关于教学改革计算机组成和系统结构课程教学革新与实践学士

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[摘 要] 结合近年来在计算机组成和体系结构类课程方面的教学实践，对该类课程的教学方法进行了研究，提出建立计算机组成与体系结构课程群的课改思路，并对相关课程进行了教学改革实践。建立了一种在课程群的教学过程中引导学生进行创新性主动学习的教学思路。
[关键词] 课程群；主动学习；计算机组成与结构
[] A [文章编号] 1005-4634（2013）02-0064-04
0 引言
在计算机硬件教学课程体系中，“计算机组成原理”是基础课，它主要以顺序执行为主要特征，从部件到整机介绍冯诺依曼结构计算机的基本组成。而“计算机体系结构”则是一门专业基础课，它把当前主流的、先进的计算机设计和实现过程中的一些较为典型的思想和方法提取出来作为教学内容讲授。因此在实际教学过程中，无论是对于计算机组成还是对于计算机体系结构，一般都普遍认为理论和概念多、教学抽象、教师授课时教学内容部分有重复，因而学生听起来感觉单调、乏味，也比较困难。因此，如何提高学生的学习兴趣，使学生系统而全面地掌握计算机组成和系统结构的基本理论、方法，提高该类课程的教学效率和教学效果，近年来引起人们的广泛关注，很多老师根据自己的实践经验，对该类课程的教学进行了有益的探讨和研究[1-9]。
图1是美国UC Berkeley 大学2009年关于计算机组成及其体系结构的课程设置情况。从图1中可以看出，在这一类课程的教学设置中，UC Berkeley大学在保留了传统课程内容的同时，也加强了基于FPGA 的硬件设计能力的培养。此外，还在本科教学中加深了并行体系结构方面的教学内容。
图2给出了中国科技大学2010年关于计算机组成及体系结构的课程设置情况。由图2可见，中国科技大学在保留传统课程内容的同时，在本科教学中加强了CPU设计能力的培养。
论文还对Stanford[3]、MIT[4]等其他多个美国著名大学和南京大学[5]、国防科技大学[6]等国内著名高校在相关课程方面的教学情况进行了分析。分析发现，这些大学在计算机组成与体系结构等相关课程教学理念、教学思路，甚至教学内容方面都有很多相似之处，如都以典型的流水线CPU设计技术和存储器层次化结构为核心内容，都是站在计算机系统的高度阐述计算机组成原理及硬件系统的结构和设计思想，强调学生对并行体系结构、并行程序设计等技术的掌握。
通过对国内外一些著名高校的相关课程教学方法进行分析总结，本文结合笔者近年来在该类课程方面的教学实践，对该类课程的教学方法进行了研究，提出建立计算机组成与体系结构课程群及在教学过程中主动引导学生进行创新性学习的教学思路，并在相关课程教学中进行了探索和实践。
1 计算机组成与结构课程群的建设
在对国内外著名高校计算机组成与体系结构相关课程设置情况深入研究分析的基础上，论文对笔者所在的西安理工大学计算机科学与工程学院的计算机科学与技术及相关专业开设的所有课程的教学内容进行了梳理，发现由于课程间缺乏统一规划和协调，教学存在内容大量重复或缺失、课程之间内容脱节等问题。针对该问题，结合西安理工大学计算机专业相关课程教学内容特点及要求，并借鉴国内外有关院校的经验[5-9]，对原有专业课程设置进行了调整。将原先模拟电子技术部分内容合并到数字逻辑电路设计中，形成数字逻辑与数字系统课程；将原先的计算机组成原理和计算机系统结构内容合并，形成计算机组织与结构课程；同时开设了一门新课——高级计算机体系结构。通过对相关课程的调整，构建了以“计算机组织与结构”为核心的课程群（如图3所示），对相关课程的教学体系进行了统一规划。
其中，计算机技术导论主要从宏观上介绍计算机系统涉及到的各个层次的内容，让学生从整体上了解计算机系统的全貌和相关知识体系；数字逻辑与数字系统围绕组合逻辑设计和时序逻辑设计两大核心内容，在逻辑门到功能部件这两个层次展开；计算机组织与结构从寄存器传送级以上层次介绍单处理器计算机系统设计的基本原理；微机原理与接口及嵌入式系统分别定位为计算机组织与结构的基本原理在PC 及嵌入式系统方面的实例化；高级计算机体系结构则主要在更高层次上介绍多核CPU、多处理机系统、集群系统等不同粒度和规模的多处理器并行计算机系统的工作原理、实现方式及其应用领域。上述课程中，计算机技术导论、数字逻辑与数字系统、计算机组织与结构为必修课，微机原理与接口、嵌入式系统、高级计算机系统结构为选修课。
针对不同课程在教学体系上的关联知识点，采用了如下的处理思路。
1）关于进位计数制及相互之间的转换、ASCII 码表示、逻辑数据表示、汉字编码、无符号数表示、带符号数表示，在计算机技术导论课程中进行详细讲解，而在后继课程中作为“回顾”内容，不再详细介绍；补码特性和浮点数的表示则在计算机组织与系统结构中详细介绍。
2）逻辑门电路、半加器、全加器、加法器、比较器、编码器、译码器、触发器、寄存器、移位器、内存储器的实现技术及相关电路设计内容在数字逻辑与数字系统中详细介绍；计算机组织与系统结构课程则直接使用这些基本电路来构建更大的功能部件。
3）关于存储器的相关方法、原理主要在计算机组织与系统结构中详细介绍；计算机系统概论课程仅作概要说明；微机原理和接口技术中不再讲。
4）关于I/O接口，计算机技术导论课程从计算机硬件系统组成的角度简单提一下常用的外部设备的功能及接口；计算机组织与结构主要介绍各种外设抽象出来的一个通用结构，以及外设控制器的通用结构；微机原理与接口技术则具体介绍PC机所用的一些接口电路、I/O 总线及其互连。
2 引导学生进行创新性主动学习的实践
为了进一步提高计算机组成及体系结构等相关课程的教学效果，在积极建设计算机组成与结构课程群的同时，还在相关课程的教学过程中，从以下三个方面对引导学生进行创新性主动学习的教学方法进行了探索和实践。

2.1 积极探索新的教学技巧，提高学生对相关课 程的学习兴趣

计算机现在非常普及，各种部件学生也都熟知，只不过对各部件的工作原理以及相互之间的通信方式还不是太了解，所以有些无所适从。因此，在开始讲授这门课时，首先从培养学生的学习兴趣入手，引导学生运用自己以前所学的知识和了解到的一些市场行情，去写出一台计算机的配置，看看都需要哪些部件，怎样配置才是最优最合理的。这样可以使学生更直观、更全面、更深入地理解本课程的教学目的，然后再结合教学辅助软件将计算机的硬件进行分割、拆卸，如硬盘、软驱、光驱、主机、打印机、显示器等，将其内部结构展现出来，使学生能够更好地了解计算机功能部件的内部结构及其相互之间的联系。另外，利用适当的机会向学生介绍本学科发展的新动向、新技术，指出现在的整个技术发展大趋势是什么，这样有助于引导学生牢固树摘自：毕业论文的格式www.618jyw.com
立为探求技术发展而努力学习的信心和决心。通过这种方式，学生们普遍感到计算机的组成结构原来离自己是很近的，消除了畏惧心理，从主观上开始重视该课程，并带着问题和兴趣去学习，这样就为讲好、学好该课程打下了基础。
为促使学生对课程学习产生更为持久的兴趣，还进行了如下探索和实践。
在教学内容的选择上，优化教学内容，突出重点，讲清难点。学生重点掌握的是计算机的运算器、存储器、控制器及I/O设备的基本组成和工作原理。因此在讲授运算器的运算原理及组成机制、各种存储器的构成及存储原理、CPU中微程序控制器的机理等内容时，分配了很多课时和精力，目的是让学生重点理解并掌握这些知识。其他部分内容可视课时的多少或让学生自学，或略讲，或讨论。
在授课过程中，将重点放在基本原理上，如对计算机的各个功能部件，应着重掌握它在整机中的作用，以及由此而分配给各部件所要完成的任务， 从而正确选用或设计硬件，而不致被众多风格各异的计算机结构及组成所迷惑；以计算机五大部件内容为主线，重点讲述基本内容，如对计算机硬件结构的发展，只是重点讲述计算机系统的层次结构； 计算机指令系统不是本课程的重点，只介绍指令的寻址方式及一些典型指令；CPU部分只注重分析微程序控制器、微程序设计技术及流水CPU， 其他部分内容可引导学生自学；对于需要重点掌握、但教材上没有详细介绍的基本内容应根据具体情况增加介绍，如教材介绍存储器扩展技术的字位同时扩展时，教材上只有不到60字的内容，而这部分内容又是重点，课后习题占了将近一半，故需增加课时，详细讲解。另外，对微程序控制计算机的基本工作原理和程序设计技术要求重点掌握，而教材中此部分内容介绍较少，如何写指令的微程序，如何确定微指令的结构，学生感到困惑，故需对微程序控制器进行详细的讲解。
在教学过程中尽量采用“形象教学法”，对适合课堂演示的动态模拟内容，比如像讲解“存储器的读写操作”时就采用直观的多媒体形式；而对于概念性和推理性很强的内容，比如像讲解“补码的加减法”时，则采用板书结合教师的手势和形体语言的方式，以吸引学生的注意力；对于难以理解的内容，用生活中的一些生动形象的具体实例加以解释说明。比如，处理器一章中的流水技术原理，初学者理解起来也比较困难，就举了一个“三人合作洗衣服”的例子：三个人分别承担洗衣、烘干、叠衣任务，合作完成洗衣服的任务，这样三个过程连续进行就可以完成洗衣服任务。这样学生就很容易理解，而且与流水线相关的概念比如吞吐率、流水效率、数据相关等也就可以迎刃而解了。

2.2 加强教学互动，以问促学，积极引导学生进 行主动创新性学习

为了使学生能够带着问题对课程进行主动学习，培养学生的创新性学习能力，并实现教学互动，在授课过程中，故意设置一些问题“陷阱”，引导学生主动思考。例如，在存储系统一章中，讲述主存储器是由半导体读写存储器RAM 和半导体只读存储器ROM 组成，RAM 是易失性存储器，ROM 是非易失性存储器，RAM 又分为静态和动态两种。为什么静态RAM 不需要刷新，而动态RAM 需要刷新？为什么放大器读出的信息不会送到数据线上？将这样一系列的问题留给学生讨论，调动学生的积极性，让他们各抒己见，最后得出正确的答案。这样，不仅活跃了课堂气氛，提高了学习的趣味性，还便于教师及时发现学生存在的问题，达到教学相长的目的。
对一些简单的教学内容，一般要求学生自学，教师只针对自学内容提出几个具体问题，由学生讨论，自己解决。例如在讲授处理器一章中的传统CPU 一节时，考虑到学生前面已学习过CPU的基本组成和功能原理，这一节内容可要求学生自学，并且布置习题要求学生课下完成。
对教学中一些尚未透彻理解、容易混淆的概念以及学生自学中没有解决的问题，组织学生在课堂进行专题讨论。例如，存储系统一章中的存储器的字位扩展是一个非常重要的问题，学生在解题时很容易把字扩展和位扩展中的地址线画错。针对这个问题进行举一反三，通过仔细分析，加深学生对基本概念和基本理论的理解，达到触类旁通的效果，有助于学生解题能力的提高。

2.3 加强实践环节，培养学生解决问题的能力

计算机组成原理主要以单个计算机的基本组成和工作原理作为教学内容，概念多，特别是教学过程中的实践性比较强，因此课程教学与实验教学相结合非常必要。笔者共安排了32学时的实验，实验内容以验证性实验为主。通过这些实验，学生对计算机的内部结构有了更明确的了解，同时对计算机的硬件特性也有了比较全面的认识并巩固掌握了所学的理论知识。
计算机体系结构主要以现代并行计算机结构的设计和实现所涉及到的一些思想和方法为教学内容，课程的技术性更强。针对该教学特点，在课程的实验教学设置上强化了设计性实验内容。围绕相关实验内容，将所有学生分组，每4～6个学生安排为一组，进行专题设计性实验，实验题目在第一次开始上课时即作为任务布置给学生，让学生以小组为单位，通过各种信息渠道合作解决，收到了较好的教学效果。3 结束语
经过几年来计算机组成与结构课程群的教学改革实践，相关课程教学内容的设置减少了重复，弥补了缺失，衔接更加合理。通过在教学过程中引导学生进行创新性主动学习的探索与实践，提高了学生对计算机组成与结构课程的学习兴趣与学习主动性，促进了学生对计算机组织与结构基本理论、方法的理解和掌握，提高了该类课程的教学效率和教学效果。
参考文献
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中国科技大学.2010年关于计算机组成及体系结构的课程设置情况[EB/OL].（2010-03-09）[2012-11-15].http：//cs.ustc.edu.cn/jypy/bksjy/201006/t20100626_22938.html.
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4.csail.mit.edu.

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[9]杨军，蒋慕蓉，武浩.源于：论文格式范例www.618jyw.com
面向创新实践的“计算机系统结构”教学改革探索[J].计算机教育，2009，（8）：32-34.