摘要：本文針對“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的特點(diǎn)和教學(xué)難點(diǎn)，提出在授課中堅(jiān)持以系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成為主線，以工程應(yīng)用為中心，理論結(jié)合實(shí)踐的教學(xué)思路，對教學(xué)內(nèi)容的安排、授課方式進(jìn)行了新的探索；且在實(shí)踐環(huán)節(jié)注意加強(qiáng)學(xué)生的硬件動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，充分利用多媒體及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)促進(jìn)教學(xué)互動(dòng)和教學(xué)相長。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；課程；教學(xué)改革；教學(xué)互動(dòng)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5913（2007）06-0014-03

“計(jì)算機(jī)組成原理”是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課程。從課程的地位來說，它是“計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)”、“微機(jī)原理與接口”、“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”等課程的先導(dǎo)課程，在整個(gè)專業(yè)課的教學(xué)中，起著承上啟下的作用。它的主要教學(xué)任務(wù)是使學(xué)生能系統(tǒng)地理解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的邏輯組成和工作原理，培養(yǎng)學(xué)生對計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的分析、應(yīng)用、設(shè)計(jì)及開發(fā)能力。

但是“計(jì)算機(jī)組成原理”這門課程具有知識面廣、內(nèi)容多、難度大、抽象等特點(diǎn)，在各個(gè)高校中普遍存在著“教師難教，學(xué)生怕學(xué)”的現(xiàn)象。不少學(xué)生剛接觸到這門課時(shí)，學(xué)習(xí)勁頭很足，但一段時(shí)間以后，就覺得這門課枯燥無味，凌亂繁雜，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣下降，甚至學(xué)習(xí)結(jié)束時(shí)，還未建立起清晰的整體概念，似懂非懂。為了應(yīng)付考試學(xué)生往往死記硬背，從而難以達(dá)到教學(xué)目的。

因此，如何把握課程的主線和重點(diǎn)，使學(xué)生不但打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，同時(shí)具備一定的開發(fā)設(shè)計(jì)和動(dòng)手能力，培養(yǎng)并增強(qiáng)學(xué)生的自信心，改變當(dāng)前學(xué)生中“重理論、輕實(shí)踐，偏軟件、怕硬件”的現(xiàn)象，就成為這門課的授課過程中必須解決的問題。針對課程的特點(diǎn)，我們在教學(xué)實(shí)踐中探索新的教學(xué)方法和模式，在多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了改革和實(shí)踐。

1 精選教材與教參

教材改用蔣本珊編著、清華大學(xué)出版社出版的《計(jì)算機(jī)組成原理》。該教材既強(qiáng)調(diào)了基本概念和基礎(chǔ)知識，又注意與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，并且對許多新技術(shù)和新的發(fā)展方向作了不同程度的介紹。在精選主教材的同時(shí)，為學(xué)生推薦輔助教材如王愛英編著、清華大學(xué)出版社出版的《計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》；William Stallings的《Computer Organization and Architecture》，并引導(dǎo)其閱讀。使學(xué)生們能在學(xué)習(xí)中文教材內(nèi)容的同時(shí)適當(dāng)閱讀英文參考資料，為以后順利查閱專業(yè)英文文獻(xiàn)打好基礎(chǔ)。

與此同時(shí)，推薦《電腦愛好者》、《PC DIY》、《電腦報(bào)》等相關(guān)課外讀物，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并開闊眼界。

2 課堂授課以整體結(jié)構(gòu)為主線，理論結(jié)合實(shí)際

2.1 總體把握、詳略得當(dāng)，避免“碎繁”

在組成原理課程授課中，前后信號聯(lián)系頻繁，容易給人以“繁”的感覺。而 CPU、存儲(chǔ)器、接口、外設(shè)等各自成章，零零碎碎，容易給人以“碎”的感覺；學(xué)生容易把每一章內(nèi)容獨(dú)立起來理解和學(xué)習(xí)，結(jié)果只見樹木不見森林，不能很好地從整體上把握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因此，對授課內(nèi)容的組織作一定的改革，在第一章系統(tǒng)概論講解中，多用一至兩次課的時(shí)間將整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)講授清楚，從結(jié)構(gòu)框圖出發(fā)，整體到部分，然后再回到整體。最終使學(xué)生在進(jìn)入各章節(jié)的學(xué)習(xí)前有一個(gè)較明晰的總體概念。并且，在各章節(jié)的授課中注重培養(yǎng)學(xué)生從總體上把握內(nèi)容，理解本章節(jié)的作用和地位以及和其他章節(jié)內(nèi)容在總體結(jié)構(gòu)上的聯(lián)系。

在授課內(nèi)容安排上注意做到詳略得當(dāng)，對重點(diǎn)和難點(diǎn)多作分析和講解，如編碼和譯碼、CPU數(shù)據(jù)通路、輪詢和中斷等概念的講解。

這些概念都比較抽象難懂，可多用生活中的例子作啟發(fā)。例如：編碼和譯碼可以通過實(shí)際設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)程搶答系統(tǒng)為例說明編碼譯碼的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)；CPU數(shù)據(jù)通路系統(tǒng)可通過供水管網(wǎng)控制，或河流渠道的閘門控制比喻說明；輪詢和中斷則通過比較教師挨個(gè)收作業(yè)和科代表收齊作業(yè)后上交兩種方式進(jìn)行說明。而對比較次要的技術(shù)或在后續(xù)課程中有詳細(xì)講解的內(nèi)容，如磁帶存儲(chǔ)器、ISA總線、虛擬存儲(chǔ)器、流水線等，則在授課時(shí)只作簡要介紹。

2.2 理論推導(dǎo)結(jié)合工程發(fā)展與應(yīng)用避免“亂”

由于“計(jì)算機(jī)組成原理”這門課程幾乎沒有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，工程技術(shù)性強(qiáng)，表面看像各種技術(shù)介紹的簡單堆疊，容易給人以“亂”的感覺；因此在授課中主要從三個(gè)方面改進(jìn)：

一是對能推導(dǎo)的部分適當(dāng)給出一定的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，如數(shù)據(jù)校檢原理，指令編碼、數(shù)值的機(jī)器運(yùn)算，Cache訪問時(shí)間等，從而形成較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撘罁?jù)。

二是從技術(shù)發(fā)展的角度講解，通過歷史事例說明工程技術(shù)的螺旋上升發(fā)展過程，從而自然引出現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)。例如在講解比較RISC和CISC指令系統(tǒng)時(shí)，以及在講解CPU控制器設(shè)計(jì)的微程序與硬布線時(shí)，給出當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，于是就很自然地得出了：在特定的技術(shù)條件下，一種技術(shù)比其對應(yīng)的技術(shù)更適用，而隨著技術(shù)條件的發(fā)展，適用性可能剛好相反，使得技術(shù)總體呈螺旋上升發(fā)展的趨勢，從而使學(xué)生能夠用比較辯證的觀點(diǎn)來學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)和知識，而不是死記硬背。

三是采用啟發(fā)互動(dòng)的方式，讓學(xué)生根據(jù)要求和條件自己設(shè)計(jì)，最終領(lǐng)悟課程中經(jīng)常涉及的“時(shí)間與空間”、“速度與容量”、“性能與價(jià)格”的權(quán)衡技術(shù)和方法。例如在講解存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)時(shí)，給出各種存儲(chǔ)體的訪問速度、價(jià)格、失配率等，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)存儲(chǔ)系統(tǒng)并比較優(yōu)劣。這樣，通過自己實(shí)際設(shè)計(jì)，學(xué)生在掌握相關(guān)知識的同時(shí)也能深刻體會(huì)到計(jì)算機(jī)組成在很大程度上是一門權(quán)衡的藝術(shù)，而不是凌亂的技術(shù)堆砌，從而培養(yǎng)學(xué)生從多方面思考理解問題。

2.3 結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，補(bǔ)充新內(nèi)容，避免“舊”

組成原理課程授課內(nèi)容涉及的技術(shù)發(fā)展很快，教材難以及時(shí)更新，容易給人以“舊”和“過時(shí)”的感覺，極大地妨礙了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此在授課中注意補(bǔ)充技術(shù)的最新發(fā)展?fàn)顩r，補(bǔ)充相關(guān)的新生事物介紹。如在講解主存儲(chǔ)器時(shí)加入DDRII介紹，結(jié)合課本上的SDRAM，介紹它們的技術(shù)異同并比較相關(guān)技術(shù)參數(shù)；在講解中央處理器時(shí)加入市面上流行的CPU的技術(shù)簡介等。這樣和實(shí)際發(fā)展結(jié)合，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在課程進(jìn)行到期中時(shí)，可以組織同學(xué)進(jìn)行一次“電腦DIY”的討論，要求所選機(jī)器滿足：市場主流配置、性能價(jià)格合理等條件。這樣，可以使同學(xué)們感受到學(xué)以致用的好處，同時(shí)認(rèn)識到自己知識的不足。結(jié)果既使全班同學(xué)增長了實(shí)際技能，又激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)熱情，收到了意想不到的教學(xué)效果。

3 在實(shí)踐環(huán)節(jié)加強(qiáng)硬件動(dòng)手能力

動(dòng)手能力尤其是硬件動(dòng)手能力一直是教學(xué)的軟肋，組成原理的很多概念是在軟件硬件密切配合下形成的，如果脫離實(shí)踐，會(huì)給人以“虛”的感覺。為此，在教學(xué)中加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，我們把培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力放在重要地位。實(shí)踐環(huán)節(jié)分課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)兩部分，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對硬件系統(tǒng)有一定的感性認(rèn)識并鞏固所學(xué)的理論知識，課程設(shè)計(jì)則要求學(xué)生有一定的分析和設(shè)計(jì)能力。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用內(nèi)、外總線結(jié)構(gòu)，按開放式的要求設(shè)計(jì)了各關(guān)聯(lián)的單元實(shí)驗(yàn)電路，系統(tǒng)可按部件層次組合方式逐次構(gòu)造不同結(jié)構(gòu)和復(fù)雜程度的部件實(shí)驗(yàn)電路及模型計(jì)算機(jī)。以此為基礎(chǔ)，有針對性地編寫了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，讓學(xué)生自己動(dòng)手完成各基本單元的連接并驗(yàn)證通過，如運(yùn)算器、存儲(chǔ)器和總線、緩沖、指令部件等單元實(shí)驗(yàn)。最后在課程設(shè)計(jì)階段軟硬件結(jié)合構(gòu)造出一個(gè)完整的模型機(jī)系統(tǒng)。

在傳統(tǒng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)中，學(xué)生對硬件系統(tǒng)組成的理解基本停留在原理圖層面，對實(shí)際的芯片封裝，電氣布線幾乎沒有了解，對實(shí)際的硬件望而生畏。為此，對實(shí)踐環(huán)節(jié)作改進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)原理圖和實(shí)際使用的器件查閱其實(shí)際電氣參數(shù)及封裝等工程說明文檔，并要求在實(shí)驗(yàn)箱中找出具體的芯片位置，說明實(shí)際的數(shù)據(jù)通路等。這樣既培養(yǎng)學(xué)生查閱相關(guān)英文資料的能力，又在一定程度上改善多數(shù)學(xué)生“偏軟怕硬”的狀況。此外，指導(dǎo)部分學(xué)有余力的學(xué)生參與到嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)課題中，以及鼓勵(lì)他們積極參與各種競賽活動(dòng)，可以進(jìn)一步培養(yǎng)其動(dòng)手和創(chuàng)新能力。

4 充分利用現(xiàn)代教學(xué)手段

充分利用現(xiàn)代教學(xué)手段也在一定程度上提高教學(xué)效果。在組成原理課程中，時(shí)序、數(shù)據(jù)通路、存儲(chǔ)管理過程等概念均比較抽象或難懂。但借助多媒體課件，通過生動(dòng)形象的動(dòng)畫效果演示計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及信號流程可以變抽象為具體。形象直觀的演示和強(qiáng)大的交互功能，可以使學(xué)生寓教于樂，極大地改善了課程中枯燥、抽象難懂部分的教學(xué)效果。

此外，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)也是改進(jìn)教學(xué)的重要手段。通過網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生可以下載課件、提交作業(yè)、自我練習(xí)、提出問題和建議。教師可以上傳課件、布置作業(yè)、公布答案、回答問題。通過這種方式，改變了傳統(tǒng)的師生交流方式，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化的教學(xué)互動(dòng)，提高了教學(xué)效率，并獲得了良好的教學(xué)反饋。

練習(xí)和考試也是完成教學(xué)任務(wù)的重要手段。通過建立“計(jì)算機(jī)組成原理”試卷庫和試題庫，可以使考試更加標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。在庫中要力圖體現(xiàn)本課程的特點(diǎn)、重點(diǎn)、難點(diǎn)。通過這樣的考試，可以對考試成績進(jìn)行分析和總結(jié)，進(jìn)一步反映到教學(xué)中去，促進(jìn)教改，圖1是依托學(xué)校精品課程建設(shè)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)。

圖1網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)

總之，“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教學(xué)應(yīng)在把握總體、調(diào)整優(yōu)化內(nèi)容、結(jié)合實(shí)踐等方面積極探索，并充分利用網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)促進(jìn)教學(xué)互動(dòng)和教學(xué)相長，培養(yǎng)大學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐能力以及創(chuàng)新素質(zhì)。同時(shí)也需要計(jì)算機(jī)教育工作者不斷地追求新知識，學(xué)習(xí)新技術(shù)，提高自身知識水平和素養(yǎng)，并積極探索改進(jìn)教學(xué)方式方法，以取得更好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn):

[1] 蔣本珊.計(jì)算機(jī)組成原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2] 王愛英.計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)（第3版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[3] 汪文.“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的教學(xué)探討[J].中國地質(zhì)教育，2002，（1）：31-33.

[4] 李繼芳.“計(jì)算機(jī)組成原理”教學(xué)方法的實(shí)踐與探索[J].浙江萬里學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，（4）：27.

[5] 鄭玉彤.“計(jì)算機(jī)組成原理”課程實(shí)現(xiàn)的比較研究[J].中央民族大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，（1）：19.

收稿日期：2006-11-13

作者簡介：

鄭文斌（1973-），男，四川省彭州市人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、圖像處理；

陳曉竹（1968-），女，黑龍江省哈爾濱市人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、儀器儀表；

劉硯秋( 1977-) ，女，河南省洛陽人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)多媒體。