姚 莉，倪 波

應(yīng)用型人才培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)改革研究

姚 莉，倪 波

（湖北理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 黃石 435003）

為了提高計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力，提高學(xué)生解決計(jì)算機(jī)復(fù)雜工程問(wèn)題能力，在總結(jié)計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求，提出課程教學(xué)改革建議。根據(jù)課程特點(diǎn)和課程在高校計(jì)算機(jī)專業(yè)中的教學(xué)現(xiàn)狀，分析教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題。從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)評(píng)價(jià)和課程思政等方面，提出教學(xué)改革措施，結(jié)合案例落實(shí)于教學(xué)過(guò)程，成效顯著。

計(jì)算機(jī)組成原理；課程教學(xué)；改革研究

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生核心基礎(chǔ)課程之一，對(duì)構(gòu)建學(xué)生整個(gè)計(jì)算機(jī)“系統(tǒng)觀”起到承上啟下的作用。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生需要能夠從微觀、中觀、宏觀三個(gè)層面掌握計(jì)算機(jī)內(nèi)部基本組成，計(jì)算機(jī)核心部件的工作原理和各部件之間的相互協(xié)作運(yùn)行機(jī)制；掌握機(jī)器指令、微指令等相關(guān)概念和指令級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理；建立理解不同層次指令在計(jì)算機(jī)硬件上的執(zhí)行過(guò)程。但在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中存在現(xiàn)實(shí)問(wèn)題：其一理論與實(shí)踐“兩張皮”。計(jì)算機(jī)組成原理概念抽象，知識(shí)點(diǎn)多，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)分散在不同的章節(jié)，缺乏系統(tǒng)化，造成理論教學(xué)解釋原理不深入，實(shí)踐教學(xué)訓(xùn)練強(qiáng)度不夠，從而造成理論與實(shí)踐“兩張皮”問(wèn)題。其二實(shí)踐教學(xué)“三脫節(jié)”問(wèn)題。計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)踐教學(xué)中存在實(shí)踐內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、考核標(biāo)準(zhǔn)與塑造學(xué)生系統(tǒng)觀念，熟悉系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行機(jī)理和流程以及考核學(xué)生能力產(chǎn)出方面存在脫節(jié)，制約了學(xué)生解決復(fù)雜工程能力的能力。其三課程思政“空泛化”問(wèn)題。目前計(jì)算機(jī)組成原理的課程思政建設(shè)更多的強(qiáng)調(diào)的是一種理念的宣講，如，介紹中國(guó)計(jì)算機(jī)發(fā)展的現(xiàn)狀和取得的成就，從而激勵(lì)學(xué)生愛(ài)國(guó)熱情和社會(huì)責(zé)任，而忽視專業(yè)精神和職業(yè)精神的協(xié)同培養(yǎng)。

一、教學(xué)改革措施

目前各高校在計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)方面針對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程改革有很多[1]，包括從理論到實(shí)驗(yàn)，再到課程設(shè)計(jì)[2]等。有利用各類工具完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革措施，也有針對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行的改革方法[3-4]。本課程改革的重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力，以提高學(xué)生解決計(jì)算機(jī)復(fù)雜工程問(wèn)題能力。工程認(rèn)證畢業(yè)要求培養(yǎng)學(xué)生解決計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題能力，就必須對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有深入全面的認(rèn)識(shí)。

（一）教學(xué)內(nèi)容改革，培養(yǎng)學(xué)生深入工程原理的系統(tǒng)觀

筆者所在課題組以具體實(shí)踐項(xiàng)目融入教學(xué)內(nèi)容和課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)始終，并通過(guò)完成項(xiàng)目為評(píng)價(jià)依據(jù)，強(qiáng)化學(xué)生的系統(tǒng)思維和深入工程原理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)能力，訓(xùn)練學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力，為培養(yǎng)學(xué)生解決計(jì)算機(jī)復(fù)雜工程問(wèn)題能力打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，具體實(shí)施如圖1所示。

圖1 課程教學(xué)實(shí)施

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力是指能自覺(jué)運(yùn)用系統(tǒng)觀，理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體性、關(guān)聯(lián)性、層次性、動(dòng)態(tài)性和開(kāi)放性，并用系統(tǒng)化方法，掌握計(jì)算機(jī)硬軟件協(xié)同工作及相互作用的機(jī)制的能力。通過(guò)掌握軟硬件接口和運(yùn)行協(xié)同機(jī)理、軟硬件邏輯關(guān)系和體系結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計(jì)和交互模式等知識(shí)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的基本能力，最終實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)應(yīng)用和創(chuàng)新的價(jià)值。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的內(nèi)涵主要包括三個(gè)方面。一是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)能力，即學(xué)生可以運(yùn)用數(shù)學(xué)和物理原理，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)，包括中央處理器（CPU）、操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這是計(jì)算機(jī)最基本的系統(tǒng)，稱為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)。二是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域系統(tǒng)能力，即學(xué)會(huì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)原理，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的專門(mén)系統(tǒng)，例如軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)、 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等，稱為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域系統(tǒng)。三是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能力，即可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)專業(yè)系統(tǒng)原理，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用系統(tǒng)，稱為計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

隨著大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的建立和個(gè)人移動(dòng)設(shè)備的普及，可以清楚地看到，計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)強(qiáng)調(diào)的“程序性開(kāi)發(fā)能力”正在轉(zhuǎn)化為更重要的“系統(tǒng)性設(shè)計(jì)能力”。為了應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜應(yīng)用，編寫(xiě)出高效程序，應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員必須了解系統(tǒng)平臺(tái)的底層結(jié)構(gòu)，并熟練掌握其中的技術(shù)和工具。同時(shí)，要求在整體的系統(tǒng)層面綜 合設(shè)計(jì)，通過(guò)軟硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)方案的最優(yōu)化，以強(qiáng)大的底層技術(shù)來(lái)保證各項(xiàng)復(fù)雜功能的高效實(shí)現(xiàn)。因此，修訂教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生深入工程原理的系統(tǒng)觀是保證學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的必要條件。

（二）教學(xué)方法改革，多措并舉培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)和探究能力

計(jì)算機(jī)組成原理是一門(mén)硬件課程，是學(xué)生全面認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)硬件工作原理的核心課程。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包含軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)，硬件是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件是硬件的補(bǔ)充。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從硬件到接口，從系統(tǒng)軟件到應(yīng)用軟件一直都是密不可分的，因此教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從系統(tǒng)的角度看待問(wèn)題，建立基本計(jì)算機(jī)模型通過(guò)實(shí)驗(yàn)傳授基本技能分析問(wèn)題，最后不斷完善模型解決問(wèn)題。在強(qiáng)調(diào)“大工程觀”的前提下開(kāi)啟學(xué)導(dǎo)式案例教學(xué)。

在課程學(xué)習(xí)中，引導(dǎo)學(xué)生有效的結(jié)合軟件基礎(chǔ)語(yǔ)言課程，幫助學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中會(huì)變得更易接受。其實(shí)計(jì)算機(jī)組成原理課程的眾多知識(shí)點(diǎn)都與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言類課程中的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)有一定的聯(lián)系。例如：C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言等，如表1所示。

表1 課程知識(shí)點(diǎn)對(duì)比

因此，在授課過(guò)程中，根據(jù)需要在“先學(xué)”或“后教”環(huán)節(jié)中引入C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言問(wèn)題，提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)知。向?qū)W生拋出問(wèn)題、增加互動(dòng)、引導(dǎo)學(xué)生講解，完成學(xué)導(dǎo)式教學(xué)。

另外，例如在講解微程序控制器時(shí)，使用Logisim軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模型，強(qiáng)調(diào)“先學(xué)后教，先練后講”，在理論教學(xué)過(guò)程中穿插基于OBE的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。將前導(dǎo)知識(shí)指令系統(tǒng)和前導(dǎo)課程匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)里的內(nèi)容進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和串接，讓學(xué)生在如圖2所示的完整模型機(jī)上完成匯編語(yǔ)言源碼、機(jī)器指令以及微指令的設(shè)計(jì)與運(yùn)行，完成實(shí)踐性案例教學(xué)。

CPU由運(yùn)算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0-R7），指令寄存器（IR）、程序計(jì)數(shù)器（PC）和地址寄存器（AR）組成,如圖2所示。這個(gè)CPU在寫(xiě)入相應(yīng)的微指令后，就具備了執(zhí)行機(jī)器指令的功能，但是機(jī)器指令一般存放在主存當(dāng)中，CPU必須和主存掛接后才有實(shí)際的意義，所以還需要在該CPU的基礎(chǔ)上增加一個(gè)主存和基本的輸入輸出部件，以構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的模型計(jì)算機(jī)。通過(guò)在教學(xué)過(guò)程中對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的模擬與仿真，理解計(jì)算機(jī)中各個(gè)部件如何協(xié)調(diào)工作，理解并掌握計(jì)算機(jī)工作的基本原理。

此外，為彌補(bǔ)學(xué)時(shí)不足的影響，本課程采用線上線下相結(jié)合的教學(xué)方式，一方面彌補(bǔ)課時(shí)不足的影響，另一方面通過(guò)線上預(yù)習(xí)，課后答題等環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)和探究能力。本課程的線上教學(xué)依托educoder實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，利用線上平臺(tái)幫助學(xué)生更好的完成知識(shí)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐。同時(shí)，讓學(xué)生在課下也能更好的完成自主學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)鞏固。如圖3所示是學(xué)院21級(jí)所有本科專業(yè)學(xué)生已經(jīng)完成的線上課堂。

圖2 仿真模型機(jī)電路圖

圖3 educoder平臺(tái)課程線上學(xué)生情況

圖3是2022年9月至2023年1月的一個(gè)學(xué)期實(shí)踐，是本課程教學(xué)改革最近的一個(gè)學(xué)期的實(shí)踐。參與課程改革實(shí)踐的21級(jí)學(xué)生在學(xué)到的知識(shí)，提高了認(rèn)知的情況下，大大提高了學(xué)習(xí)能力，掌握了對(duì)新領(lǐng)域新知識(shí)的探索方法。學(xué)生學(xué)習(xí)以后不斷完善模型機(jī)功能，隨著對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)認(rèn)知不斷加深，確定個(gè)人的學(xué)習(xí)發(fā)展方向“終身學(xué)習(xí)”“持續(xù)改進(jìn)”。

（三）教學(xué)評(píng)價(jià)改革，注重工程實(shí)踐考核

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理課程考核是圍繞知識(shí)層面的考核。例如：平時(shí)作業(yè)完成度，課程報(bào)告、期末成績(jī)等，缺乏對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題中涉及的多制約條件下，學(xué)生實(shí)踐能力的考核。本次改革中，考核標(biāo)準(zhǔn)將工程實(shí)踐的考核分解為，項(xiàng)目調(diào)研、分析、實(shí)施、部署等環(huán)節(jié)，并在不同的環(huán)節(jié)中既考察系統(tǒng)功能的完備性、技術(shù)路線的先進(jìn)性等技術(shù)性因素，還重點(diǎn)考察文獻(xiàn)檢索、現(xiàn)代工具使用、成本分析、團(tuán)隊(duì)合作等非技術(shù)性指標(biāo)，讓考核成為檢驗(yàn)學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題的“金標(biāo)準(zhǔn)”。

（四）課程思政融入課堂

另外，“課程思政”的建設(shè)工作中，強(qiáng)調(diào)“要完善課程體系，解決好各類課程和思政課相互配合的問(wèn)題”[5]。計(jì)算機(jī)組成原理在課程教學(xué)中也存在著課程思政空心化，對(duì)思政理解膚淺化的現(xiàn)象。在教學(xué)過(guò)程中根據(jù)課程內(nèi)容，選取和思政關(guān)系大的知識(shí)點(diǎn)，展開(kāi)教學(xué)。比如，通過(guò)講解計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)芯片發(fā)展史，告訴同學(xué)們科學(xué)研究要“坐得冷板凳”，對(duì)所從事的工作，要執(zhí)著、熱情、淡泊名利。再比如，講到計(jì)算機(jī)整體結(jié)構(gòu)的時(shí)候，可以結(jié)合華為目前技術(shù)突飛猛進(jìn)的例子展開(kāi)講解。通過(guò)這樣的案例合理設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程，在專業(yè)課教學(xué)過(guò)程中，融入思政元素，達(dá)到良好的育人效果。

二、改革成效

（一）教學(xué)滿意度方面

經(jīng)過(guò)上述一系列的改革措施，從整體上也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。團(tuán)隊(duì)教師使用Logisim設(shè)計(jì)了基于馮諾依曼機(jī)的簡(jiǎn)易計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模型，并推廣應(yīng)用到計(jì)算機(jī)所有專業(yè)中，實(shí)現(xiàn)了硬件實(shí)驗(yàn)自主研發(fā)。讓課堂氛圍提升的同時(shí)，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。根據(jù)educoder平臺(tái)上統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，學(xué)生花在計(jì)算機(jī)組成原理課程上的時(shí)間也增加了。反映出學(xué)院學(xué)生對(duì)本課程有了更全面、更完整的理解，對(duì)課程教學(xué)評(píng)價(jià)滿意度也有很大的提高。

（二）學(xué)生能力提升方面

2016年至今，教師指導(dǎo)學(xué)生參加全國(guó)各類專業(yè)性競(jìng)賽，例如：大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)競(jìng)賽等獲得國(guó)家級(jí)省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)若干。2017年至今，教師指導(dǎo)學(xué)生參加藍(lán)橋杯全國(guó)軟件和信息技術(shù)專業(yè)人才大賽也獲得了非常優(yōu)異的成績(jī)。2020年，教師指導(dǎo)2017級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、2017級(jí)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)等共計(jì)21名學(xué)生參加藍(lán)橋杯嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)組競(jìng)賽，19人獲獎(jiǎng)，其中4人獲得國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)，獲獎(jiǎng)率超過(guò)90%。

指導(dǎo)學(xué)生積極參與“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，推動(dòng)各專業(yè)多學(xué)科的學(xué)科建設(shè)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的聯(lián)動(dòng)發(fā)展。2019年至今獲得校級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)若干，2020年獲得第六屆中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽湖北省銅獎(jiǎng)一項(xiàng)，并獲得優(yōu)秀指導(dǎo)教師榮譽(yù)稱號(hào)。

（三）示范推廣方面

該課程成功的教學(xué)改革為數(shù)字邏輯、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等課程的改革提供了借鑒和示范，進(jìn)而使得學(xué)院初步建立起較為完整的數(shù)字邏輯-計(jì)算機(jī)組成原理-嵌入式原理-嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的嵌入式人才培養(yǎng)的課程體系，為計(jì)算機(jī)各本科專業(yè)制定了全面合理的人才培養(yǎng)方案[6]。申請(qǐng)購(gòu)置升級(jí)現(xiàn)有的嵌入式系列課程實(shí)踐教學(xué)設(shè)備，組織成立了基于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的嵌入式工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)[7]，為專業(yè)教育和人才培養(yǎng)做出了良好的示范。

三、結(jié)語(yǔ)

本文提出的計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)改革,實(shí)現(xiàn)了為解決具體的應(yīng)用問(wèn)題而設(shè)計(jì)指令和CPU，扭轉(zhuǎn)了過(guò)去單純?cè)O(shè)計(jì)指令和CPU后再去簡(jiǎn)單驗(yàn)證其正確性的做法，在多年的實(shí)踐檢驗(yàn)中獲得積極成效。這種以應(yīng)用為牽引的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)式創(chuàng)新實(shí)踐改革，能夠提升課程設(shè)計(jì)的針對(duì)性、目標(biāo)性和有效性，幫助學(xué)生在帶著問(wèn)題思考與解決的過(guò)程中提升對(duì)計(jì)算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的全局理解、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)的能力，能夠加強(qiáng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于提升復(fù)雜工程問(wèn)題解決能力具有重要意義。配合更深入的指令設(shè)計(jì)與FPGA資源利用，逐漸將更多計(jì)算機(jī)硬件與系統(tǒng)軟件融入到設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，徹底貫通計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這是令人期待的課程改革與人才培養(yǎng)的重大突破。

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G423.07

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1672-1047（2023）04-0052-04

10.3969/j.issn.1672-1047.2023.04.13

2023-07-03

湖北理工學(xué)院教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)內(nèi)容和方法的改革研究”（2020C02）；湖北省教學(xué)改革研究項(xiàng)目“IT 自主可控戰(zhàn)略下應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式研究”（2021450）；湖北理工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“車間自動(dòng)控制系統(tǒng)與智能清潔機(jī)器人”（S202210920036）。

姚 莉，女，湖北黃岡人，碩士，講師，計(jì)科系主任。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，嵌入式系統(tǒng)。

倪波，男，湖北黃石人，博士，副教授，計(jì)算機(jī)學(xué)院副院長(zhǎng)。研究方向：計(jì)算機(jī)視覺(jué)，醫(yī)學(xué)圖形處理。

[責(zé)任編輯：羅幼平]