握“計算機各部件的設計方法、邏輯實現、建立系統概念及思維”。計算機組成原理課程的特點是理論性強、概念多，僅靠老師講、學生記都很難理解，而且與軟件類課程不一樣，可以通過編程來驗證自己的理解是否正確，硬件類的概念只能通過做題和大量實踐來驗證理解是否正確。為此，理論課程的教學采用學生課前練習加老師課堂講授的方式，即每次課均有課前練習，主要采用考研真題中的選擇題為主，運用已學習過的理論知識來解決一些實際問題，而且每個題目都涉及多個知識點的綜合應用。學生做完之后，老師公布答案，并給予解釋。對學生理解原理和概念有很大幫助。比如這個題目：“某字長為8位的計算機中，已知整形變量x、y的機器數分別為[x]補=1 1110100，[y]補=1 0110000。若整形變量z=2*x+y/2，則z的機器數為多少。”涉及機器字長、數值數據的編碼、移位運算、溢出判斷等多個知識點，而且與軟件編程相結合，讓學生認識到硬件知識對軟件編程是非常有用的，而不是純粹、枯燥的概念。課前練習是針對已學過的內容來出題的，一方面督促學生課后復習以提高答題準確率;另一方面也將計算機組成原理很多難于理解的概念、原理分散到每節課，減輕學生期末考試的負擔，讓學生不再認為這門課是最難學的課程。課前練習在學校的網絡教學平臺完成，客觀題可以自動評閱并記錄成績，作為平時成績占總成績的20%，課后作業占總成績的15%，課堂提問占總成績的5%，期末考試占總成績的60%。期末做了問卷調查，100%的學生都認可課前練習，對理解枯燥的概念、原理有很大的幫助[3-6]。

四、強化實踐教學，創新實踐教學環節

2016級以前的實驗是課內實驗，10學時，采用SLJZ-1型計算機組成原理教學實驗箱，共開設5個實驗，分別是：靜態隨機存儲器實驗、算術邏輯運算器實驗、數據通路實驗、微程序控制器實驗和基本模型機設計與實現，均是驗證性實驗，配有實驗指導書，只要設備沒問題，跟著步驟做，實驗基本都能完成，對理解各功能部件的工作原理有一定幫助。但實驗箱的硬件設計已固定，初學的學生難以在短時間內熟悉設計及其原理，且設備老化后故障也比較多。每個實驗2學時，設備一旦出現故障，學生很難排除，導致稍微復雜一點的兩個實驗（微程序控制器實驗和基本模型機設計與實現），只有少數學生能完成。而且部分學生因為設備陳舊和老化而難以完成，索性就不去做實驗，最后也能獲得這門課程的學分，因為實驗成績只占總成績的10%。這樣的實驗對培養學生分析問題、解決問題能力的培養收效甚微。

2017級的實驗獨立設課，單獨考核，0.5學分，16學時。采用Logisim仿真平臺，開設的實驗項目及成績比例見表3。

通過這種考核方式得到的學生成績，超過90%的學生都認為是合理的，認可實驗有收獲，掌握了計算機各部件的工作原理和邏輯設計方法。

針對2周的集中實踐環節系統能力綜合實訓，要求每個學生選取8條以上的MIPS指令，設計微程序或硬布線的多周期CPU，需設計數據通路，劃分時序，設計各階段各部件的控制信號，用微程序或硬布線的方式在Logisim仿真平臺實現，最后用冒泡排序或選擇排序的程序給予驗證。考核方式是：題目完成情況的演示與答辯占50%，報告占50%。如果演示沒通過，不管報告如何都不能及格。

五、結語

針對計算機組成原理課程對信息系統自主可控需求的重要性，從修訂人才培養方案，改進課程的教學內容、方法、考核方式，強化實踐教學環節等方面進行教學改革和嘗試，得到了學生的認可，獲得了較好效果。能夠培養學生具有從計算機部件到系統的設計能力，對其他專業課教學也具有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]王志英，周興社，袁春風，等.計算機專業學生系統能力培養和系統課程體系設置研究[J].計算機教育，2013（9）：1-6.

[2]白中英，戴志濤.計算機組成原理[M].第5版.北京：科學出版社，2013：6-11.

[3]蘭勇，張朝陽，王偉，等.計算機組成原理教學改革探索與實踐[J].計算機組教育，2019（1）：13-15.

[4]張銘泉，程曉榮.以能力培養為目標的計算機組成原理教學研究[J].教育教學論壇，2019（11）：221-222.

[5]柳星，袁景凌，饒文碧，等.計算機組成原理實驗改革方法探討[J].計算機組教育，2018（5）：5-9.

[6]高小鵬.計算機專業系統能力培養的技術途徑[J].中國大學教學，2014（8）：53-57.

Teaching Practice of Computer Composition Principle Based on Autonomous and Controllable Demand

HUANG Min，CHEN Yuan-tao

（School of Computer and Communication Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha，Hunan 410114，China）

Abstract：From the aspects of revising the talent training plan，improving the teaching content，teaching methods and assessment methods of the course，strengthening the practice teaching，and increasing the concentration of practice links etc.，we try to train the students to have the ability of designing the computer components，establishing system concept and thinking ability，and finally meet the needs of autonomous and controllable information system.

Key words：autonomous and controllable;talent training plan;practice before class;practice link