應用型人才培養的計算機組成原理課程教學改革研究

姚 莉，倪 波

應用型人才培養的計算機組成原理課程教學改革研究

姚 莉，倪 波

（湖北理工學院 計算機學院，湖北 黃石 435003）

為了提高計算機組成原理課程教學效果，培養學生的計算機系統能力，提高學生解決計算機復雜工程問題能力，在總結計算機組成原理課程教學經驗的基礎上，結合應用型人才培養需求，提出課程教學改革建議。根據課程特點和課程在高校計算機專業中的教學現狀，分析教學過程中存在的問題。從教學內容、教學方法、教學評價和課程思政等方面，提出教學改革措施，結合案例落實于教學過程，成效顯著。

計算機組成原理；課程教學；改革研究

計算機組成原理是計算機專業本科生核心基礎課程之一，對構建學生整個計算機“系統觀”起到承上啟下的作用。通過該課程的學習，學生需要能夠從微觀、中觀、宏觀三個層面掌握計算機內部基本組成，計算機核心部件的工作原理和各部件之間的相互協作運行機制；掌握機器指令、微指令等相關概念和指令級計算機系統運行機理；建立理解不同層次指令在計算機硬件上的執行過程。但在實際教學過程中存在現實問題：其一理論與實踐“兩張皮”。計算機組成原理概念抽象，知識點多，課內實驗分散在不同的章節，缺乏系統化，造成理論教學解釋原理不深入，實踐教學訓練強度不夠，從而造成理論與實踐“兩張皮”問題。其二實踐教學“三脫節”問題。計算機組成原理實踐教學中存在實踐內容、實驗環境、考核標準與塑造學生系統觀念，熟悉系統內部運行機理和流程以及考核學生能力產出方面存在脫節，制約了學生解決復雜工程能力的能力。其三課程思政“空泛化”問題。目前計算機組成原理的課程思政建設更多的強調的是一種理念的宣講，如，介紹中國計算機發展的現狀和取得的成就，從而激勵學生愛國熱情和社會責任，而忽視專業精神和職業精神的協同培養。

一、教學改革措施

目前各高校在計算機專業人才培養方面針對計算機組成原理課程改革有很多[1]，包括從理論到實驗，再到課程設計[2]等。有利用各類工具完善實驗教學的改革措施，也有針對課程內容進行的改革方法[3-4]。本課程改革的重點是培養學生的計算機系統能力，以提高學生解決計算機復雜工程問題能力。工程認證畢業要求培養學生解決計算機專業領域的復雜工程問題能力，就必須對計算機系統有深入全面的認識。

（一）教學內容改革，培養學生深入工程原理的系統觀

筆者所在課題組以具體實踐項目融入教學內容和課內實踐教學始終，并通過完成項目為評價依據，強化學生的系統思維和深入工程原理的系統設計與開發能力，訓練學生計算機系統能力，為培養學生解決計算機復雜工程問題能力打下堅實基礎，具體實施如圖1所示。

圖1 課程教學實施

計算機系統能力是指能自覺運用系統觀，理解計算機系統的整體性、關聯性、層次性、動態性和開放性，并用系統化方法，掌握計算機硬軟件協同工作及相互作用的機制的能力。通過掌握軟硬件接口和運行協同機理、軟硬件邏輯關系和體系結構、功能設計和交互模式等知識內容，培養學生解決復雜工程問題的基本能力，最終實現計算機應用和創新的價值。

計算機系統能力的內涵主要包括三個方面。一是計算機基礎系統能力，即學生可以運用數學和物理原理，設計和開發計算機運行系統，包括中央處理器（CPU）、操作系統、編譯系統和網絡系統，這是計算機最基本的系統，稱為計算機基礎系統。二是計算機領域系統能力，即學會運用計算機基礎系統原理，設計和開發計算機領域的專門系統，例如軟件開發系統、 數據庫系統、嵌入式系統等，稱為計算機領域系統。三是計算機應用系統能力，即可以運用計算機專業系統原理，設計和開發各種應用系統，稱為計算機應用系統。

隨著大規模數據中心的建立和個人移動設備的普及，可以清楚地看到，計算機人才培養強調的“程序性開發能力”正在轉化為更重要的“系統性設計能力”。為了應對各種復雜應用，編寫出高效程序，應用開發人員必須了解系統平臺的底層結構，并熟練掌握其中的技術和工具。同時，要求在整體的系統層面綜 合設計，通過軟硬件協同實現開發方案的最優化，以強大的底層技術來保證各項復雜功能的高效實現。因此，修訂教學內容，培養學生深入工程原理的系統觀是保證學生計算機系統能力培養的必要條件。

（二）教學方法改革，多措并舉培養學生自學和探究能力

計算機組成原理是一門硬件課程，是學生全面認識計算機硬件工作原理的核心課程。計算機系統包含軟件系統和硬件系統，硬件是系統的基礎，軟件是硬件的補充。計算機系統從硬件到接口，從系統軟件到應用軟件一直都是密不可分的，因此教師在教學過程中應引導學生從系統的角度看待問題，建立基本計算機模型通過實驗傳授基本技能分析問題，最后不斷完善模型解決問題。在強調“大工程觀”的前提下開啟學導式案例教學。

在課程學習中，引導學生有效的結合軟件基礎語言課程，幫助學習計算機組成原理，讓學生在學習的過程中會變得更易接受。其實計算機組成原理課程的眾多知識點都與計算機語言類課程中的基礎知識點有一定的聯系。例如：C語言、匯編語言等，如表1所示。

表1 課程知識點對比

因此，在授課過程中，根據需要在“先學”或“后教”環節中引入C語言或匯編語言問題，提高學生對計算機系統的認知。向學生拋出問題、增加互動、引導學生講解，完成學導式教學。

另外，例如在講解微程序控制器時，使用Logisim軟件設計簡易計算機系統模型，強調“先學后教，先練后講”，在理論教學過程中穿插基于OBE的實驗教學。將前導知識指令系統和前導課程匯編語言程序設計里的內容進行合理的設計和串接，讓學生在如圖2所示的完整模型機上完成匯編語言源碼、機器指令以及微指令的設計與運行，完成實踐性案例教學。

CPU由運算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0-R7），指令寄存器（IR）、程序計數器（PC）和地址寄存器（AR）組成,如圖2所示。這個CPU在寫入相應的微指令后，就具備了執行機器指令的功能，但是機器指令一般存放在主存當中，CPU必須和主存掛接后才有實際的意義，所以還需要在該CPU的基礎上增加一個主存和基本的輸入輸出部件，以構成一個簡單的模型計算機。通過在教學過程中對實際系統的模擬與仿真，理解計算機中各個部件如何協調工作，理解并掌握計算機工作的基本原理。

此外，為彌補學時不足的影響，本課程采用線上線下相結合的教學方式，一方面彌補課時不足的影響，另一方面通過線上預習，課后答題等環節培養學生自學和探究能力。本課程的線上教學依托educoder實踐教學平臺，利用線上平臺幫助學生更好的完成知識的學習與實踐。同時，讓學生在課下也能更好的完成自主學習和復習鞏固。如圖3所示是學院21級所有本科專業學生已經完成的線上課堂。

圖2 仿真模型機電路圖

圖3 educoder平臺課程線上學生情況

圖3是2022年9月至2023年1月的一個學期實踐，是本課程教學改革最近的一個學期的實踐。參與課程改革實踐的21級學生在學到的知識，提高了認知的情況下，大大提高了學習能力，掌握了對新領域新知識的探索方法。學生學習以后不斷完善模型機功能，隨著對計算機系統認知不斷加深，確定個人的學習發展方向“終身學習”“持續改進”。

（三）教學評價改革，注重工程實踐考核

傳統計算機組成原理課程考核是圍繞知識層面的考核。例如：平時作業完成度，課程報告、期末成績等，缺乏對復雜工程問題中涉及的多制約條件下，學生實踐能力的考核。本次改革中，考核標準將工程實踐的考核分解為，項目調研、分析、實施、部署等環節，并在不同的環節中既考察系統功能的完備性、技術路線的先進性等技術性因素，還重點考察文獻檢索、現代工具使用、成本分析、團隊合作等非技術性指標，讓考核成為檢驗學生具備解決復雜工程問題的“金標準”。

（四）課程思政融入課堂

另外，“課程思政”的建設工作中，強調“要完善課程體系，解決好各類課程和思政課相互配合的問題”[5]。計算機組成原理在課程教學中也存在著課程思政空心化，對思政理解膚淺化的現象。在教學過程中根據課程內容，選取和思政關系大的知識點，展開教學。比如，通過講解計算機存儲系統及計算機存儲芯片發展史，告訴同學們科學研究要“坐得冷板凳”，對所從事的工作，要執著、熱情、淡泊名利。再比如，講到計算機整體結構的時候，可以結合華為目前技術突飛猛進的例子展開講解。通過這樣的案例合理設計教學過程，在專業課教學過程中，融入思政元素，達到良好的育人效果。

二、改革成效

（一）教學滿意度方面

經過上述一系列的改革措施，從整體上也提高了學生的學習積極性。團隊教師使用Logisim設計了基于馮諾依曼機的簡易計算機系統模型，并推廣應用到計算機所有專業中，實現了硬件實驗自主研發。讓課堂氛圍提升的同時，極大地調動了學生的學習主動性。根據educoder平臺上統計的數據，學生花在計算機組成原理課程上的時間也增加了。反映出學院學生對本課程有了更全面、更完整的理解，對課程教學評價滿意度也有很大的提高。

（二）學生能力提升方面

2016年至今，教師指導學生參加全國各類專業性競賽，例如：大學生計算機設計大賽、全國物聯網設計競賽等獲得國家級省級獎項若干。2017年至今，教師指導學生參加藍橋杯全國軟件和信息技術專業人才大賽也獲得了非常優異的成績。2020年，教師指導2017級計算機科學與技術專業、2017級物聯網工程專業等共計21名學生參加藍橋杯嵌入式設計與開發組競賽，19人獲獎，其中4人獲得國家級獎項，獲獎率超過90%。

指導學生積極參與“互聯網+”大學生創新創業大賽，推動各專業多學科的學科建設和產業創新的聯動發展。2019年至今獲得校級獎勵若干，2020年獲得第六屆中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽湖北省銅獎一項，并獲得優秀指導教師榮譽稱號。

（三）示范推廣方面

該課程成功的教學改革為數字邏輯、嵌入式系統開發等課程的改革提供了借鑒和示范，進而使得學院初步建立起較為完整的數字邏輯-計算機組成原理-嵌入式原理-嵌入式系統開發的嵌入式人才培養的課程體系，為計算機各本科專業制定了全面合理的人才培養方案[6]。申請購置升級現有的嵌入式系列課程實踐教學設備，組織成立了基于物聯網領域的嵌入式工程應用型人才培養團隊[7]，為專業教育和人才培養做出了良好的示范。

三、結語

本文提出的計算機組成原理課程設計改革,實現了為解決具體的應用問題而設計指令和CPU，扭轉了過去單純設計指令和CPU后再去簡單驗證其正確性的做法，在多年的實踐檢驗中獲得積極成效。這種以應用為牽引的目標驅動式創新實踐改革，能夠提升課程設計的針對性、目標性和有效性，幫助學生在帶著問題思考與解決的過程中提升對計算機整機系統的全局理解、設計、實現的能力，能夠加強軟硬件協同設計與開發的系統能力培養目標實現，對于提升復雜工程問題解決能力具有重要意義。配合更深入的指令設計與FPGA資源利用，逐漸將更多計算機硬件與系統軟件融入到設計實現中，徹底貫通計算機系統，這是令人期待的課程改革與人才培養的重大突破。

[1]史小松,馬輝.計算機組成原理課程教學改革探索[J]. 計算機教育,2022,8(8):34-37+42.

[2]張磊,何杰,齊悅,等.工程認證背景下計算機組成原理課程設計改革[J].實驗技術與管理,2021,38(4):179-185.

[3]黃磊,張媛.用Logisim改革計算機組成原理實驗[J].產業與科技論壇,2021,20(11):45-46.

[4]胡迪青,譚志虎,吳非,等.“計算機組成原理"課程虛擬仿真實踐教學研究[J].電氣電子教學學報,2018,40(4):113-116.

[5]王亞峰.“課程思政”建設的理念與路徑思考.[J].江蘇 高職教育,2019,19(1):69-71.

[6]倪波,劉志遠,紀鵬,等.基于“課證共生、模塊串行”的網絡工程實踐教學體系的改革與實踐[J].實驗技術與管理, 2020,37(7):200-203.

[7]姚莉.“嵌入式”課程教學改革研究[J].湖北理工學院 學報,2014,30(6):68-70.

G423.07

A

1672-1047（2023）04-0052-04

10.3969/j.issn.1672-1047.2023.04.13

2023-07-03

湖北理工學院教育教學改革研究項目“適應應用型人才培養的計算機組成原理課程教學內容和方法的改革研究”（2020C02）；湖北省教學改革研究項目“IT 自主可控戰略下應用型人才培養模式研究”（2021450）；湖北理工學院大學生創新創業訓練計劃項目“車間自動控制系統與智能清潔機器人”（S202210920036）。

姚 莉，女，湖北黃岡人，碩士，講師，計科系主任。研究方向：計算機應用技術，嵌入式系統。

倪波，男，湖北黃石人，博士，副教授，計算機學院副院長。研究方向：計算機視覺，醫學圖形處理。

[責任編輯：羅幼平]