[摘 要] 結(jié)合近年來在計(jì)算機(jī)組成和體系結(jié)構(gòu)類課程方面的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)該類課程的教學(xué)方法進(jìn)行了研究，提出建立計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程群的課改思路，并對(duì)相關(guān)課程進(jìn)行了教學(xué)改革實(shí)踐。建立了一種在課程群的教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性主動(dòng)學(xué)習(xí)的教學(xué)思路。

[關(guān)鍵詞] 課程群；主動(dòng)學(xué)習(xí)；計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1005-4634（2013）02-0064-04

0 引言

在計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)課程體系中，“計(jì)算機(jī)組成原理”是基礎(chǔ)課，它主要以順序執(zhí)行為主要特征，從部件到整機(jī)介紹馮諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的基本組成。而“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”則是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它把當(dāng)前主流的、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中的一些較為典型的思想和方法提取出來作為教學(xué)內(nèi)容講授。因此在實(shí)際教學(xué)過程中，無論是對(duì)于計(jì)算機(jī)組成還是對(duì)于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，一般都普遍認(rèn)為理論和概念多、教學(xué)抽象、教師授課時(shí)教學(xué)內(nèi)容部分有重復(fù)，因而學(xué)生聽起來感覺單調(diào)、乏味，也比較困難。因此，如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生系統(tǒng)而全面地掌握計(jì)算機(jī)組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本理論、方法，提高該類課程的教學(xué)效率和教學(xué)效果，近年來引起人們的廣泛關(guān)注，很多老師根據(jù)自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該類課程的教學(xué)進(jìn)行了有益的探討和研究[1-9]。

圖1是美國UC Berkeley 大學(xué)2009年關(guān)于計(jì)算機(jī)組成及其體系結(jié)構(gòu)的課程設(shè)置情況[1]。從圖1中可以看出，在這一類課程的教學(xué)設(shè)置中，UC Berkeley大學(xué)在保留了傳統(tǒng)課程內(nèi)容的同時(shí)，也加強(qiáng)了基于FPGA 的硬件設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。此外，還在本科教學(xué)中加深了并行體系結(jié)構(gòu)方面的教學(xué)內(nèi)容。

圖2給出了中國科技大學(xué)2010年關(guān)于計(jì)算機(jī)組成及體系結(jié)構(gòu)的課程設(shè)置情況[2]。由圖2可見，中國科技大學(xué)在保留傳統(tǒng)課程內(nèi)容的同時(shí)，在本科教學(xué)中加強(qiáng)了CPU設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。

論文還對(duì)Stanford[3]、MIT[4]等其他多個(gè)美國著名大學(xué)和南京大學(xué)[5]、國防科技大學(xué)[6]等國內(nèi)著名高校在相關(guān)課程方面的教學(xué)情況進(jìn)行了分析。分析發(fā)現(xiàn)，這些大學(xué)在計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)等相關(guān)課程教學(xué)理念、教學(xué)思路，甚至教學(xué)內(nèi)容方面都有很多相似之處，如都以典型的流水線CPU設(shè)計(jì)技術(shù)和存儲(chǔ)器層次化結(jié)構(gòu)為核心內(nèi)容，都是站在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的高度闡述計(jì)算機(jī)組成原理及硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思想，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)并行體系結(jié)構(gòu)、并行程序設(shè)計(jì)等技術(shù)的掌握。

通過對(duì)國內(nèi)外一些著名高校的相關(guān)課程教學(xué)方法進(jìn)行分析總結(jié)，本文結(jié)合筆者近年來在該類課程方面的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)該類課程的教學(xué)方法進(jìn)行了研究，提出建立計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程群及在教學(xué)過程中主動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性學(xué)習(xí)的教學(xué)思路，并在相關(guān)課程教學(xué)中進(jìn)行了探索和實(shí)踐。

1 計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程群的建設(shè)

在對(duì)國內(nèi)外著名高校計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)課程設(shè)置情況深入研究分析的基礎(chǔ)上，論文對(duì)筆者所在的西安理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及相關(guān)專業(yè)開設(shè)的所有課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了梳理，發(fā)現(xiàn)由于課程間缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和協(xié)調(diào)，教學(xué)存在內(nèi)容大量重復(fù)或缺失、課程之間內(nèi)容脫節(jié)等問題。針對(duì)該問題，結(jié)合西安理工大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)及要求，并借鑒國內(nèi)外有關(guān)院校的經(jīng)驗(yàn)[5-9]，對(duì)原有專業(yè)課程設(shè)置進(jìn)行了調(diào)整。將原先模擬電子技術(shù)部分內(nèi)容合并到數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)中，形成數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)課程；將原先的計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)容合并，形成計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)課程；同時(shí)開設(shè)了一門新課——高級(jí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。通過對(duì)相關(guān)課程的調(diào)整，構(gòu)建了以“計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)”為核心的課程群（如圖3所示），對(duì)相關(guān)課程的教學(xué)體系進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)劃。

其中，計(jì)算機(jī)技術(shù)導(dǎo)論主要從宏觀上介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)涉及到的各個(gè)層次的內(nèi)容，讓學(xué)生從整體上了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全貌和相關(guān)知識(shí)體系；數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)圍繞組合邏輯設(shè)計(jì)和時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)兩大核心內(nèi)容，在邏輯門到功能部件這兩個(gè)層次展開；計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)從寄存器傳送級(jí)以上層次介紹單處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理；微機(jī)原理與接口及嵌入式系統(tǒng)分別定位為計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)的基本原理在PC 及嵌入式系統(tǒng)方面的實(shí)例化；高級(jí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)則主要在更高層次上介紹多核CPU、多處理機(jī)系統(tǒng)、集群系統(tǒng)等不同粒度和規(guī)模的多處理器并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理、實(shí)現(xiàn)方式及其應(yīng)用領(lǐng)域。上述課程中，計(jì)算機(jī)技術(shù)導(dǎo)論、數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)為必修課，微機(jī)原理與接口、嵌入式系統(tǒng)、高級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為選修課。

針對(duì)不同課程在教學(xué)體系上的關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)，采用了如下的處理思路。

1）關(guān)于進(jìn)位計(jì)數(shù)制及相互之間的轉(zhuǎn)換、ASCII 碼表示、邏輯數(shù)據(jù)表示、漢字編碼、無符號(hào)數(shù)表示、帶符號(hào)數(shù)表示，在計(jì)算機(jī)技術(shù)導(dǎo)論課程中進(jìn)行詳細(xì)講解，而在后繼課程中作為“回顧”內(nèi)容，不再詳細(xì)介紹；補(bǔ)碼特性和浮點(diǎn)數(shù)的表示則在計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中詳細(xì)介紹。

2）邏輯門電路、半加器、全加器、加法器、比較器、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器、寄存器、移位器、內(nèi)存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)及相關(guān)電路設(shè)計(jì)內(nèi)容在數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)中詳細(xì)介紹；計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程則直接使用這些基本電路來構(gòu)建更大的功能部件。

3）關(guān)于存儲(chǔ)器的相關(guān)方法、原理主要在計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中詳細(xì)介紹；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論課程僅作概要說明；微機(jī)原理和接口技術(shù)中不再講。

4）關(guān)于I/O接口，計(jì)算機(jī)技術(shù)導(dǎo)論課程從計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成的角度簡(jiǎn)單提一下常用的外部設(shè)備的功能及接口；計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)主要介紹各種外設(shè)抽象出來的一個(gè)通用結(jié)構(gòu)，以及外設(shè)控制器的通用結(jié)構(gòu)；微機(jī)原理與接口技術(shù)則具體介紹PC機(jī)所用的一些接口電路、I/O 總線及其互連。

2 引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性主動(dòng)學(xué)習(xí)的實(shí)踐

為了進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)組成及體系結(jié)構(gòu)等相關(guān)課程的教學(xué)效果，在積極建設(shè)計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程群的同時(shí)，還在相關(guān)課程的教學(xué)過程中，從以下三個(gè)方面對(duì)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性主動(dòng)學(xué)習(xí)的教學(xué)方法進(jìn)行了探索和實(shí)踐。

2.1 積極探索新的教學(xué)技巧，提高學(xué)生對(duì)相關(guān)課 程的學(xué)習(xí)興趣

計(jì)算機(jī)現(xiàn)在非常普及，各種部件學(xué)生也都熟知，只不過對(duì)各部件的工作原理以及相互之間的通信方式還不是太了解，所以有些無所適從。因此，在開始講授這門課時(shí)，首先從培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣入手，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用自己以前所學(xué)的知識(shí)和了解到的一些市場(chǎng)行情，去寫出一臺(tái)計(jì)算機(jī)的配置，看看都需要哪些部件，怎樣配置才是最優(yōu)最合理的。這樣可以使學(xué)生更直觀、更全面、更深入地理解本課程的教學(xué)目的，然后再結(jié)合教學(xué)輔助軟件將計(jì)算機(jī)的硬件進(jìn)行分割、拆卸，如硬盤、軟驅(qū)、光驅(qū)、主機(jī)、打印機(jī)、顯示器等，將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出來，使學(xué)生能夠更好地了解計(jì)算機(jī)功能部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其相互之間的聯(lián)系。另外，利用適當(dāng)?shù)臋C(jī)會(huì)向?qū)W生介紹本學(xué)科發(fā)展的新動(dòng)向、新技術(shù)，指出現(xiàn)在的整個(gè)技術(shù)發(fā)展大趨勢(shì)是什么，這樣有助于引導(dǎo)學(xué)生牢固樹立為探求技術(shù)發(fā)展而努力學(xué)習(xí)的信心和決心。通過這種方式，學(xué)生們普遍感到計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)原來離自己是很近的，消除了畏懼心理，從主觀上開始重視該課程，并帶著問題和興趣去學(xué)習(xí)，這樣就為講好、學(xué)好該課程打下了基礎(chǔ)。

為促使學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)產(chǎn)生更為持久的興趣，還進(jìn)行了如下探索和實(shí)踐。

在教學(xué)內(nèi)容的選擇上，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，突出重點(diǎn)，講清難點(diǎn)。學(xué)生重點(diǎn)掌握的是計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器及I/O設(shè)備的基本組成和工作原理。因此在講授運(yùn)算器的運(yùn)算原理及組成機(jī)制、各種存儲(chǔ)器的構(gòu)成及存儲(chǔ)原理、CPU中微程序控制器的機(jī)理等內(nèi)容時(shí)，分配了很多課時(shí)和精力，目的是讓學(xué)生重點(diǎn)理解并掌握這些知識(shí)。其他部分內(nèi)容可視課時(shí)的多少或讓學(xué)生自學(xué)，或略講，或討論。

在授課過程中，將重點(diǎn)放在基本原理上，如對(duì)計(jì)算機(jī)的各個(gè)功能部件，應(yīng)著重掌握它在整機(jī)中的作用，以及由此而分配給各部件所要完成的任務(wù)， 從而正確選用或設(shè)計(jì)硬件，而不致被眾多風(fēng)格各異的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)及組成所迷惑；以計(jì)算機(jī)五大部件內(nèi)容為主線，重點(diǎn)講述基本內(nèi)容，如對(duì)計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的發(fā)展，只是重點(diǎn)講述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)； 計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)不是本課程的重點(diǎn)，只介紹指令的尋址方式及一些典型指令；CPU部分只注重分析微程序控制器、微程序設(shè)計(jì)技術(shù)及流水CPU， 其他部分內(nèi)容可引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)；對(duì)于需要重點(diǎn)掌握、但教材上沒有詳細(xì)介紹的基本內(nèi)容應(yīng)根據(jù)具體情況增加介紹，如教材介紹存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)的字位同時(shí)擴(kuò)展時(shí)，教材上只有不到60字的內(nèi)容，而這部分內(nèi)容又是重點(diǎn)，課后習(xí)題占了將近一半，故需增加課時(shí)，詳細(xì)講解。另外，對(duì)微程序控制計(jì)算機(jī)的基本工作原理和程序設(shè)計(jì)技術(shù)要求重點(diǎn)掌握，而教材中此部分內(nèi)容介紹較少，如何寫指令的微程序，如何確定微指令的結(jié)構(gòu)，學(xué)生感到困惑，故需對(duì)微程序控制器進(jìn)行詳細(xì)的講解。

在教學(xué)過程中盡量采用“形象教學(xué)法”，對(duì)適合課堂演示的動(dòng)態(tài)模擬內(nèi)容，比如像講解“存儲(chǔ)器的讀寫操作”時(shí)就采用直觀的多媒體形式；而對(duì)于概念性和推理性很強(qiáng)的內(nèi)容，比如像講解“補(bǔ)碼的加減法”時(shí)，則采用板書結(jié)合教師的手勢(shì)和形體語言的方式，以吸引學(xué)生的注意力；對(duì)于難以理解的內(nèi)容，用生活中的一些生動(dòng)形象的具體實(shí)例加以解釋說明。比如，中央處理器一章中的流水技術(shù)原理，初學(xué)者理解起來也比較困難，就舉了一個(gè)“三人合作洗衣服”的例子：三個(gè)人分別承擔(dān)洗衣、烘干、疊衣任務(wù)，合作完成洗衣服的任務(wù)，這樣三個(gè)過程連續(xù)進(jìn)行就可以完成洗衣服任務(wù)。這樣學(xué)生就很容易理解，而且與流水線相關(guān)的概念比如吞吐率、流水效率、數(shù)據(jù)相關(guān)等也就可以迎刃而解了。

2.2 加強(qiáng)教學(xué)互動(dòng)，以問促學(xué)，積極引導(dǎo)學(xué)生進(jìn) 行主動(dòng)創(chuàng)新性學(xué)習(xí)

為了使學(xué)生能夠帶著問題對(duì)課程進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性學(xué)習(xí)能力，并實(shí)現(xiàn)教學(xué)互動(dòng)，在授課過程中，故意設(shè)置一些問題“陷阱”，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考。例如，在存儲(chǔ)系統(tǒng)一章中，講述主存儲(chǔ)器是由半導(dǎo)體讀寫存儲(chǔ)器RAM 和半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器ROM 組成，RAM 是易失性存儲(chǔ)器，ROM 是非易失性存儲(chǔ)器，RAM 又分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。為什么靜態(tài)RAM 不需要刷新，而動(dòng)態(tài)RAM 需要刷新？為什么放大器讀出的信息不會(huì)送到數(shù)據(jù)線上？將這樣一系列的問題留給學(xué)生討論，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，讓他們各抒己見，最后得出正確的答案。這樣，不僅活躍了課堂氣氛，提高了學(xué)習(xí)的趣味性，還便于教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的問題，達(dá)到教學(xué)相長的目的。

對(duì)一些簡(jiǎn)單的教學(xué)內(nèi)容，一般要求學(xué)生自學(xué)，教師只針對(duì)自學(xué)內(nèi)容提出幾個(gè)具體問題，由學(xué)生討論，自己解決。例如在講授中央處理器一章中的傳統(tǒng)CPU 一節(jié)時(shí)，考慮到學(xué)生前面已學(xué)習(xí)過CPU的基本組成和功能原理，這一節(jié)內(nèi)容可要求學(xué)生自學(xué)，并且布置習(xí)題要求學(xué)生課下完成。

對(duì)教學(xué)中一些尚未透徹理解、容易混淆的概念以及學(xué)生自學(xué)中沒有解決的問題，組織學(xué)生在課堂進(jìn)行專題討論。例如，存儲(chǔ)系統(tǒng)一章中的存儲(chǔ)器的字位擴(kuò)展是一個(gè)非常重要的問題，學(xué)生在解題時(shí)很容易把字?jǐn)U展和位擴(kuò)展中的地址線畫錯(cuò)。針對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行舉一反三，通過仔細(xì)分析，加深學(xué)生對(duì)基本概念和基本理論的理解，達(dá)到觸類旁通的效果，有助于學(xué)生解題能力的提高。

2.3 加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力

計(jì)算機(jī)組成原理主要以單個(gè)計(jì)算機(jī)的基本組成和工作原理作為教學(xué)內(nèi)容，概念多，特別是教學(xué)過程中的實(shí)踐性比較強(qiáng)，因此課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合非常必要。筆者共安排了32學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。通過這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了更明確的了解，同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件特性也有了比較全面的認(rèn)識(shí)并鞏固掌握了所學(xué)的理論知識(shí)。

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)主要以現(xiàn)代并行計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)所涉及到的一些思想和方法為教學(xué)內(nèi)容，課程的技術(shù)性更強(qiáng)。針對(duì)該教學(xué)特點(diǎn)，在課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)置上強(qiáng)化了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。圍繞相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將所有學(xué)生分組，每4～6個(gè)學(xué)生安排為一組，進(jìn)行專題設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)題目在第一次開始上課時(shí)即作為任務(wù)布置給學(xué)生，讓學(xué)生以小組為單位，通過各種信息渠道合作解決，收到了較好的教學(xué)效果。

3 結(jié)束語

經(jīng)過幾年來計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程群的教學(xué)改革實(shí)踐，相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置減少了重復(fù)，彌補(bǔ)了缺失，銜接更加合理。通過在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性主動(dòng)學(xué)習(xí)的探索與實(shí)踐，提高了學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)主動(dòng)性，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)基本理論、方法的理解和掌握，提高了該類課程的教學(xué)效率和教學(xué)效果。

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[9]楊軍，蔣慕蓉，武浩.面向創(chuàng)新實(shí)踐的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”教學(xué)改革探索[J].計(jì)算機(jī)教育，2009，（8）：32-34.