計算機組成原理實踐教學改革路徑探究

高曉清 曾西洋

摘 ? ?要：計算機組成原理是計算機及相關本科專業的核心主干課程，文章從當前國內外高校計算機組成原理實踐教學現狀出發，分析了其實踐教學中存在的問題，并提出了計算機組成原理實踐教學改革的路徑。

關鍵詞：實踐教學;計算機組成原理;路徑

中圖分類號：G642.0 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2016）01-0044-03

“計算機組成原理”是計算機專業本科生必修的專業核心課程，主要內容是學習計算機組成的硬件技術原理，也涉及計算機軟件，一般被認為屬于工程性課程中的硬件課程。而硬件課程是計算機科學與技術專業課程的重要組成部分，是培養學生實踐探索興趣、科學研究素養、工程創新能力、團隊協作精神的重要手段[1]。一方面，計算機組成原理課程具有基礎理論抽象、實踐性強的雙重特點，許多教學內容必須通過工程設計和實踐才能深刻體會，另一方面，“計算機組成原理”課程在計算機及相關專業人才培養中處于承上啟下、提高實踐動手能力、開發及培養創新潛能的重要作用。而實踐教學具有形式生動、教學效果直觀及貼近工程應用的特點，在工程性課程特別是硬件課程教學中具有天然的優勢，相對于以課堂教學為主的理論教學方式，實踐教學方式更易為學生接受，對提高學生的動手能力和培養學生的創新潛能具有無法替代的重要作用。

鑒于計算機組成原理課程的重要性及實踐教學的優勢，近年來高等院校均在計算機組成原理課程的實踐教學改革上投入諸多精力和資源，并在教學內容規劃、教學模式、教學方法和教學創新等方面進行了許多探索和實踐，為計算機組成原理課程實踐教學提供了許多可供參考的新思路。然而，由于受傳統教學根深蒂固的影響，高校在實踐教學中仍然存在著一些違背創新教育的做法，如以課堂教學為主、以講解知識點應付考試為主、實踐教學環節仍然處于次要及輔助地位等，這些都束縛了實踐教學功能的充分發揮。因此，為滿足社會對創新型人才的需求，在教學中必須不斷地積極探索如何合理規劃實踐教學體系與教學內容，改進實踐教學的方法與手段等，即以培養創新潛能為導向進一步深化計算機組成原理課程的實踐教學改革。

一、國內外高校計算機組成原理實踐教學現狀

一些國外高校計算機組成原理課程的實踐教學主要采用以下幾種方式：（1）給學生指派研究性課題，主要涉及實驗室科學研究;（2）給學生布置仿真性課題，學生通過仿真分析能更深刻地領會計算機各部件原理，特別是處理器等關鍵部件的工作原理;（3）給學生布置閱讀寫作類題目，分析并預測計算機技術發展的動態，主要涉及圖書館文獻檢索、Web檢索及論文寫作等[2]。這些教學模式使理論和實踐緊密結合，也有利于培養學生的工程觀念，能夠很好地達到計算機組成原理課程的教學目標，既培養了能力又能較好地培養和發揮學生的創新潛能。

目前，國內的計算機組成原理實踐教學模式相對于早期的驗證性實驗模式已有較大的改觀。課堂教學主要講授基本概念和理論知識，驗證實驗教學的主要內容，實驗平臺結構相對固定，主要是對基本知識進行驗證，目的是使學生加深對基本概念和理論知識的理解;有些較新的平臺應用EDA技術，提供了學生自主實驗的條件，但資源不夠或在教學中沒有充分利用。主要原因是缺乏相應的教學規劃與之配套，很難達到學生對計算機組成原理理論知識感性理解的效果。這種教學模式中，學生對于相關的知識理解深度不夠，學生的動手能力及應用能力得不到明顯提高，部分學生缺乏足夠的學習興趣，教學效果不理想，難以達成課程的教學目標。

二、計算機組成原理實踐教學問題分析

在驗證性為主的實踐教學模式下，實驗室缺乏培養創新潛能的實踐平臺及相應的教學規劃，學生主要圍繞著課堂教學被動地接受理論知識，缺乏實踐動手能力，培養創新潛能更無從談起。這對于技術性、工程性強的計算機組成原理課程來說，顯然是不適宜的。而教師缺乏工程教育理念、自身工程素質不高、教學資源配置不合理是形成這一狀況的主要因素，它們相互影響，彼此制約[3]，形成負面表現。

（一）實踐教學作為理論教學的補充

實踐教學被定位為理論教學的補充，實踐教學機械地圍繞理論教學內容開展，學生和教師均沒有自主發揮的余地。這使得參與實踐教學工作、實驗室建設和管理的教職工，特別是作為教學主體的學生的主觀能動性和創造性受到較大的局限，相互影響，彼此制約，產生了一些負面影響。

（二）驗證性實驗為實踐教學的主要內容

在實驗項目設置上缺乏實際背景、綜合性和因材施教的靈活性，實驗內容多為驗證性，實驗教材的主要目的是指導學生按步驟地去完成規定的實驗內容;實驗內容提前預設且方案單一，學生沒有更多的選擇余地;實驗方法的局限性也較大，大多數實驗中學生只需按要求連線、撥動開關、記錄發光二極管顯示，采用微程序方法設計控制器時只能編寫微程序，無法改變計算機結構，也無法擴展外圍電路，學生的設計難以突破實驗設備的限制。這些都極大地限制了學生的自主創新空間。

（三）教師介入過多過細

在教學過程教師更強調操作細節，而忽視對因果關系和不同知識點內在聯系的講解或討論，學生對有關知識點、相關實驗間的相互聯系等也根本無須思索，實驗結果不正確時茫然不知所措，結果正確也不知所以然，更談不上對實驗結果的分析;實驗中沒有理論聯系實際的教學安排。這些勢必影響到學生參與實踐教學的積極性和探索精神。

（四）考核標準不合理

對學生的考核以實驗報告為主要依據，現場成績評定以實驗結果的正確與否為主要標準。這樣學生在實驗時常常抱著應付教師的消極態度和僥幸心理，往往只重視實驗報告，部分學生甚至相互抄襲，無法在實驗過程有所收獲，更缺乏實際探索的動力。

（五）實驗條件不足

實驗室不具備培養學生創新意識的條件，如實驗設備數量不足，實驗時多人一組，配套儀器缺乏。一些學生積極主動，而另外一些學生則期望蒙混過關;缺乏相關測試儀器設備，學生對有關信號和電路狀態無法獲得直觀的認識;不具備學生自主選擇實驗或教師因材施教的條件，學生和教師都沒有太多的選擇余地。

以上這些因素使得實驗教學得不到應有的效果，學生的動手能力提高與創新能力培養成為一句空話。

三、計算機組成原理實踐教學改革路徑

為更好地適應國家對高等工程教育改革的要求，更好地適應社會對人才的要求，鑒于計算機組成原理課程在計算機專業教學中的重要地位，我們在計算機組成原理課程教學實踐中，主要從以下幾個方面做了一些改革嘗試。

（一）更新教育觀念

當今我們所處的時代，社會最需要的是具備綜合素質的創新性人才。作為高等教育工作者，我們必須徹底轉變以前以知識傳授為主的應試教育觀念，建立以培養綜合素質和創新能力為主的素質教育觀念。為實現素質教育、培養創新人才的目標，在高等工程教育中應以學生為教學的主體，一切教學工作應以學生為中心展開;在教學環節上應充分發揮實踐教學在實現素質教育、培養創新人才方面具有的天然優勢，將其置于更重要甚至是主要地位，使理論教學圍繞實踐教學展開。

（二）優化實踐教學內容及形式

以培養學生創新潛能為導向規劃實踐教學內容，優化實踐教學體系[4]。近年來我們作了一些有益的嘗試：增加實踐教學的比重，實踐環節的學時占比從以前的26%增加到目前的34%;在保留基本的必修實驗的基本上，增設選修實驗，拓寬實驗領域，增大設計性、綜合性實驗的比重，并針對不同的專業性質，開設部分差異化選修實驗內容，保留基本的運算器、存儲器、基本I/O接口實驗，微程序方式控制器設計實驗等，開設利用EDA技術設計計算機各單元部件電路的選修實驗，利用EDA技術設計控制器的選修實驗內容;在嵌入式專業的實驗設置中強化EDA技術的設計及應用的綜合性實驗內容等。這些選修實驗內容、綜合性實驗內容明顯對學生更具吸引力。這些教學內容不僅要求學生具備較扎實的理論基礎，同時對學生實際動手能力和分析問題、處理問題的綜合能力提出了更高的要求。為順利、有效地達成教學目標，教師的任務應是引導和答疑解惑，無須手把手介入實驗過程，這樣學生學習的主動性顯著增強，教學效果顯著改善。

在實踐教學環節中借鑒外國先進的教育經驗，在教學過程中給理論基礎較好的學生指派研究性實驗課題，為后續參加學術競賽及科學研究做準備;在各章節重要知識點的教學中給學生指派設計及仿真性課題（布置利用相關集成環境：QUARTUS II 11.0+ModelSim 10.0，對計算機基本部件進行設計和仿真的實驗內容，設計結果也可下載到DE2-115FPGA開發平臺上實現），學生可以按自己的方式設計和實現計算機部件，通過仿真對不同的設計方案進行評價，有利于更深刻地理解計算機關鍵部件的原理，發揮學生的創新潛能;給學生指派閱讀類題目，跟蹤計算機發展的動態，以此培養學生信息檢索、分析及綜合能力。

計算機組成原理課程的研究對象是一般意義上的計算機，而不是先進的、高性能的計算機，重點討論計算機的基本原理。但為避免過于抽象，教學中總會涉及具體的計算機，不同的教學內容會涉及不同的計算機，目前大多數教材的主要研究對象是PC機，包括全國研究生入學統考的指定及參考教材也是如此。為提高學生的學習興趣，在教學內容中適當增加對基于ARM指令集的微處理器內核的討論，由于它們在智能手機中被大量采用，學生接觸更多，教學效果更好。

（三）改良教學方法

第一，教師在講解過程中注意層次分明、重點和難點突出。教學中教師無須面面俱到，有些內容點到為止，特別是技術細節，學生在教師引導和幫助下在實踐中自己學習和體會，可以啟發學生積極思維，提高學生的自我學習意識和能力。

第二，因材施教，促進學生個性發展。對于基礎較好的學生，鼓勵他們選擇綜合性、研究型實驗，有條件時鼓勵他們積極參與實驗室建設和維護，加強對他們的工程訓練;而對于動手能力相對較弱的學生，以培養他們的基本技能為主，使他們擺脫依賴思想，要求他們必須獨立完成基本實驗內容。

第三，創造條件，充分利用一切現代教育手段提高教學效果。如利用計算機輔助教學技術和仿真技術，形象生動地展示數據流及指令流在計算機中的傳輸或執行過程，激發學生的學習興趣和探索精神;通過教學網站（http：//jxpt.wtu.edu.cn/wljxpt/index.action）提供關鍵知識點的教學短視頻，并為學生創造一個不受時間和空間限制的學習及交流的虛擬空間，同時不斷完善按知識點分類的計算機組成原理題庫系統，并提供學生的自我測試功能和知識點及答案分析等。

第四，引入先進的教育教學模式。如采用MOOC（massive open online courses：大型開放式網絡課程）/SPOC（Small Private Online Course：小規模限制性在線課程）教學模式，采用翻轉課堂教學模式等。

（四）優化考核措施

實踐環節考核的方法要多種形式并用，并把筆試、現場答辯、實驗演示、論文寫作等有機地結合起來。如在實踐考核環節采用現場公開操作并答辯的方式進行，不僅是對學生學習的督促，也能保證成績評定的公正，保護學生的學習積極性;可以采用小組答辯的形式，培養學生的交流及合作能力;也可采用操作考試與提交實驗相關科技論文的方法來培養資料檢索和論文寫作能力等。

（五）優化實驗室資源配置

為達到良好的教學效果，學院硬件專業實驗室實驗設備盡量做到一人一臺（套），部分實驗至多兩人一臺（套）;為滿足不同層次學生的教學要求，計算機組成原理課程實踐環節同時配備了基礎的實驗平臺（計算機組成原理試驗箱）和創新性實驗平臺（DE2-115、PSOC3/5），并配備仿真工具;為學生增強對實際開發環境感性認識，對于專業性較強的實驗，配備相關的測量儀器設備;為貫徹以實踐環節為主的觀念，在實驗室建立良好的教學環境，配備投影儀、白板及擴音設備等。目前學院還結合現代工程技術，適時引進和補充了一些代表學科前沿研究方向的高性能實驗儀器設備，為教師的學術研究和科研提供了良好的條件，也能夠對學生的素質提高和創新能力的培養發揮積極作用，做到了教、學、研相長。

通過以上措施，搭建合理的實踐教學軟硬件平臺，用心組織和實施實驗教學，適當引入新技術應用的實驗內容，不僅能讓學生受到系統的實驗技能訓練，更能培養學生嚴謹的科學思維，開發學生的創新潛能，培養學生解決實際問題的綜合能力。而與此相適應的配套考核措施可以檢驗提高學生的實驗動手能力和培養創新思維能力的實際效果。

計算機組成原理課程的實驗教學改革需要長期的研究探索和實踐，應該是一個不斷適應社會需要，不斷改進的動態過程。好的教學模式，對幫助學生掌握計算機組成原理課程的基礎知識單元，建立計算機硬件系統的整機概念，進而培養學生計算機系統的設計能力和創新應用能力，具有至關重要的作用。以上的一些改革探索和實踐在實際教學中取得了良好的教學效果。我們將不斷對計算機組成原理課程實踐教學內容、教學手段、教學方法、考核方式等方面進行研究和探索，通過健全教學資料的管理、不斷總結經驗、找差距、多參與交流及借鑒等方式，確定一種改革的動態模式，最終目的是提高教育質量，實現計算機組成原理課程的培養目標。

參考文獻：

[1]惠麗，吳玲，于麗萍.計算機專業硬件課程體系建設的優

化與改進[J].黑龍江教育：高教研究與評估，2013，（4）.

[2]Anguita M，Fernandez B.Software optimization for

improving student motivation in a computer

architecture course[J].IEEE Transactions on

Education，2007，（4）.

[3]郭超峰.計算機組成原理課程教學模式改革與創新[J].

計算機教育.2012，（24）.

[4]湯書森，馬義德.現代計算機組成原理課程特點與實驗

教學新模式探索[J].高等理科教育，2012，（1）.