摘 要：針對軟件工程特殊的專業(yè)背景和應(yīng)用性的需求，從教學(xué)思路、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)實踐環(huán)節(jié)幾方面，對我校開展計算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的新理念和新思路進(jìn)行了探討，其經(jīng)驗對相同專業(yè)的其他教師有較好的借鑒作用。
　　關(guān)鍵詞：軟件工程專業(yè)；計算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法
　　
　　目前軟件工程是信息領(lǐng)域發(fā)展最快的學(xué)科分支之一。面對國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)和激烈的人才競爭形勢，面向市場需求，改革軟件人才培養(yǎng)模式，加大軟件人才培養(yǎng)力度，已經(jīng)成為當(dāng)前高等教育改革與發(fā)展的一項重要和緊迫任務(wù)。為此，教育部從2001年起選擇了若干高等學(xué)校，支持其試辦示范性軟件學(xué)院，并開設(shè)本科軟件工程專業(yè)。我校軟件學(xué)院是教育部、國家計委批準(zhǔn)的首批試辦的示范性軟件學(xué)院。學(xué)院利用學(xué)校在計算機(jī)和數(shù)學(xué)學(xué)科上的優(yōu)勢，借鑒國內(nèi)外優(yōu)秀的管理經(jīng)驗和教學(xué)模式，十分注重軟件工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)軟件企業(yè)的需求，按照工程化、國際化的培養(yǎng)方向，建立復(fù)合型軟件實用人才的培養(yǎng)模式，加大復(fù)合型軟件實用人才培養(yǎng)力度。
　　而“計算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)”作為計算機(jī)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課也被列入我院軟件工程專業(yè)的培養(yǎng)計劃中，在一系列軟件、硬件課程中處于承上啟下的作用。但由于軟件工程專業(yè)自身特點(diǎn)，使得該課程的內(nèi)容選擇、教學(xué)目標(biāo)、課時分配等方面都與傳統(tǒng)的計算機(jī)專業(yè)不盡相同，為了適應(yīng)更好地適應(yīng)本專業(yè)教學(xué)體系要求，我們對該課程教學(xué)進(jìn)行了一些有益的嘗試和探索，獲得了學(xué)生的認(rèn)同，取得了比較滿意的效果。
　　1 合理選擇教材與教學(xué)內(nèi)容
　　由于課時所限，我們將計算機(jī)科學(xué)專業(yè)開設(shè)的“計算機(jī)組成原理”和“計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”兩門專業(yè)課整合為“計算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)”，安排在本科生第三
　　
　　學(xué)年上學(xué)期講授，理論教學(xué)計劃56學(xué)時。前修相關(guān)課程包括匯編語言、數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設(shè)計，后續(xù)相關(guān)課程包括操作系統(tǒng)、編譯原理等。此時學(xué)生對計算機(jī)應(yīng)用性知識已經(jīng)相當(dāng)熟悉，很大一部分學(xué)生已經(jīng)具有了比較好的軟件編程能力。但本課程所涉及的主要是計算機(jī)硬件原理知識，內(nèi)容比較抽象，而且理論概念較多，學(xué)生們覺得該門難懂難學(xué)，且對他們未來職業(yè)可用性不大，學(xué)習(xí)積極性普遍不高。針對這些情況，我們首先根據(jù)專業(yè)需求重新定位課程目標(biāo)，目標(biāo)不應(yīng)再定位于培養(yǎng)學(xué)生未來從事硬件開發(fā)的能力，而是要求學(xué)生能從系統(tǒng)角度來理解計算機(jī)的整體實現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生對硬件系統(tǒng)的分析及應(yīng)用能力。
　　基于上述指導(dǎo)思想，我們在眾多教材中最終選定由William Stalling編寫、張昆藏翻譯的國外著名計算機(jī)教材《計算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)——性能設(shè)計》(第7版)為主教材[1]。因為：一是該教材把計算機(jī)系統(tǒng)性能問題和計算機(jī)組成的基本概念與原理有機(jī)聯(lián)系起來，而且介紹層次感更強(qiáng)，知識涵蓋性比較寬，但總體難度并不是特別大，學(xué)生接受起來比較容易；二是該教材版本更新非?？?，能很快捕捉業(yè)界新技術(shù)的發(fā)展，實用性比較強(qiáng)。同時，我們也推薦了白中英主編的《計算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)》(第4版)[2]和王愛英主編的《計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》(第4版)[3]作為輔助教材，滿足不同層次的學(xué)生學(xué)習(xí)的需要。
　　根據(jù)教學(xué)大綱以及教學(xué)計劃的安排，我們對本書18個章節(jié)都進(jìn)行講授，但內(nèi)容側(cè)重不同，重點(diǎn)講授
　　
　　
　　作者簡介：李晨，女，講師，研究方向為計算機(jī)組成、信息融合理論；朱利，男，副教授，研究方向為計算機(jī)組成、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。
　　
　　的內(nèi)容包括：第二部分中Cache存儲器章節(jié)，第三部分中CPU結(jié)構(gòu)和功能以及指令級并行和超標(biāo)量處理器章節(jié)，第四部分并行處理章節(jié)。對于這些章節(jié)，除了教材內(nèi)容講授，還穿插了例題講解、實例分析等多種手段來加深學(xué)生理解。而其他章節(jié)則主要以介紹教材內(nèi)容為主，同時也根據(jù)需要適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充相關(guān)知識，如在內(nèi)部存儲器部分，我們就補(bǔ)充了存儲器芯片字?jǐn)U展、位擴(kuò)展以及字位擴(kuò)展的方法等，彌補(bǔ)了學(xué)生在考研復(fù)習(xí)時的盲區(qū)。
　　2 依據(jù)本專業(yè)特點(diǎn)講解知識內(nèi)容
　　相比傳統(tǒng)的計算機(jī)專業(yè)，軟件專業(yè)學(xué)生對軟件開發(fā)興趣很大，但對于硬件成分比較多的計算機(jī)組成和結(jié)構(gòu)課畏懼情緒嚴(yán)重。我們針對學(xué)生的這些心理，在講課中堅持自頂向下、分層展開的原則來介紹計算機(jī)系統(tǒng)的性質(zhì)與特征，并將軟硬件互通的理念滲透講述之中，同時盡可能多地引入與軟件相關(guān)的例子，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。如在講CPU結(jié)構(gòu)和功能這一章時，流水線的概念講解完，我們會啟發(fā)學(xué)生：這樣的硬件設(shè)計思想同樣也可以用于多線程并行處理，如在視頻處理時，一般都會有采集、編碼、打包及發(fā)送這樣步驟，可以把這幾個步驟像流水線一樣采用不同線程處理，在第一幀圖像進(jìn)入編碼時，第二幀圖像就可以進(jìn)入采集模塊，其他各幀類似，這樣就可以并行對不同圖像同時進(jìn)行處理，計算效率更高，視頻通信將會變得更為平滑。通過這樣的講解，學(xué)生不但對流水線的思想理解深刻，而且他們也會很驚奇于軟硬件的聯(lián)系，感到學(xué)有所用，在下面學(xué)習(xí)中，會比較主動地找軟硬件之間的切入點(diǎn)。后面講到IA-64中軟件流水技術(shù)時，學(xué)生就非常容易理解，并能積極主動的表述自己的觀點(diǎn)。
　　在學(xué)習(xí)了流水線以及超標(biāo)量設(shè)計思想后，學(xué)生已經(jīng)了解哪些情況會影響機(jī)器的并行性，這時我們會適時提示學(xué)生目前的機(jī)器基本都是采用流水線以及超標(biāo)量的處理器，那么在軟件人員進(jìn)行高級的開發(fā)編程時，就一定要考慮到硬件特性，盡量避免過多的子程序調(diào)用，以及不必要的循環(huán)，從而達(dá)到整體提升系統(tǒng)效率的效果。這樣一來，學(xué)生學(xué)習(xí)后的應(yīng)用感就很強(qiáng)，學(xué)習(xí)動力得到了很大的提升。
　　3 多種教學(xué)方法并用，提升教學(xué)效果
　　在教學(xué)中為了達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。作為專業(yè)基礎(chǔ)課，計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)大部分還是以老師為中心，以知識的傳遞為主體。但不能說整個教學(xué)過程都如此單一，這樣學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性都會受到影響。我們要有意識地引導(dǎo)學(xué)生去主動思考[4]，通過以下嘗試讓學(xué)生參與到教學(xué)實踐活動中來。
　　1) 采用啟發(fā)式教學(xué)方式調(diào)動學(xué)生的思維，引導(dǎo)學(xué)生得出合理的結(jié)論。如在講存儲器的層次結(jié)構(gòu)時，我們先介紹一下目前各類存儲器各自的特點(diǎn)，然后拋出問題讓學(xué)生考慮如何處理存儲器價格、速度和容量之間的矛盾。然后在學(xué)生充分思考的基礎(chǔ)上水到渠成地引出目前所采用的存儲器的三層結(jié)構(gòu)，這樣學(xué)生不但能夠知其然，更能知其所以然。
　　2) 對于某些有重復(fù)的內(nèi)容，鼓勵學(xué)生自己上臺講解，然后老師進(jìn)行總結(jié)補(bǔ)充。如當(dāng)我們在講輸入輸出這一章里關(guān)于IO操作可采用的三種技術(shù)時，由于學(xué)生在之前的匯編語言課上已經(jīng)對編程式IO、中斷驅(qū)動式IO以及存儲器直接存取DMA方式進(jìn)行了學(xué)習(xí)，在講這部分內(nèi)容時，學(xué)生往往覺得已經(jīng)學(xué)過就會思想放松，態(tài)度不認(rèn)真而導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不好。我們提前告知學(xué)生，這部分內(nèi)容課堂上隨機(jī)抽取同學(xué)先從匯編角度談?wù)勛约簩@三種技術(shù)的認(rèn)識，這樣學(xué)生就會提前準(zhǔn)備，學(xué)生講完后，我們再從組成角度談這三者的不同以及CPU不同的處理過程，這樣學(xué)生真正體會從另外一個角度分析問題的必要性，對知識的理解也會更加深刻。
　　3) 重點(diǎn)內(nèi)容加入討論式教學(xué)，加強(qiáng)互動。在講Cache時，同學(xué)們普遍反映映射技術(shù)替換算法很難理解，那么針對這個問題，我們在課堂上將這部分內(nèi)容講解完后，留出典型例子讓同學(xué)們討論分析當(dāng)Cache應(yīng)用三種不同的映射方式再采用不同的替換算法的會出現(xiàn)什么結(jié)果。學(xué)生覺得這種方式很新鮮，討論中沒有拘束感，氣氛很活躍。這樣在小部分理解能力強(qiáng)的學(xué)生的帶動下，大家基本都能對這三種映射方式和替換算法的過程了解得比較透徹，最后老師只要稍加總結(jié)，學(xué)生們馬上就能反映上來。
　　
　　4 實驗設(shè)計軟硬兼顧，訓(xùn)練學(xué)生綜合能力
　　對于我們這門課，它是理論性和實踐性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。因此課程教學(xué)與實驗上機(jī)相結(jié)合尤為重要，硬件實驗是非常必要且重要的[5-6]。如何讓軟件工程專業(yè)的同學(xué)對硬件實驗不但能提起興趣，做通搞懂，還能把這些實驗盡量和未來的就業(yè)需求有效結(jié)合，這成為擺在授課老師面前的一個難題。為此我們把軟件實驗也納入實驗環(huán)節(jié)，并把實驗分為如下三個層次：基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗，開發(fā)性實驗?；A(chǔ)性實驗是配合理論教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步加深學(xué)生對于理論知識的理解而開展；綜合性實驗為了培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力和分析解決問題的能力；研究性實驗是更高層次的要求，是為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和研究能力。這樣的分層次教學(xué)和堅持理論和實踐相統(tǒng)一的原則，更有利于培養(yǎng)軟件專業(yè)學(xué)生的適應(yīng)能力。
　　一方面我們主要使用由杭州康芯電子有限公司生產(chǎn)的GW48-CP+計算機(jī)組成原理實驗開發(fā)系統(tǒng)(主芯片為FPGA)作為實驗教學(xué)平臺，另一方面引入少部分軟件實驗，配合驗證硬件的性能。
　　這里，我們在學(xué)了MMX指令以后，就布置了一個軟件驗證性實驗，讓學(xué)生使用一般技術(shù)和MMX技術(shù)方法實現(xiàn)圖像的淡入淡出操作來比較兩者的不同，進(jìn)而驗證該硬件性能對處理速度的影響。這樣學(xué)生一方面可以通過實驗驗證理論，對硬件的作用也有更直觀的體會，另一方面對圖像處理的軟件編程有所觸及。實驗過程中由于圖像處理可視化效果好，學(xué)生做起來也很新鮮。
　　當(dāng)然軟件實驗只是一種有益的補(bǔ)充，這門課還是要以硬件實驗為主，那么在基礎(chǔ)性實驗部分，我們也布置了如運(yùn)算器、存儲器等實驗。一方面讓學(xué)生熟悉實驗環(huán)境和硬件編程語言，另一方面使學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)并掌握計算機(jī)主要部件工作原理，
　　在綜合性實驗部分，我們安排了設(shè)計基本8位模型機(jī)等，讓學(xué)生在前一階段的實驗基礎(chǔ)上，運(yùn)用微程序的設(shè)計思想來構(gòu)建模型機(jī)，掌握整機(jī)運(yùn)行模式，進(jìn)一步鞏固理論知識的理解。
　　在研究性實驗部分，打破完全硬件實驗的思路。我們要求學(xué)生在已有實驗平臺上根據(jù)某些應(yīng)用的實際需求，完成一個基于NiosII的SOPC系統(tǒng)的設(shè)計，使系統(tǒng)具有一定的技術(shù)先進(jìn)性和實用價值。在實施方法上，我們?nèi)膛浜祥_放性實驗室，實驗以分組形式進(jìn)行共同設(shè)計調(diào)試，一般4～5人一組，。學(xué)生需要進(jìn)行開發(fā)平臺應(yīng)用分析，在此基礎(chǔ)之上學(xué)生根據(jù)自己的愛好、能力進(jìn)行選題，每組學(xué)生需提交正式的選通報告，由指導(dǎo)老師對選題進(jìn)行審核。接下來開始進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計與系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計并提交相關(guān)報告，然后由各組自行安排組內(nèi)成員在QuartusII中搭建硬件原理圖并進(jìn)行仿真測試，最后完成硬件測試報告。下一步就需要針對所要實現(xiàn)的具體功能，編寫相應(yīng)的C語言控制程序，最終在NiosII的環(huán)境下，載入硬件系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件的聯(lián)調(diào)，并完成功能測試報告。在每個系統(tǒng)開發(fā)階段組織討論會，由老師檢查各階段的進(jìn)度和質(zhì)量，最終驗收并評定成績，期間教師不過多參與學(xué)生設(shè)計，鼓勵學(xué)生相互交流討論，自己動手實驗解決問題，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和動手能力。通過這一階段實驗，學(xué)生對計算機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了更明確的了解，同時對當(dāng)代計算機(jī)的硬件設(shè)計有了比較全面的認(rèn)識，同時也發(fā)揮了本專業(yè)學(xué)生軟件編程的特長，對于底層的C語言開發(fā)進(jìn)行了很好的鍛煉，使之了解軟硬件之間的配合，為以后的就業(yè)也打開了一個新的方向，學(xué)生們普遍反映收獲很大。
　　5 適時穿插本學(xué)科的最新科技動向
　　現(xiàn)在很多學(xué)生也都比較關(guān)注業(yè)界新技術(shù)的發(fā)展，但是他們對新技術(shù)的實質(zhì)以及他們和原有技術(shù)之間的關(guān)系都不清楚，對這方面知識有很強(qiáng)的渴望。那么教師在課堂上講到相關(guān)內(nèi)容時，適時地對新技術(shù)進(jìn)行介紹，不但能化解學(xué)生心中的疑云，活躍課堂氣氛，更能促使他們自己查找資料跟蹤新技術(shù)新動向，為日后良好的職業(yè)習(xí)慣的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。如講到磁盤時，可以針對目前市場上大容量磁盤采用的垂直存取技術(shù)進(jìn)行介紹，讓學(xué)生能明白如何能在成本不變的條件下，達(dá)到磁盤容量大規(guī)模增加的效果。還有在講完并行系統(tǒng)時，可以對業(yè)界熱點(diǎn)——云計算技術(shù)進(jìn)行說明，更讓學(xué)生感到新技術(shù)并不遙遠(yuǎn)，促使其有深入研究的興趣。
　　6 結(jié)語
　　在研究型大學(xué)的背景下，在培養(yǎng)學(xué)生的過程中，我們本著對學(xué)生創(chuàng)新能力和實際工程能力培養(yǎng)相結(jié)合的思路，堅持以學(xué)生為本，對計算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)進(jìn)行一些改革和探索。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)更是日新月異，課程教學(xué)也需要不斷更新變化，所以未來我們?nèi)砸粩鄬W(xué)習(xí)，結(jié)合實際繼續(xù)摸索，使課程改革成為一個持續(xù)不斷的過程，以取得更好的教學(xué)效果。 (下轉(zhuǎn)52頁)