張威 胡曉宏

摘?要：針對新工科背景下計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)面臨的具體問題，結(jié)合工程教育認(rèn)證的要求分析了課程教學(xué)的知識、能力和素質(zhì)目標(biāo)，提出了“培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力”的教學(xué)理念，并詳細(xì)介紹了教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)計(jì)、課程考核等環(huán)節(jié)的實(shí)施細(xì)節(jié)。

關(guān)鍵詞：新工科;計(jì)算機(jī)組成原理;教學(xué)模式

中圖分類號：G648.4

Teaching?of?Computer?Composition?Principle?for

the?Construction?of?New?Engineering

Zhang?Wei?Hu?Xiaohong

Department?of?Computer?Science?and?Technology，Beihua?University?JiLinJiLin?132021

Abstract：In?view?of?the?specific?problems?faced?by?the?teaching?of?computer?composition?principle?under?the?background?of?new?engineering，combined?with?the?requirements?of?engineering?education?certification，this?paper?analyzes?the?knowledge，ability?and?quality?objectives?of?curriculum?teaching，puts forward?the?teaching?concept?of?"cultivating?students'?systematic?thinking?ability"，and?introduces?in?detail?the?specific?implementation?details?of?teaching?links?such?as?teaching?content，teaching?design?and?curriculum?assessment.

Keywords：new?engineering;computer?composition?principle?course;teaching?model

計(jì)算機(jī)組成原理課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)本科教學(xué)中承上啟下的核心專業(yè)課程，以計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)為主線，訓(xùn)練學(xué)生系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能力，提高學(xué)生工程意識、工程素質(zhì)和工程實(shí)踐能力，完成新工科背景下學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)[1]。本文以課程教學(xué)的開展與創(chuàng)新為主題探索新工科背景下計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)的新模式。

1?課程教學(xué)面臨的具體問題

計(jì)算機(jī)組成原理課程是計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課，以培養(yǎng)學(xué)生“利用工程化方法解決計(jì)算機(jī)等相關(guān)領(lǐng)域復(fù)雜問題的開發(fā)能力”為根本目標(biāo)，從硬件的角度講述計(jì)算機(jī)的工作原理，運(yùn)行機(jī)制和設(shè)計(jì)方法，建立硬件軟件協(xié)同一體的整機(jī)概念。

課程的先修課程包括數(shù)字電路技術(shù)和程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。通過數(shù)字電路技術(shù)的學(xué)習(xí)，學(xué)生具備了基本的數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)，但是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)內(nèi)部的高度集成使得其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作過程無法直觀感受，所以很多學(xué)生感覺課程內(nèi)容抽象、難度大、學(xué)習(xí)興趣不高。通過程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，學(xué)生具備了高級語言程序設(shè)計(jì)與分析的基本能力，但是組成原理課程內(nèi)容以計(jì)算機(jī)主要功能部件的工作原理為主線進(jìn)行硬件知識的講解，學(xué)生難以建立高級語言與硬件構(gòu)造的聯(lián)系，就業(yè)中硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)崗位并不多，導(dǎo)致許多學(xué)生認(rèn)為課程的實(shí)用性不強(qiáng)，重視程度不夠。傳統(tǒng)上課程內(nèi)容的組織是以早期最簡單的計(jì)算機(jī)為模型，講解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的共性特征，因此給部分學(xué)生造成了教學(xué)內(nèi)容陳舊、與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)的印象。

系統(tǒng)能力培養(yǎng)是新工科計(jì)算機(jī)類專業(yè)建設(shè)和教育提升中首當(dāng)其沖的重要內(nèi)容[23]。系統(tǒng)能力培養(yǎng)的目標(biāo)是讓學(xué)生站在不同層面上把握不同層次上的應(yīng)用，理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體性、關(guān)聯(lián)性，能夠用系統(tǒng)化方法，掌握計(jì)算機(jī)硬軟件協(xié)同工作及相互作用機(jī)制，全面考慮系統(tǒng)各部分及其與外界的邏輯與聯(lián)系，完成一定規(guī)模的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力[4]。

針對教學(xué)中反映出來的問題，依據(jù)培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)能力的思想，我校計(jì)算機(jī)組成原理課程組從硬件設(shè)計(jì)者、軟件設(shè)計(jì)者、系統(tǒng)普通用戶三個講授視角展開授課內(nèi)容，讓學(xué)生在掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外部特性、硬件工作原理基礎(chǔ)上，理解硬件與軟件之間的聯(lián)系，提升課程的實(shí)用性。授課中穿插介紹計(jì)算機(jī)組與體系結(jié)構(gòu)中所用的各種新技術(shù)及其發(fā)展趨勢，拓寬學(xué)生視野，提升學(xué)習(xí)興趣。

2?課程教學(xué)目標(biāo)分析

通過行業(yè)訪談以及與校內(nèi)外專家的研討等手段，我們將畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行了分析拆解，確定計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)目標(biāo)有以下內(nèi)容：

（1）掌握現(xiàn)代數(shù)字計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本構(gòu)成與工作原理，理解數(shù)值的機(jī)器表示與運(yùn)算、存儲系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、中央處理器、輸入輸出系統(tǒng)、總線的基本內(nèi)容。

（2）能夠運(yùn)用數(shù)據(jù)表示和運(yùn)算方法、存儲結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)和CPU原理等知識對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和模型進(jìn)行推理和驗(yàn)證。

（3）能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)的層次性結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算方法等基礎(chǔ)理論對軟件工程領(lǐng)域問題進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析與驗(yàn)證。

（4）通過組成原理相關(guān)知識的學(xué)習(xí)和研究，進(jìn)一步了解計(jì)算機(jī)組成原理課程發(fā)展、開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，培養(yǎng)在實(shí)際的工程問題中靈活應(yīng)用的能力。課程目標(biāo)和教學(xué)環(huán)節(jié)的對應(yīng)關(guān)系如下表。

3?課程教學(xué)改革與創(chuàng)新

結(jié)合專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，以工程教育認(rèn)證理念為指導(dǎo)，課程進(jìn)行了以下幾方面的探索：

3.1?以成果為導(dǎo)向反向設(shè)計(jì)課程目標(biāo)

將課程的根本目標(biāo)從“講授計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成、工作原理”轉(zhuǎn)變?yōu)椤芭囵B(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力”，使其可以從系統(tǒng)角度綜合考慮和解決復(fù)雜工程問題，對軟、硬件功能合理劃分、對系統(tǒng)不同層次抽象和封裝，能夠分別從軟件和硬件的角度對計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的機(jī)制有所了解，并能利用了解到的軟件、硬件之間的對應(yīng)關(guān)系來設(shè)計(jì)高效的應(yīng)用程序，針對操作系統(tǒng)、編譯器等系統(tǒng)軟件的理解，具有系統(tǒng)整體性能分析和調(diào)優(yōu)、用戶程序性能評估和優(yōu)化等能力[5]。培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識，使學(xué)生及時了解計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)中所用的各種新技術(shù)及其發(fā)展趨勢。

以上課程目標(biāo)在落實(shí)到教學(xué)實(shí)施中可以從知識、能力、素質(zhì)方面歸結(jié)如下：

（1）知識目標(biāo)。掌握計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的工作原理與基本邏輯結(jié)構(gòu)，掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的信息表示與基本運(yùn)算，理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制和基本設(shè)計(jì)方法。

（2）能力目標(biāo)。建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次化概念，能夠識別和判斷應(yīng)用系統(tǒng)中的核心問題，能利用多種資源尋求解決方案進(jìn)行正確表達(dá)，掌握系統(tǒng)分析、抽象、表達(dá)的基本方法;能夠針對特定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需求、可復(fù)用模塊或組件完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的設(shè)計(jì)/硬件單元的設(shè)計(jì)，具備利用現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具探索實(shí)際工程中硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)能力，具備理論聯(lián)系實(shí)際能力，能夠?qū)τ布O(shè)計(jì)方案做出恰當(dāng)?shù)脑u價分析。具有良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，能夠在團(tuán)隊(duì)中有效溝通交流完成所承擔(dān)的任務(wù)。

（3）素質(zhì)目標(biāo)。提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、工程素養(yǎng)，培養(yǎng)正確的生活、學(xué)習(xí)習(xí)慣，具備良好的身心素質(zhì);把知識傳授和理想信念、價值理念有效結(jié)合，將課程內(nèi)容與我國計(jì)算機(jī)事業(yè)發(fā)展融會貫通，激發(fā)學(xué)生的愛國情操;通過工程項(xiàng)目實(shí)例的分析講解，培養(yǎng)求實(shí)創(chuàng)新的工作作風(fēng)，理性處理問題與矛盾。將學(xué)生熟悉的軟件開發(fā)設(shè)計(jì)過程與課程的知識點(diǎn)緊密結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，做到學(xué)以致用;通過線上線下的導(dǎo)學(xué)討論，提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和知識自主應(yīng)用能力，具備不斷學(xué)習(xí)及適應(yīng)發(fā)展的能力。

3.2?面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

結(jié)合課程特點(diǎn)與教學(xué)目標(biāo)，在教學(xué)內(nèi)容的組織上進(jìn)行調(diào)整。保留原有的從硬件設(shè)計(jì)者的角度講授各功能部件的工作原理與互聯(lián)機(jī)制，讓學(xué)生能掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本原理、運(yùn)行機(jī)制與設(shè)計(jì)方法。另一方面，從軟件開發(fā)者角度引導(dǎo)學(xué)生分析、體驗(yàn)計(jì)算機(jī)底層硬件結(jié)構(gòu)與程序執(zhí)行正確性及程序執(zhí)行性能之間的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)軟硬件關(guān)聯(lián)協(xié)同，搭建硬件軟件的橋梁。例如，在進(jìn)行高速緩存內(nèi)容的講解中，以如何寫出讓CPU跑得更快的代碼為主題，從數(shù)據(jù)緩存和指令緩存兩方面來分析程序，綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)的物理存儲及排序優(yōu)化程序提高cache命中率，有效提升代碼的執(zhí)行速度。讓學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)理解Cache的工作原理、設(shè)計(jì)思想的同時，理解軟硬件關(guān)聯(lián)協(xié)同的理念并能在實(shí)踐中靈活應(yīng)用。

3.3?以學(xué)生為中心驅(qū)動教學(xué)進(jìn)程

采用“互動、開放”的課堂形式，以問題為載體，教師采用啟發(fā)式教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生自己完成知識點(diǎn)到知識鏈的關(guān)聯(lián)，形成計(jì)算機(jī)組成原理系統(tǒng)觀和構(gòu)造觀。

例如，在進(jìn)行數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算的講解時，從硬件設(shè)計(jì)的角度引入補(bǔ)碼表示的必要性，引導(dǎo)學(xué)生分析計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力與硬件設(shè)計(jì)的關(guān)系及其對程序設(shè)計(jì)的影響，使學(xué)生能掌握運(yùn)算器的構(gòu)造并能真正理解數(shù)據(jù)表示對軟件、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響。

3.4?以能力為指標(biāo)科學(xué)考核設(shè)計(jì)

利用多形式、分階段考核等多樣化考核形式對學(xué)生的知識掌握和能力培養(yǎng)進(jìn)行全面綜合評價。除了傳統(tǒng)的客觀性考核方法以外，引入課程討論、新技術(shù)演講交流、課程小論文等具有一定主觀性的考核方式，注重考核學(xué)生的創(chuàng)新能力、解決問題的能力、實(shí)踐能力。

3.5?智慧教學(xué)理念的引入與實(shí)施

借鑒優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)資源助力智慧學(xué)習(xí)。備課時參考融合超星平臺等提供的各種相應(yīng)課件、錄像、慕課，課前為學(xué)生介紹提供豐富的參考資源并做相應(yīng)指導(dǎo)，為學(xué)生建立自主導(dǎo)學(xué)的環(huán)境。利用采用多樣化教學(xué)組織引領(lǐng)智慧教學(xué)。通過上傳課件并查看學(xué)生預(yù)習(xí)情況預(yù)估講授重點(diǎn)、通過“打卡”進(jìn)行課堂簽到、“投票提問”課堂專注度分析等形式增加課堂管控能力。

設(shè)計(jì)面向思維培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容指導(dǎo)個性化培養(yǎng)。利用超星平臺的學(xué)習(xí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)學(xué)生在平臺上的預(yù)習(xí)與前測情況掌握學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格與認(rèn)知水平，針對課程核心內(nèi)容設(shè)計(jì)不同梯度的問題，課程內(nèi)容分為基礎(chǔ)、進(jìn)階、選學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生從記憶、理解層面過渡到運(yùn)用分析、綜合評價層面。

采用智能化多元化評價具有思維含量的學(xué)習(xí)成果。利用網(wǎng)絡(luò)平臺上對學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度、章節(jié)測驗(yàn)等對學(xué)生知識掌握情況進(jìn)行階段性考核。在教學(xué)平臺上傳并批改作業(yè)，一般知識性作業(yè)由平臺直接批改解析，高階問題開展限時討論并由教師總結(jié)。部分設(shè)計(jì)類題目由學(xué)生將自己的作業(yè)上傳到平臺，學(xué)生之間互評，以實(shí)現(xiàn)課后反思與提高。教師根據(jù)學(xué)生綜合表現(xiàn)形成評價結(jié)果。

4?教學(xué)設(shè)計(jì)

4.1?問題引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

在內(nèi)容講授中以學(xué)生感興趣的實(shí)際問題出發(fā)，例如，在介紹緩存技術(shù)時從“U盤安全刪除”這個主題，引出緩存的概念，在講授之前就抓住學(xué)生的注意力，引起他們聽講的興趣。在講授之后提出根據(jù)緩存的特性進(jìn)行程序優(yōu)化以及緩存技術(shù)在操作系統(tǒng)和Web中的應(yīng)用，讓學(xué)生在鞏固課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上思考所學(xué)內(nèi)容在應(yīng)用中的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)從知識的被動學(xué)習(xí)到主動應(yīng)用。

4.2?情景展開，串聯(lián)知識架構(gòu)

把各個章節(jié)獨(dú)立的授課內(nèi)容與計(jì)算機(jī)工作過程相聯(lián)系，從工作過程關(guān)聯(lián)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)，自動形成該計(jì)算機(jī)組成的整體框架結(jié)構(gòu)。按照課程內(nèi)容組織，為每個章節(jié)設(shè)計(jì)主題情節(jié)。例如，在高速緩存講授中，以提高CPU執(zhí)行效率為主線安排教學(xué)內(nèi)容，講授cache的工作原理、讀寫過程，分析計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)表、指令執(zhí)行對存儲系統(tǒng)的限制與關(guān)聯(lián)，使得獨(dú)立的單元授課內(nèi)容統(tǒng)一到整機(jī)系統(tǒng)的大概念中。

4.3?進(jìn)階任務(wù)，強(qiáng)化分析問題能力

為每次課程的主題設(shè)計(jì)進(jìn)階式任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生自主分析、解決，創(chuàng)造“闖關(guān)式”教學(xué)環(huán)節(jié)的推進(jìn)。例如，在提升存儲系統(tǒng)效率這一主題中，通過師生互動由淺入深講解，引導(dǎo)學(xué)生從采用高性能器件到改進(jìn)存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)對CPU的設(shè)計(jì)與指令執(zhí)行的關(guān)聯(lián)，逐步分級知識點(diǎn)，學(xué)會應(yīng)用基本原理，識別表達(dá)通復(fù)雜工程問題，并設(shè)計(jì)可行的解決方案。

4.4?啟發(fā)式討論，激發(fā)創(chuàng)新性思維

為每個課程主題設(shè)置相關(guān)討論議題，讓學(xué)生在課后進(jìn)行發(fā)散式討論，課后形成書面材料上交。選擇代表性問題在課上進(jìn)行展示與辯論，培養(yǎng)學(xué)生撰寫報(bào)告和設(shè)計(jì)文稿、陳述發(fā)言與溝通的能力。全部課程結(jié)束后要求學(xué)生將所有討論議題和課程知識點(diǎn)對應(yīng)，形成總結(jié)性材料。

4.5?課堂延展，完成知識到素養(yǎng)轉(zhuǎn)換

推薦布置與課程內(nèi)容相關(guān)的影音資料等，為學(xué)有余力的學(xué)生提供閱讀參考材料。引導(dǎo)學(xué)生從趣味故事中學(xué)習(xí)背景知識，通過對比聯(lián)想進(jìn)行思維挖掘，完成從方法到能力，從能力到思維的轉(zhuǎn)換。

結(jié)語

根據(jù)新工科理念，結(jié)合工程認(rèn)證持續(xù)改進(jìn)的理念，我們對計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)過程的組織不斷改進(jìn)。力求使學(xué)生在掌握通用的計(jì)算機(jī)基本組成和工作原理的基礎(chǔ)上，能識別、分析具體工程應(yīng)用問題，具備基本的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)開發(fā)能力，為復(fù)雜工程問題的解決打好基礎(chǔ)。課程教學(xué)取得了一定的成效，學(xué)生對硬件課程的學(xué)習(xí)興趣有明顯提高，從課堂監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以看到，學(xué)生出勤率、課堂參與度逐年提高，報(bào)名參加校級電子設(shè)計(jì)競賽、硬件比賽的學(xué)生比往年高出20%左右，兩組學(xué)生獲得了電子競賽省級一等獎，以軟硬件協(xié)同為主題的立項(xiàng)獲得省級以上大創(chuàng)項(xiàng)目3項(xiàng)。

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基金項(xiàng)目：本文得到吉林省高等教研教學(xué)改革研究課題“面向復(fù)雜工程問題的應(yīng)用型本科院校計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課程群實(shí)踐教學(xué)體系探索”（SJXG2019033）的資助

作者簡介：張威（1974—?），女，漢族，吉林吉林人，博士，北華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授，研究方向：圖像處理與模式識別、計(jì)算機(jī)教學(xué)與教育研究;胡曉宏（1969—?），女，漢族，吉林吉林人，碩士，北華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授，研究方向：數(shù)字圖像處理及計(jì)算機(jī)教學(xué)與教育研究。