以計(jì)算機(jī)組成原理為核心的計(jì)算機(jī)硬件課程的建設(shè)與研究

陳 梟 譚慧敏

沈陽師范大學(xué) 遼寧沈陽 110034

1 概述

我國(guó)由于缺乏高端光刻機(jī)技術(shù),在芯片制造領(lǐng)域短時(shí)間內(nèi)還很難實(shí)現(xiàn)突破,特別是近些年在經(jīng)濟(jì)全球化背景下,各國(guó)科技競(jìng)爭(zhēng)加劇,高端芯片研發(fā)以及制造的競(jìng)爭(zhēng)尤為激烈,我國(guó)在這一領(lǐng)域面臨的形勢(shì)更加嚴(yán)峻,迫切需要取得重大突破。高校作為相關(guān)專業(yè)人才的主要培養(yǎng)單位,需要為學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間開設(shè)計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)課程,幫助學(xué)生建立完整的計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)體系和扎實(shí)的硬件知識(shí)基礎(chǔ),為學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)深造或從事相關(guān)工作做好準(zhǔn)備[1]。

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的核心課程之一,該課程系統(tǒng)地介紹計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及各組成部分的工作原理,以培養(yǎng)學(xué)生硬件分析和設(shè)計(jì)的基本技能和方法為目標(biāo)。這門課作為本科教學(xué)中計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)課程中的重要核心課程,是學(xué)生建立完整硬件知識(shí)體系的關(guān)鍵,也是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生考取碩士研究生全國(guó)統(tǒng)一命題或院校自主命題考試的必考科目。相較于其他專業(yè)課程,計(jì)算機(jī)組成原理課程內(nèi)容更加側(cè)重于計(jì)算機(jī)底層結(jié)構(gòu)和整體架構(gòu),對(duì)學(xué)生硬件先導(dǎo)課知識(shí)儲(chǔ)備以及綜合運(yùn)用相關(guān)知識(shí)的能力要求也更高,這都使得學(xué)生很難在計(jì)算機(jī)組成原理課程學(xué)習(xí)過程中獲得成就感,乃至進(jìn)一步失去了學(xué)習(xí)該課和其他硬件課程的興趣和動(dòng)力。因此,如何調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性,打破當(dāng)前計(jì)算機(jī)硬件課程學(xué)習(xí)的困境,是每一名從事相關(guān)課程教學(xué)工作的教師都應(yīng)該深刻思考的問題[2-3]。

2 地方高校本科計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

筆者作為地方高校一名計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的專任教師,多年從事計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)工作,長(zhǎng)期為軟件工程專業(yè)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生講授計(jì)算機(jī)組成原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電路等多門計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)課程。為了更好地開展這些課程的教學(xué)工作,筆者在課下深入學(xué)習(xí)和調(diào)研了多所省內(nèi)地方高校計(jì)算機(jī)和軟件工程相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)方案和課程的教學(xué)大綱,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)高校都開設(shè)以下計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程中的一門或者幾門,這些課程包括:模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)組成原理,但每所高校相關(guān)專業(yè)都至少開設(shè)了計(jì)算機(jī)組成原理這門課;也發(fā)現(xiàn)不同高校同一專業(yè)或者同一高校不同專業(yè)開設(shè)的課程數(shù)量存在差異,即使開設(shè)了同一門課程,為課程設(shè)置的教學(xué)學(xué)時(shí)也各有不同。下面以筆者工作單位——沈陽師范大學(xué)為例,詳細(xì)介紹當(dāng)前本科相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)方案中計(jì)算機(jī)硬件課程設(shè)置的現(xiàn)狀。

沈陽師范大學(xué)開設(shè)計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的下級(jí)學(xué)院僅有軟件學(xué)院,學(xué)院開設(shè)的專業(yè)有軟件工程、網(wǎng)絡(luò)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)三個(gè)專業(yè),其中計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)又在專業(yè)內(nèi)部細(xì)化出三個(gè)專業(yè)方向,分別是嵌入式應(yīng)用、商務(wù)數(shù)據(jù)分析、計(jì)算機(jī)師范。在這三個(gè)專業(yè)的培養(yǎng)方案中,軟件工程專業(yè)開設(shè)的硬件相關(guān)課程僅有計(jì)算機(jī)組成原理一門,網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)開設(shè)了模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)組成原理三門硬件基礎(chǔ)課程,計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)所有專業(yè)方向都開設(shè)了與網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)相同的三門硬件基礎(chǔ)課程,其中的嵌入式應(yīng)用方向又為學(xué)生開設(shè)了其他幾門與嵌入式開發(fā)有關(guān)的專業(yè)方向課。這就使軟件工程專業(yè)的學(xué)生缺少模擬電子和數(shù)字電子技術(shù)這兩門先導(dǎo)課的有關(guān)知識(shí),給該專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理這門課帶來很大的困擾。為了達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果,學(xué)校要求同一門課的學(xué)時(shí)設(shè)置必須是統(tǒng)一的,所以計(jì)算機(jī)組成原理這門課的總學(xué)時(shí)、理論授課學(xué)時(shí)、實(shí)踐授課學(xué)時(shí)在所有開設(shè)專業(yè)的培養(yǎng)方案中都是一樣的,這就使軟件工程專業(yè)學(xué)生很難在有限的學(xué)時(shí)獲得與其他專業(yè)相同的教學(xué)效果。解決這一問題的最簡(jiǎn)單方法就是在軟件工程專業(yè)培養(yǎng)方案中加入模擬電子和數(shù)字電子技術(shù)兩門課,而這又會(huì)帶來新的問題。當(dāng)前高校學(xué)生學(xué)習(xí)普遍采用學(xué)分制,每位學(xué)生達(dá)到本科畢業(yè)要求需要學(xué)習(xí)的學(xué)分是一定的,但不同專業(yè)之間需要學(xué)習(xí)的課程體系有很大的不同。軟件工程專業(yè)在開設(shè)專業(yè)必要的課程后,剩余可供硬件相關(guān)課程分配的學(xué)分極其有限。當(dāng)然這樣的課程設(shè)置方式也是學(xué)院廣泛調(diào)研同層次高校軟件工程專業(yè)培養(yǎng)方案后確立的,所以其存在的問題也具有一定的典型性,在其他同層次高校軟件工程專業(yè)中也同樣存在這一問題。網(wǎng)絡(luò)工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)兩個(gè)專業(yè)將這三門硬件基礎(chǔ)課分別安排在了連續(xù)三個(gè)學(xué)期進(jìn)行學(xué)習(xí),時(shí)間跨度較大,學(xué)生很難獨(dú)立建立計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)體系。

基于以上計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)現(xiàn)狀的分析,本文提出整合模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)組成原理三門課程的內(nèi)容,創(chuàng)建一門以計(jì)算機(jī)組成原理為核心的計(jì)算機(jī)硬件專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程內(nèi)容以計(jì)算機(jī)組成原理課程知識(shí)點(diǎn)為核心,輔以模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)相關(guān)內(nèi)容,打造全方位立體本科計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)體系。新課程的設(shè)立不但有利于學(xué)生打破傳統(tǒng)硬件課程間的邊界,將所學(xué)硬件知識(shí)融會(huì)貫通,也有利于學(xué)校和學(xué)院對(duì)計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)計(jì)算機(jī)硬件課程統(tǒng)一管理。本文接下來從理論教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)體系設(shè)計(jì)三個(gè)方面詳細(xì)闡述新課程的建設(shè)方案。

3 以計(jì)算機(jī)組成原理為核心的計(jì)算機(jī)硬件課程建設(shè)方案

3.1 理論教學(xué)設(shè)計(jì)

篇幅所限,本節(jié)以計(jì)算機(jī)組成原理課程重點(diǎn)章節(jié)——存儲(chǔ)系統(tǒng)一章中的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器的擴(kuò)展兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)為例,詳細(xì)介紹新課程理論教學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)容。

3.1.1 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器包括以靜態(tài)MOS存儲(chǔ)元為基本單元的靜態(tài)MOS存儲(chǔ)器、以動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)元為基本單元的動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)器和采用多種制造工藝的只讀存儲(chǔ)器。在這一小節(jié)的理論教學(xué)設(shè)計(jì)中,加入模擬電子技術(shù)課程中半導(dǎo)體基本概念、二極管和三極管的結(jié)構(gòu)特性、電路特性;數(shù)字電子技術(shù)課程中半導(dǎo)體二極管、三極管、MOS管的開關(guān)特性,特別是含有電容器件的電路開關(guān)特性。通過以上先導(dǎo)課知識(shí)的講授,學(xué)生能夠更加透徹地理解和熟練掌握不同類型存儲(chǔ)器的讀寫操作方式及其重要特性。

3.1.2 存儲(chǔ)器的擴(kuò)展

由于存儲(chǔ)芯片的容量及字長(zhǎng)與目標(biāo)存儲(chǔ)器的容量及字長(zhǎng)之間可能存在差異,應(yīng)用存儲(chǔ)芯片組成一定容量與字長(zhǎng)的存儲(chǔ)器時(shí),一般可采用位擴(kuò)展、字?jǐn)U展、字位同時(shí)擴(kuò)展等方法。存儲(chǔ)器的擴(kuò)展作為存儲(chǔ)系統(tǒng)這一章的重點(diǎn)和難點(diǎn),在擴(kuò)展過程中需要使用大量存儲(chǔ)芯片、基本邏輯門、譯碼器等相關(guān)元器件,其中涉及的基本邏輯門和譯碼器都是數(shù)字電子技術(shù)課程中的重要基礎(chǔ)知識(shí)。在新課程的實(shí)際教學(xué)過程中需要加入對(duì)這些知識(shí)的講解,而且最好在介紹基本邏輯門的同時(shí)進(jìn)一步展開介紹復(fù)合邏輯門、集成邏輯門等;在介紹譯碼器時(shí)適當(dāng)加入邏輯代數(shù)及其基本運(yùn)算、邏輯函數(shù)代數(shù)化簡(jiǎn)法和卡諾圖化簡(jiǎn)法以及譯碼器的其他應(yīng)用等相關(guān)內(nèi)容。學(xué)生在學(xué)習(xí)完這些內(nèi)容后,可以從根本上理解存儲(chǔ)器擴(kuò)展中每個(gè)元器件的作用和設(shè)計(jì)原理。

通過對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程所有知識(shí)點(diǎn)采用以上教學(xué)設(shè)計(jì)方式開展教學(xué),學(xué)生可以對(duì)計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)掌握得更加全面,也可以更好地將計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)融會(huì)貫通,建立起跨越傳統(tǒng)硬件課程邊界的立體知識(shí)體系。

3.2 實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

目前地方高校計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)踐教學(xué)普遍采用的方案主要有兩類:以硬件實(shí)驗(yàn)箱為代表的硬件仿真和以logisim為代表的軟件仿真。其中硬件仿真被國(guó)內(nèi)高校實(shí)踐教學(xué)采用的時(shí)間較早,該方案讓學(xué)生利用實(shí)際硬件完成所學(xué)理論知識(shí)的驗(yàn)證和設(shè)計(jì)創(chuàng)新,通過實(shí)踐與理論相結(jié)合達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果,但也存在一些弊端,首先就是由于學(xué)生都是計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)的初學(xué)者,在實(shí)踐教學(xué)過程中經(jīng)常會(huì)由于一些誤操作導(dǎo)致硬件實(shí)驗(yàn)箱元器件損壞,有時(shí)一個(gè)輪次的實(shí)踐教學(xué)就會(huì)有相當(dāng)比例的硬件實(shí)驗(yàn)箱損壞。如果不能及時(shí)更新維護(hù),就會(huì)影響之后的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng),較高頻次的更新維護(hù)也給辦學(xué)單位增加了人力和物力成本。軟件仿真被采用的時(shí)間相對(duì)較晚,其對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求僅為普通計(jì)算機(jī),仿真軟件的安裝和使用簡(jiǎn)單,允許使用者反復(fù)修改硬件設(shè)計(jì)方案,特別是對(duì)學(xué)生來說試錯(cuò)的成本很低,很快就得到大范圍的使用。

近年來,隨著教育部及省級(jí)有關(guān)部門提出在高等院校建設(shè)以“金課”為代表的高質(zhì)量課程,線上線下混合教學(xué)模式這一新穎的教學(xué)模式由于兼顧二者的優(yōu)勢(shì)在高校教學(xué)中被廣泛使用。傳統(tǒng)的線下教學(xué)模式中師生面對(duì)面進(jìn)行教學(xué)活動(dòng),師生溝通及時(shí)順暢,本節(jié)討論的硬件仿真實(shí)踐教學(xué)非常適合采用這種教學(xué)模式,這是因?yàn)橛捎谵k學(xué)成本、實(shí)踐場(chǎng)地、需要專業(yè)人員指導(dǎo)等因素的限制,學(xué)生很難在課下使用類似硬件實(shí)驗(yàn)箱這類的實(shí)踐教學(xué)器材;而軟件仿真所需實(shí)驗(yàn)條件要求不高,采用線上和線下教學(xué)模式都可以取得良好的教學(xué)效果,但線上教學(xué)模式可以使學(xué)生從時(shí)間、空間兩個(gè)方面更為靈活地完成實(shí)踐學(xué)習(xí)任務(wù)[4-5]。

通過以上對(duì)硬件課程中軟硬件仿真實(shí)施方案的利弊及其與線上線下教學(xué)模式結(jié)合的詳細(xì)分析,在以計(jì)算機(jī)組成原理為核心的計(jì)算機(jī)硬件課程理論教學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,提出在新課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中采用軟硬件仿真線上線下教學(xué)混合式實(shí)踐教學(xué)方法,即首先在線上平臺(tái)布置實(shí)踐任務(wù),學(xué)生使用仿真軟件完成實(shí)踐任務(wù)的初設(shè)計(jì),任課教師使用線上平臺(tái)指導(dǎo)學(xué)生反復(fù)修改并最終確定實(shí)驗(yàn)方案,之后在線下實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中利用硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)已有實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證,這一教學(xué)方法基本符合實(shí)際硬件設(shè)計(jì)工作的實(shí)施流程,極大地提升學(xué)生在硬件相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。另外該方法充分利用已有的軟硬件仿真資源,也有利于辦學(xué)單位在短時(shí)間內(nèi)快速實(shí)施。

3.3 評(píng)價(jià)體系設(shè)計(jì)

以計(jì)算機(jī)組成原理為核心的計(jì)算機(jī)硬件課程評(píng)價(jià)體系的評(píng)價(jià)指標(biāo)由兩個(gè)部分組成:過程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià),分別占總課程評(píng)價(jià)結(jié)果的40%和60%,過程性評(píng)價(jià)的組成可以包括但不限于學(xué)生的出勤情況、作業(yè)情況、課堂表現(xiàn)情況等,通過這樣的評(píng)價(jià)比重設(shè)置可以充分考查學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中的總體情況,全面客觀地對(duì)學(xué)生課程學(xué)習(xí)成果給予評(píng)價(jià),提升學(xué)生參與課程教學(xué)的積極性,有利于學(xué)生融入課堂、掌握知識(shí),避免一次考試定成績(jī)的偶然性和片面性,盡量兼顧學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)與考試結(jié)果兩個(gè)方面[6-7]。在參照已有課程理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,評(píng)價(jià)體系又對(duì)應(yīng)增加了以下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì):

(1)由于新課程的教學(xué)內(nèi)容包含模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)組成原理三門課程,那么需要根據(jù)以上三門課程中的每一門內(nèi)容講授學(xué)時(shí)占新課程的百分比確定理論作業(yè)和實(shí)踐作業(yè)的數(shù)目以及相關(guān)內(nèi)容在期末試卷考查題目所占分值。

(2)基于實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的變化,將實(shí)踐教學(xué)考查內(nèi)容細(xì)分為軟件仿真實(shí)踐環(huán)節(jié)和硬件仿真實(shí)踐環(huán)節(jié)兩部分,各占實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)過程性評(píng)價(jià)的50%。

以上的課程評(píng)價(jià)體系設(shè)計(jì)中涉及的相關(guān)數(shù)值不是一成不變的,可以根據(jù)每個(gè)輪次授課的具體內(nèi)容和學(xué)時(shí)靈活設(shè)置。

在過去幾年的教學(xué)活動(dòng)中,線上教學(xué)輔助平臺(tái)被廣泛應(yīng)用,線上教學(xué)輔助平臺(tái)應(yīng)用于課程評(píng)價(jià)相關(guān)環(huán)節(jié)可以將教師從簡(jiǎn)單常規(guī)的日常統(tǒng)計(jì)工作中解放出來,節(jié)約有限的課堂教學(xué)時(shí)間,提升教師的工作效率,而平臺(tái)對(duì)于日常評(píng)價(jià)各個(gè)環(huán)節(jié)的記錄結(jié)果也有利于在課程結(jié)束時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行過程性評(píng)價(jià)結(jié)果的計(jì)算、歸納和總結(jié)。評(píng)價(jià)結(jié)果在平臺(tái)上向?qū)W生全面公開,可以使學(xué)生直觀了解到自己的每一項(xiàng)過程性評(píng)價(jià)結(jié)果,有利于提升評(píng)價(jià)結(jié)果的公平性和可信度。線上平臺(tái)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能幫助任課教師快速及時(shí)地獲得教學(xué)反饋,方便教師對(duì)接下來的教學(xué)過程進(jìn)行調(diào)整[8]。本課程評(píng)價(jià)體系將線上教學(xué)平臺(tái)評(píng)價(jià)方式與傳統(tǒng)線下教師評(píng)價(jià)方式相結(jié)合,形成線上線下混合式課程評(píng)價(jià)體系,對(duì)適用于線上平臺(tái)布置完成的教學(xué)內(nèi)容比如課前預(yù)習(xí)內(nèi)容、課上小測(cè)驗(yàn)、課后作業(yè)和實(shí)踐題目的布置,課堂上的出勤簽到等采用平臺(tái)和教師在線上結(jié)合評(píng)價(jià)的方式,而類似于學(xué)生課堂表現(xiàn)這類主觀性比較強(qiáng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)采用教師線下記錄的方式[9]。本課程評(píng)價(jià)體系包含線上教學(xué)平臺(tái)、任課教師、學(xué)生多個(gè)主體,過程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),兼顧線上線下評(píng)價(jià)方式,可為上文提出的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新提供有力的輔助和支撐。通過為學(xué)生的學(xué)習(xí)過程給出一個(gè)全面客觀的評(píng)價(jià)結(jié)果,有效促進(jìn)課程教學(xué)工作的開展。

結(jié)語

本文針對(duì)地方高校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)計(jì)算機(jī)硬件課程設(shè)置中存在的一些問題提出了以計(jì)算機(jī)組成原理課程為核心的新硬件課程,并分別從課程的理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、評(píng)價(jià)體系三個(gè)方面進(jìn)行了創(chuàng)新性的教學(xué)改革和研究,希望通過該課程的實(shí)際教學(xué)幫助學(xué)生打造一個(gè)完整立體的計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)體系,提升學(xué)生在計(jì)算機(jī)硬件方面的專業(yè)素養(yǎng),為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)深造以及實(shí)際工作打下良好的基礎(chǔ)。該課程的實(shí)際教學(xué)過程和學(xué)生反饋結(jié)果表明,學(xué)生對(duì)于課程知識(shí)的理解和掌握有了明顯的改善和提升,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)課程的興趣,學(xué)生課堂參與度大幅提升,獲得了令人滿意的教學(xué)效果。