摘要：“計算機組成原理”課程作為計算機大類專業(yè)一門承上啟下的專業(yè)核心課程，具有理論性強、內(nèi)容和知識點多、同時需要強調(diào)實踐等特點，對于學(xué)科完整性、學(xué)生升學(xué)和培養(yǎng)未來的計算芯片設(shè)計人員都有著非常重要的作用。隨著人工智能時代的到來以及摩爾定律走向終結(jié)，F(xiàn)PGA將成為未來主流的計算芯片之一，具備軟硬件系統(tǒng)能力能勝任FPGA開發(fā)的人才是未來緊缺人才。本文分析了目前“計算機組成原理”課程教學(xué)存在的問題和不足，探索了本課程理論教學(xué)和實踐教學(xué)中教學(xué)條件、教學(xué)方法和教學(xué)手段的改進。特別是在理論學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)引入SPOC，實踐環(huán)節(jié)引入FPGA云的思想，讓學(xué)生可以輕松學(xué)習(xí)，并快速地融入到行業(yè)中。

關(guān)鍵詞：計算機組成原理；SPOC翻轉(zhuǎn)課堂；啟發(fā)式教學(xué)；教學(xué)方法探析

0、引言

數(shù)字邏輯、計算機組成原理、微機原理與接口技術(shù)等課程是計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)課程，是計算機、通信類專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程。這些課程通過從底層剖析數(shù)字電子計算機的基本組成和一般工作原理，讓學(xué)生掌握計算機系統(tǒng)的基本設(shè)計技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決數(shù)字系統(tǒng)實際問題的能力，同時也是培養(yǎng)計算機系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計人員的一個必經(jīng)教育環(huán)節(jié)。

其中“計算機組成原理”課程作為一門承上啟下的中間課程（如圖1所示），在計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)課程中，所占的位置相當(dāng)突出，從2009年以來，計算機研究生入學(xué)全國統(tǒng)一考試就把“計算機組成原理”課程作為必考的課程。

“計算機組成原理”課程的后續(xù)課程有單片機應(yīng)用編程、嵌入式應(yīng)用開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能控制技術(shù)等，這些課程所講授的技術(shù)在當(dāng)前社會生活中具有極其廣泛的應(yīng)用需求，具有這些課程堅實基礎(chǔ)并具備工程能力的畢業(yè)生一直都有很大的缺口。

可見，“計算機組成原理”課程對于強化學(xué)生基礎(chǔ)知識和基本技能、提高研究生入學(xué)考試成績、提升學(xué)生的就業(yè)競爭力，為相關(guān)后續(xù)課程打下堅實的基礎(chǔ)，都有非常重要的作用。但是，傳統(tǒng)的教學(xué)方法已經(jīng)越來越不能滿足這門課程的教學(xué)要求了，因此，針對于本課程的新教學(xué)方法的探索亟需進行?；诙嗄瓯菊n程的教學(xué)研究和體會，兼顧學(xué)生基本技能、考研需求、就業(yè)需求，筆者在本文中對“計算機組成原理”課程的理論和實踐教學(xué)方法進行探析。

1、現(xiàn)階段“計算機組成原理”課程教學(xué)存在問題的分析

1.1課程難度大，教學(xué)時間緊

“計算機組成原理”課程是偏向硬件的一門專業(yè)課，其講授的內(nèi)容主要包括ALU、CU、Memery、Input、Output等硬件的基本組成和一般工作原理。很多部分都比較復(fù)雜，學(xué)生理解和掌握起來比較困難，特別是CPU，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，也無法提供一個直觀的實物讓學(xué)生看，學(xué)生會覺得課程知識比較抽象，學(xué)習(xí)難度很大；另外計算機中的運算方法，例如：原碼一位乘法，原碼兩位乘法，補碼一位乘法，補碼兩位乘法，并行乘法等，均為二進制思想，與平時的十進制數(shù)運算方法有所不同，學(xué)生感覺非常不習(xí)慣。這些本課程特有的性質(zhì)和實際情況都可能導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)效果達(dá)不到要求[1]。

目前，二本類學(xué)校學(xué)生普遍在校學(xué)習(xí)時間只有三年，按照學(xué)校課程調(diào)整的整體要求，很多學(xué)校已經(jīng)將匯編語言、微機接口技術(shù)、嵌入式等課程直接去掉，不在培養(yǎng)計劃中作要求。而計算機組成原理課程的課時也有大大地縮減。可見，在“計算機組成原理”課程講授的過程中，要添加必要的前期課程的內(nèi)容講解，時間也非常地緊張。

1.2師資短缺

“計算機組成原理”課程作為一門承上啟下的課程，對教師的要求也非常高。不僅要求授課教師講授好本課程的內(nèi)容，還要求教師對先導(dǎo)課程和后繼課程也要有相當(dāng)?shù)恼莆蘸桶芽?。授課教師最好是把硬件技術(shù)基礎(chǔ)課程群里的課都熟練掌握，并且能夠在嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)方面有項目支撐。

現(xiàn)實情況是，能夠在硬件技術(shù)基礎(chǔ)課程群里一直上課的老師比較少，要老師有相應(yīng)的科研和項目支撐就更少了。

1.3“欺軟怕硬”現(xiàn)象愈演愈烈

現(xiàn)在的計算機專業(yè)學(xué)生普遍重視軟件類課程，主觀地認(rèn)為計算機專業(yè)就是學(xué)習(xí)如何用各種編程語言來編寫程序，覺得計算機硬件離他們很遙遠(yuǎn)、硬件知識很難理解，漸漸地出現(xiàn)了“欺軟怕硬”的現(xiàn)象。

同時，現(xiàn)在很多同學(xué)的就業(yè)方向都定在以Android和IOS為代表的移動互聯(lián)的應(yīng)用開發(fā)上。并且這個領(lǐng)域每年吸納的學(xué)生非常多，很多學(xué)生不用掌握任何硬件知識，也能夠就業(yè)。這在客觀上，讓學(xué)生覺得硬件類知識學(xué)不學(xué)習(xí)無所謂，只要會寫程序就可以就業(yè)了。因此，“欺軟怕硬”的現(xiàn)象是愈演愈烈。

1.4實踐環(huán)節(jié)落后

計算機組成原理實驗課開設(shè)的目的是使學(xué)生能夠深入理解所學(xué)的理論知識，在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的硬件設(shè)計和開發(fā)能力，并能夠結(jié)合當(dāng)前的熱門應(yīng)用有所創(chuàng)新。

目前，很多學(xué)校采用了基于FPGA芯片的現(xiàn)代計算機組成原理實驗箱。實驗項目主要按照實驗箱配送的電子版實驗指導(dǎo)書設(shè)置。實驗課上，教師會給大家演示如何完成實驗項目，以及實驗操作步驟。學(xué)生按照老師的做法，依葫蘆畫瓢在實驗箱上只要完成簡單的硬件搭接，然后把實驗教師給的代碼或設(shè)計圖運行，就可以過關(guān)。實驗教學(xué)的內(nèi)容沒有深入底層，學(xué)生對實驗原理也沒有得到根本的理解，對理解相關(guān)的理論知識起到的作用也非常有限，脫離了理論聯(lián)系實際的原則。

按照目前的實驗?zāi)Ｊ?，并不能夠很好地體現(xiàn)注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，也不便于學(xué)生做自主型實驗、綜合型實驗和創(chuàng)新型實驗。其次，基于大規(guī)模數(shù)據(jù)和創(chuàng)新應(yīng)用的FPGA云實驗系統(tǒng)不僅價格高昂，而且不便于維護和更新，在已經(jīng)有實驗箱的情況下，也不可能在短時間內(nèi)再次購買。再次，學(xué)生做實驗的整個過程，無法很好地跟蹤和記錄，不利于對學(xué)生的實驗成績做出真實的評判[2]。

2、關(guān)于“計算機組成原理”課程更新教學(xué)方法的探索

針對以上在“計算機組成原理”課程中存在的問題，結(jié)合教學(xué)實踐，筆者提出一些改進當(dāng)前課程教學(xué)方法的討論與思考。

2.1引入SPOC和翻轉(zhuǎn)課堂

基于MOOC平臺的SPOC擁有人數(shù)少、在校注冊（收費）、除了在線視頻和習(xí)題等，還可以有其它輔助的線上或線下課堂、答疑。SPOC教學(xué)內(nèi)容可以是MOOC的超集，換句話說，教師可以開著MOOC，同時對一小部分學(xué)生開SPOC —— 要求后者選了MOOC的同時，通過其他的渠道（線上的在線討論，或者線下的混合式教學(xué)（含翻轉(zhuǎn)課堂）實現(xiàn)SPOC，實現(xiàn)“SPOC = MOOC + 補充交流”的模式[3]。

目前開設(shè)“計算機組成原理”課程SPOC比較好的學(xué)校有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等。一般的二本學(xué)校，可以申請這些學(xué)校的計算機組成原理課程的SPOC，除可以利用的公用MOOC資源外，還可以自己上傳私有講稿和作業(yè)，供本學(xué)校學(xué)生使用。這樣學(xué)生可以在課前進行線上預(yù)習(xí)、線下上課時教師可以與學(xué)生進行討論式教學(xué)、課后師生間可以進行有針對性的線上和線下多方位的互動。

筆者相信通過SPOC和翻轉(zhuǎn)課堂思想，可以很好地解決“計算機組成原理”課程任務(wù)多，時間緊的問題。

2.2組建穩(wěn)定的教師團隊

計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)課程群包含了多門課程，“計算機組成原理”課程是其中的一門，而要講授好這門課程，僅靠一個老師，肯定是不行的，所以組建一個教師團隊非常必要。

為了讓這個教師團隊能夠保持相對的穩(wěn)定，并且能夠有所發(fā)展。可以做如下一些努力。

1）確定1～2名核心教師，然后發(fā)展和指導(dǎo)2～3名輔助教學(xué)教師。

2）團隊內(nèi)部經(jīng)常組織一些教學(xué)活動（聽課、評課、說課），讓每一名教師都得到成長。

3）共同維護課程SPOC，為課程教學(xué)提供必要的教學(xué)資料。

4）外出參加與課程相關(guān)的論壇和學(xué)習(xí)，讓團隊的教學(xué)思想和理念始終都保持先進性。

5）與企業(yè)合作，讓有能力的企業(yè)參與到實踐和課程設(shè)計中，同時，教師可以到企業(yè)參與生產(chǎn)實踐，與企業(yè)共同申請項目。

6）針對考研的學(xué)生，可以開展一些講座和答疑活動。

2.3努力提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

學(xué)生出現(xiàn)害怕硬件類課程的現(xiàn)象，究其原因還是沒有把學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性調(diào)動起來。而學(xué)生不想學(xué)的原因可能是因為某一個知識點沒聽懂，導(dǎo)致后面的內(nèi)容連接不起來，到逐漸放棄這門課程。

為了提高學(xué)生的積極性，授課教師可以做以下幾個方面的努力。

1）啟發(fā)式教學(xué)

計算機組成原理的知識相對來說會比較抽象，所以學(xué)生在理解的時候會有些困難，因此可以在教學(xué)過程中，采用啟發(fā)式教學(xué)方法，用一些通熟易懂的例子來對知識進行由淺入深的講解。

在講解Cache的地址映射方式的時候，學(xué)生對組相聯(lián)映射方式中的主存地址格式不太容易理解，對于計算某一個主存單元所對應(yīng)的Cache組號也犯糊涂。

例如：某計算機的Cache共有16塊，采用2路組相連映射方式，每個主存塊大小為32字節(jié)，按字節(jié)編址。主存號129號單元所在主存塊應(yīng)裝入到cache的組號是多少？

解：主存地址格式如下

t（無法計算） u（3位） b（5位）

其中t是主存標(biāo)記，在本題中受限于條件，無法計算，但對計算結(jié)果沒有影響。u部分表示的就是所要求的組號。

可以先引導(dǎo)學(xué)生對十進制數(shù)據(jù)X=12345，求這個數(shù)的百位和十位構(gòu)成的兩位數(shù)。那么學(xué)生在學(xué)習(xí)C語言的時候，就做過相應(yīng)的練習(xí)。直接用一個計算公式：（X/101）%102，就可以計算出結(jié)果。那么類似的，在本題中也可以采用這種方法，只不過在本題中為二進制計算。綜上就可以引導(dǎo)學(xué)生得到本題的計算：（129/25）%23=4。

2）重點講解和動態(tài)演示

在講解CPU的時候，ALU和CU是核心。ALU可以結(jié)合組合邏輯電路，以及運算方法講解；但CU只能通過指令的執(zhí)行來講解。而學(xué)生對于指令是如何在CPU中執(zhí)行的，以及分別由CPU中的那個部分執(zhí)行，都是比較難以理解的。這時，可以借助模擬動態(tài)演示，幫助學(xué)生更加形象地理解這個過程中，數(shù)據(jù)流向和內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)組成。

3）與其他課程結(jié)合

課程之間的知識點絕對不是獨立的，所以可以結(jié)合其他課程的知識點，輔助計算機組成原理的教學(xué)。

在講解IEEE754標(biāo)準(zhǔn)的時候，32位浮點數(shù)和64位浮點數(shù)，實際上就分別是C語言中的單精度和雙精度型浮

圖2一段簡單的C程序

點數(shù)。為了讓大家更好地理解IEEE754標(biāo)準(zhǔn)，就用一個C語言程序來間接地講解。

C語言源程序如圖2所示，不運行，直接分析程序的運行結(jié)果?？吹筋}目，學(xué)生肯定覺得非常難。但實際上就是一個IEEE754的實際應(yīng)用。

解題過程：數(shù)組a[0]=00H， a[1]=80H， a[2]=30H， a[3]=41H。

按照小端對齊方式的規(guī)定，IEEE754的32位浮點數(shù)是41308000H。把這個數(shù)再填入IEEE754標(biāo)準(zhǔn)的32位浮點數(shù)格式中，通過計算，得出結(jié)果為11.0313。最后運行這個C語言程序，可得到相同的結(jié)果。通過這樣的方式，可以讓學(xué)生理解到知識的相通性，也能夠提高學(xué)習(xí)的積極性。

4）鼓勵學(xué)生參加競賽

目前與計算機組成原理課程相關(guān)的競賽有電子設(shè)計類的FPGA和SOC比賽。

這類競賽作品的要求比較高，可以讓學(xué)生把數(shù)字邏輯、計算機組成原理、操作系統(tǒng)等課程學(xué)的知識串通起來。當(dāng)然，如果要求太高而沒有學(xué)生參賽，也可以鼓勵學(xué)生參加物聯(lián)網(wǎng)和電子設(shè)計等方面的競賽，通過競賽，可以讓學(xué)生更好地理解課程的意義。同時，在競賽中獲獎，也可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2.4結(jié)合現(xiàn)代教育手段改進實踐環(huán)節(jié)

“計算機組成原理”課程的實踐環(huán)節(jié)非常重要，對于理解理論知識，拓展學(xué)生思維，引導(dǎo)學(xué)生進入實際工程領(lǐng)域非常重要。

傳統(tǒng)實驗箱的實踐教學(xué)手段，學(xué)生的實驗以驗證性實驗為主，缺乏創(chuàng)新項目和真實的工程項目；同時，受到到了場地和時間的限制，學(xué)生在實驗課后，無法自己安排時間進行實驗。

目前， Baidu、IBM、Amazon、Microsoft、浪潮、騰訊、阿里等都發(fā)布了自己的FPGA云；2017年03月，Intel發(fā)布CPU+FPGA的機器人大腦。可見，芯片即將進入應(yīng)用驅(qū)動時代，為算法定義硬件將是常態(tài)，F(xiàn)PGA應(yīng)用開發(fā)將成為主流。

面向未來的人工智能時代，學(xué)生需要一個隨時可用的FPGA開發(fā)環(huán)境；老師需要一個基于學(xué)生數(shù)據(jù)的智能FPGA實驗教學(xué)平臺。

基于“互聯(lián)網(wǎng)+FPGA”的未來計算實驗室，只要有網(wǎng)絡(luò)和瀏覽器，學(xué)生就可以隨時隨地做實驗，同時，可以將學(xué)生銜接到行業(yè)應(yīng)用需求上。

3、總結(jié)

“計算機組成原理”課程對于學(xué)生理解和掌握計算機一般組成和一般運行原理有非常重要的作用，同時也可以引導(dǎo)學(xué)生進入“互聯(lián)網(wǎng)+FPGA”的應(yīng)用領(lǐng)域。而本課程對教師和學(xué)生的要求都非常高，對課程教學(xué)的要求也非常高，高校需要積極探析課程教學(xué)方法，改進教學(xué)手段，以適應(yīng)技術(shù)和行業(yè)的發(fā)展對從業(yè)人員的要求。通過探析，改進教學(xué)手段和教學(xué)方法，可以有效減輕教師負(fù)擔(dān)，提升教學(xué)效率，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生快速融入到行業(yè)提供幫助。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：鄧紹偉（1979-），男，助教，主要研究方向：FPGA、物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用。