对计算机组成原理课程建设的一点思考

张晴晖　李俊萩　彭金晶　马志鹏

摘要：计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门主干核心课程。本文分析了该课程教学过程中存在的问题，指出加强课程建设的必要性，并对课程表述方式、教学模式与技术手段以及实验方法等各个方面的改革进行了探索。

关键词：计算机组成原理；教学改革；EDA；Moodle

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）16-0197-02

计算机组成原理是计算机类各专业的主干课程之一，在整个计算机系统体系结构中起到承上启下的作用。自2008年起列为硕士研究生入学专业课综合考试，全国统一命题重点课程，各高校对该课程都十分重视，相关专业都列入强化建设的重点课程[1]。

一、计算机组成原理教学现状分析

目前，计算机组成原理教学中存在着较多的问题。许多计算机专业的学生，特别是非重点本科院校的学生，常常具有“喜软怕硬”的特点。特别是有些院校在专业课程的设置上也“重软轻硬”。究其原因，主要是由以下几方面造成的。

1.该门课程自身的特点。计算机组成原理是一门承上启下的课程，其涵盖的知识面很宽、跨度大、教学内容多，并且较多概念和实现的方法具有一定的抽象性，学生理解起来具有一定的难度[2]。同时，课程中与硬件有关的许多理论知识只有通过实验环节才能加深理解。但很多高校由于学时有限，没有开设实验，学生无法通过实验环节进一步加深理解。因而，学生很可能因为部分概念和原理无法清晰的掌握，而失去继续学习的兴趣和动力。反之，上层软件开发由于与实际应用挂钩、操作多于理论、学生因易上手更能获得成就感等原因，更能吸引学生的兴趣。

2.实验环节的问题。传统的计算机组成原理的实验课程是基于X86的实验箱，采用连线的方式进行。该方式需要学生采用汇编语言进行程序设计，并在试验箱上完成大量的连接线操作。这种方式面临的问题是：首先，由于学时的原因，学生可能并没有学习过汇编语言；第二，实验箱的电路由通用集成电路组成，与理论教学中使用的电路并不能直接的对应上；第三，在实验过程中，实验箱上的连线经常接触不良，指导教师和学生不得不将大量的时间耗费在连接线的操作上。另外，实验箱的功能难以扩展，实验内容相对比较固定，主要是验证性实验，无法进行有创意的或综合性较强的设计性实验。这些问题导致学生无法真正通过实验环节加深理论知识的理解，而只是机械的按照操作步骤完成程序的录入或连接线的接入，更难以充分调动学生的创新意识。

3.社会需求的导向。目前，“互联网+”时代正在来临。这是一种利用信息通信技术以及互联网平台，让互联网与传统行业进行深度融合的经济发展新形态。这种融合的模式使得不同行业的许多企业加大了对计算机人才的需求，相应的增加了许多计算机相关岗位。但目前，大部分这种与互联网融合的模式还停留在不是很深入的层面，这些岗位的需求也主要集中在Java、.net、PHP、Python以及其他上層开发软件研发人员上。这样为了更好的就业，学生在学习上必然重视与应用软件相关的课程，而忽视抽象的计算机专业基础类课程。同理，某些计算机院系在课程设置上也大量增加此类课程的学时，而削减专业基础相关课程的学时。

4.学生的学习的主观能动性不足。由于高校招生规模不断扩大，很多高校的教学与管理资源不足，再加上游戏机、电脑、手机等电子产品的冲击，学生学习的主动性和积极性整体下滑是不争的事实，尤其是非重点二本院校。此类高校有相当数量的学生的第一志愿可能并不是计算机专业，他们的专业兴趣不浓，毕业后也不想从事本专业相关的工作，读大学可能只是想获得本科文凭。因此，这部分学生在遇到计算机组成原理这类比较抽象的课程时，学习过程中稍稍遇到挫折，便可能选择放弃。

二、计算机组成原理课程建设的必要性

虽然存在着以上诸多问题，但因此就减少该门课程的学时或者是放弃该门课程，而加大应用软件的学时，对计算机专业来说就显得本末倒置了。我们认为为了培养出高层次的计算机人才，加强计算机组成原理课程的建设是有必要的。

1.知识环节的衔接的需要。计算机组成原理虽然属于硬件类课程，但其在计算机的软硬件课程之间起承上启下的作用[3]。因此具有良好的计算机组成原理基础，对操作系统、数据结构、C程序设计等软件类课程的有关知识点的理解具有极大的帮助作用。毕竟硬件是软件运行的立足点，数据结构、操作系统等课程中许多难以理解的行为都是与计算机硬件行为息息相关的。

2.应对竞争的需要。目前虽然企业对计算机专业人才的需求较大，但计算机专业的学生面临的竞争还是比较激烈。由于上层软件开发的门槛较低、上手较快，很多相近专业或其他专业的学生通过自学或者是培训班培训就可以应聘这些岗位。再则，上层软件开发具有很强的应用背景，需要开发人员具有较强的专业知识，很多时候非计算机专业的学生在具有一定的编程能力后可能还更加具有竞争力。对计算机专业的学生来说，要在竞争中处于优势，没有扎实的计算机基础，单单只是对某些开发软件的入门、编程工具的熟悉是不行的。一个优秀的程序设计人员，应该能够将计算机组成原理、操作系统、数据结构、编译原理等课程融会贯通。只有这样，计算机专业的学生才能成为高层次的计算机人才，在竞争中才具有优势。

3.更好的把握就业机会的需要。目前不仅仅是“互联网+”技术蓬勃发展，与之密切相关的物联网、可穿戴计算机、智能家居、智能硬件等新技术发展势头也非常迅猛，与这些技术相关的工作岗位也非常多。而这些技术更加偏向于底层，需要从业人员具有良好的计算机组成、操作系统、嵌入式技术、数据结构以及程序开发基础，而这正应该是计算机专业学生具有的优势。

三、对改革的一些思考

对如何提高学生学习的主动性，我们有如下一些思考。

1.加大对电子课件的研制与投入。计算机组成原理课程没有太多的数学公式的推导，学生学习的难度按理本不应该太大。但用语言或者文字的方法来描述计算机的行为显得过于抽象，从而导致学生理解起来非常吃力。而图像、动画等表现形式往往能使学生茅塞顿开，帮助其对相应知识点的理解。因而，在教学构成中采用图像和动画等表现形式是很有必要的。目前，一些较经典的计算机组成原理的教材的电子课件已经做得很好，很多高校均直接无修改的应用于教学。这些课件已经包含了动画设计，但这些动画主要还是采用PowerPoint进行设计，在一些知识点的展示上还不够具体和形象。因此，对一些难以讲诉的难点、重点，教学单位应该投入时间和精力，采用Flash等方式设计更加形象生动的动画来进行知识点的展示。

2.基于Moodle的教学方式。由于课时有限的原因，学生在课堂中无法完全理解所教授内容，必然要用大量的时间在课外进行课程的学习。如何有效的利用课外时间进行学习，就成了教学中一个非常重要的环节。Moodle（Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment），是一套基于“社会建构主义理论”设计开发的开放源代码的网络教学平台，在网络教学中正得到广泛运用[4]。任课教师可以通过该网络教学平台，构建教学资源库，以提供给学生进行自行学习；同时，还可以构建测试平台，帮助学生对学习情况进行自我评价；特别的，我们可以通过添加讨论、聊天、投票等活动的方式，在教师和学生之间搭建一个交流平台。这种基于Moodle的教学方式能够不受时间、空间的限制，推动学生自主学习，增强了学生的参与意识，能激发学生学习兴趣[5]。

3.实验教学的改革。EDA技术以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，用软件的方式自动完成硬件系统设计的一门新技术[3]。应用该技术可以在行为层对数字电路进行描述，而使数字系统的设计变得更加容易。因此将其应用在计算机组成原理实践课是可行的。国内外不少高校均开始将EDA技术应用到计算机组成原理教学中[6]。这些高校一般也购置了EDA实验箱，并开设了EDA技術课程，讲授HDL以及FPGA/CPLD相关知识，而在该课程实验中设计的锁存器、存储器、加法器、乘法器、CPU等模块均可以应用到组成原理的实验中。因此，整个组成原理课程的实验都可以基于HDL+FPGA的模式来完成。这种实验模式能加强学生对计算机各个部件实现的原理，各个部件间地址、数据、控制信息的实现和传输等知识环节的理解，让学生能从整机系统上掌握计算机的组成和模型机的设计。

综上所述，为了培养出更加符合计算机专业特色、满足市场对计算机人才需求的专业人才，我们应该加大计算机组成原理课程的建设。在课程表述方式、教学模式与技术手段以及实验方法等各个方面均要结合实际进行有针对性的改革和探索，同时在教学管理上也应投入更多的精力，力争更大程度的激发学生的学习兴趣，调动学生学习的主观能动性，让该门课程真正在学生的知识结构上起到承上启下的作用。

参考文献：

[1]时海亮.关于计算机组成原理实验课安排的研讨[J].电子设计工程，2012，20（9）：11-13.

[2]王庆香，蔡逸仪，等.“计算机组成原理”实践教学的新方法探索[J].实验室研究与探索，2007，26（12）：361-363.

[3]潘松，潘明.现代计算机组成原理[M].北京：科学出版社，2007.

[4]邓国民.基于Moodle的《现代教育技术》网络课程的开发和应用[D].成都：四川师范大学，2008.

[5]孔维宏，高瑞利.基于Moodle的混合式学习设计与实践研究[J].中国电化教育，2008，（253）：80-83.

[6]蒋本珊，王娟，等.计算机组成原理实验改革初探[J].实验室研究与探索，2007，26（12）：270-273.