“计算机组成原理”课程改革方案探讨

【摘要】从创新型人才培养角度出发，根据计算机组成原理课程知识机构和特点提出教学改革方案。理论教学方面，对多媒体和黑板结合的教学方法，形象化教学、启发式教学等教学手段进行了讨论和研究；实验教学方面，对实验方案、实验形式和考核方式进行改革，以Quartus II软件为基础建立实验教学的多层次结构。实践证明，计算机组成原理课程改革对计算机类专业技术人才的培养是一次成功的尝试。

【关键词】计算机组成原理；形象化教学；启发式教学；QuartusII

1.课程实施方案

计算机组成原理是计算机专业重要的专业基础课程，是计算机专业研究生入学考试必考课程之一，本课程旨在使学生系统地理解计算机硬件系统的组成结构和工作原理，建立计算机系统的整机概念，为进一步从事计算机系统结构、计算机网络和嵌入式系统等方面的学习和研究打下基础。

计算机组成原理课程采用理论教学和实践教学相结合，分三个阶段展开。第一阶段，主要介绍计算机模型机及各功能部件在模型机中的地位及作用；第二阶段，分析各功能单元的组成结构、工作原理及设计方法；第三阶段，讲解计算机系统协调工作过程及各功能部件的连接方法，总结计算机系统的综合设计方法。

计算机组成原理的教学内容为计算机内部电路和原理，技术特点及改进措施，内容抽象难懂，被师生们普遍认为既难学也难教的课程。本课题组在提高教学质量、改进教学方法和手段等方面进行了研究和探讨，从理论教学角度和实验教学角度提出改革方案。

2.理论教学改革实施方案

教学内容上采用宏观与微观分层次结合的教学方法。宏观上从组成部件对整机系统的作用入手引入问题，对组成部件的特点和功能进行分析；微观上强调组成部件的内部结构、设计方法、工作原理。

理论教学采用多媒体和黑板结合的教学手段，采用形象化教学、启发式教学等教学方法，最后指出了理论教学要与计算机技术的发展与时俱进。

2.1 多媒体和黑板结合教学

多媒体教学具有形象直观、反映信息准确等优点，对于知识点较多，技术性较强的内容，多媒体教学可以使教学过程生动化，具体化。采用多媒体教学来讲解计算机内部的数据流向、组成结构和功能特点，可使学生对计算机内部工作过程有一个生动、直观的认识。

采用黑板对计算及推导性较强知识点讲解，能够展开更详细的演算和推理，使学生对细节掌握地更为透彻。多媒体教学和黑板教学作为教学手段，都是为教学服务的，在教学过程中应充分考虑知识特点，灵活选择两种教学手段。乘法运算的讲授采用多媒体和黑板结合的方式进行，首先采用黑板板书详细推导笔算乘法的过程，指出笔算乘法用计算机实现的困难，然后采用多媒体动画演示计算机乘法运算实现，把计算机运算器内部的工作过程生动地展示出来，使学生对计算机乘法的实现过程能有一个形象的认识，两种不同的讲授手段使学生对笔算乘法和计算机乘法的各自特点及区别有一个直观的认识。

2.2 形象化教学

采用形象化教学对知识点进行系统分析，有助于学生理清知识脉络，理解知识点在知识体系中的作用和地位。以存储器系统讲解为例，将存储器系统比作树，主存、缓存和辅存比作树的主干分支，主干分支重点分析主存、缓存和辅存之间的联系。主存分支可再分为RAM，ROM子分支，重点分析ROM和RAM的读写特点及存储地址等概念；缓存分支可再分为数据缓存和程序缓存，重点分析地址映射机制和替换策略；辅存分支可再分为磁带、磁盘、光盘存储器，重点分析磁盘的存储机制。形象化教学使学生对知识形成系统的认识，有利于知识的理解与扩展。

形象化教学可将教学内容比为生活中的事例，运用浅显的生活事例来讲解抽象、难懂的理论，使抽象的理论“生动化”，“生活化”，有利于学生对知识的理解和掌握。Cache与主存地址映射过程是本课程的难点和重点，将Cache与主存的地址映射比为图书馆座位的对应机制，有助于学生对地址映射的理解。假设学生n人，图书馆有m个座位，每个学生只能坐到指定的一个座位上，一个座位对应多个学生，为直接映射方式，缺点是容易造成座位冲突；学生按照先进先找座位的原则，座位与学生没有指定的对应关系，为全相联映射方式，缺点需对每个座位的学生信息进行详细记录；学生只能坐到指定的组，每组有多个座位，称为组相联映射方式，具有前两种方式优点的组合。形象化教学在教学过程能起到解释、启发的作用，有助于学生对知识点的形象理解，提高学生的学习积极性。

2.3 启发式教学

启发式教学注重调动学生的主观能动性，通过一定方法启发学生去思考，重视学生分析和解决问题的能力培养。启发式教学方法首先设置一些启发式问题，激发学生的学习兴趣，引导学生去思考和推导，鼓励学生大胆提出自己的见解，最后和学生讨论出结论。在I/O设备与主机信息传送控制方式一节，讲完程序查询方式，程序中断方式后，提出“两种方式在计算机工作过程中存在什么问题”，引导学生思考什么方式能够更好地提高I/O设备和CPU的效率，通过互动讨论方式提出DMA工作方式，讨论DMA工作方式的特点。启发式教学中学生带着问题来学习，主动参与教学活动，有利于学生的创新能力的培养。

理论教学要做到与时俱进。计算机是一门发展较迅速的学科，教材内容往往滞后于计算机技术的发展，在课堂教学过程中应弱化过时内容，通过扩展性课题引入新技术，新知识，使学生全面掌握计算机发展的动态及技术特点。

3.实验教学改革

3.1 实验方案的改革

实验教学是计算机组成原理课程的重要环节，实验教学是对抽象理论进行科学验证，加深学生对理论的认识和理解，提高学生的实践动手能力。传统实验教学采用实验箱完成，实验种类受实验箱限制，很难随着计算机技术发展更新；实验以验证性实验为主，在实验过程中学生缺少创新性，消弱了实验教学的效果。

Quartus II是一款EDA设计软件，支持原理图、VHDL及AHDL多种输入形式，内嵌仿真器可以完成对计算机组件从设计到硬件配置，到最后的仿真测试。该软件具有丰富的器件库，可以对器件库进行更新，实验过程具有连线简单，学生可以根据实验要求自主设计完成实验。

基于Quartus II的实验教学分四个层次。第一层次，验证性实验，旨在熟悉软件环境及元器件的使用，主要包括138译码器实验，总线传输实验等；第二层次，设计性，旨在让学生独立设计简单的电路器件，提高学生的分析和设计能力，主要包括存储器设计，数据通路设计等；第三层次，综合性实验在给定实验题目下，让学生自主选择元器件，连接电路，测试电路，仿真电路，使学生理解计算机电路综合设计过程，主要包括CPU设计、复杂数据通路设计等；第四层次，课程设计，通过知识综合加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识。主要内容为构造一台模型计算机，包括基本运算单元、控制单元和存储单元。

3.2 实验形式及考核方式的改进

实验形式分为必选实验和开放性实验，必选实验和理论教学结合密切，要求学生在理论教学后指定的课时内完成。开放性实验为扩展性实验题目，学生根据兴趣自主选择实验题目，在实验室开放时间内完成。在实验过程中，注意发挥学生主体作用，做到学生主体设计、实验为主，老师辅导为辅。

实验考核不再以实验报告和课程设计报告作为考核标准，主要对实验方案、实践过程、实验答辩环节的考核，并将实验成绩以30%的比例纳入到期末成绩。

4.结语

信息化时代社会竞争日趋激烈，计算机教育不仅要教授学生计算机专业知识及其研究方法，而且要提高学生的创新能力和动手能力，为学生进一步深造和就业打下良好的基础。计算机组成原理的教学改革采用最新的教学方法和教学手段，教学过程中引入计算机发展的最新技术，并且充分发挥网络教学的优势，通过教学博客和课程网站的形式和学生达到良好的互动，取得了较好的教学效果。

参考文献

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作者简介：侯艳艳（1981—），女，枣庄学院助教，研究方向：计算机组成原理、嵌入式系统等课程的教学与研究。