计算机组成原理
题目名称： 计算机组成原理
系 名 称： 计算机科学与信息工程系
专业班级： 09网络工程专升本
2010年 12月
计算机组成原理
摘要：以教育部计算机科学与技术专业教学指导委员会的专业规范为指导，针对计算机组成原理课程的特点，从以专业规范为基础优化教学内容、改进教学方法和丰富教学手段等方面进行了探讨和实践。分析实验教学现状，指出存在的问题，提出通过改编实验设计，加强实验教学过程指导，提高实验教学效果。以专业规范为指导，从理论教学和实验教学两方面为“计算机组成原理”课程改革提出了新的建议。
关键词：专业规范；计算机组成原理；课程改革；理论教学；实验教学
随着计算机和通信技术的蓬勃发展，中国开始进入信息化时代，计算机及技术的应用更加广泛深入，计算机学科传统的专业优势已经不再存在。社会和应用对学生在计算机领域的知识与能力提出了新的要求。专家们指出，未来10～15 年是我国信息技术发展的窗口期、关键期。为此张英兰婚礼，高等学校肩负着为国家发展和满足社会需求培养多类型人才的重任。在这样的背景下，高校必须正视问题，积极思索与变革，重新审视计算机专业教育的发展方向，与时俱进地推进计算机专业教育改革。
《计算机组成原理》是计算机科学与技术专业必修的一门专业主干课程。课程要求掌握计算机系统各部件的组成和工作原理、相互联系和作用，最终达到从系统、整机的角度理解
计算机的结构与组成，并为后续课程的学习奠定基础。但从整个学科的建设和发展，以及对学生专业素质培养的角度来看，这样的要求是不够的。更为重要的是，通过教与学，还应当提高学生对计算机硬件系统的认知能力和设计能力，强化实践意识与能力，培养创新理念与能力，激发学生自主学习、主动探索前沿知识。教育部计算机科学与技术专业教学指导委员会在2006 年发布了计算机科学与技术本科专业战略报告和专业规范， 对计算机专业的发展与教学提出了指导意见。本文探讨以专业规范为指导对计算机组成原理课程进行改革，研究并实践一种有效的教学模式，帮助学生从微观层面掌握本课程知识单元，从宏观层面建立该课程知识体系，使学生准确把握课程的核心内容，全面地构建整机系统，进而培养学生的专业素养和综合能力。
1 计算机科学与技术专业规范
教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导委员会（以下简称教指委）在广泛深入的调查研究基础上，借鉴国际上计算机专业办学的发展与现状，结合我国计算机教育的实际情况，对计算机专业本科教育的发展方向和办学单位的专业发展提出了指导性意见，并制定了具体的《专业规范》。
教指委在计算机科学与技术专业发展战略研究报告和专业规范中提出了以“培养规格分类”为核心思想的计算机专业发展建议，将计算机学科分为三种类型四个方向，即：科学型（计算机科学方向CS）、工程型（包括计算机工程方向CE 和软件工程方向SE）、应用型（信息技术方向IT）[1]。针对每个类型的每个方向的特点和要求，专业规范从学科方法论、培养目标与规格、教育内容和知识体系等方面进行了详细的规划，提出了富有建设性的指导意见。
专业规范中明确指出，“计算机组成基础”是计算机科学方向和计算机工程方向的核心课程，并且对实验、综合性课程设计和核心的教学内容提出了规范要求。在软件工程方向和信息技术方向，“计算机组成基础”是核心知识领域计算基础（SE-CMP）和平台技术（IT-PT）的核心知识单元[1]。专业规范根据课程体系对每一门课程内容、知识要点、学习目标等都进行了详细的设计与组织。在专业规范中，“计算机组成基础”的理论教学课时一般为48～56，实验课时一般为8～16，是计算机体系结构、操作系统、嵌入式系统和计算机网络等课程的先修课程，重点涵盖了计算机运算、存储系统组织和结构、功能组织等多个知识单元。本文主要探讨在专业规范的指导下，“计算机组成原理”课程的教学改革与建设。
2 课程内容组成及改革
2.1 课程改革的基本原则。教指委的专业规范为计算机组成原理教学大纲和教学计划的制定， 以及课程在课堂教学和实验教学上提供了指导性的意见，是我们推进课程改革的重要参考。以教指委专业规范为指导，结合学校的实际情况是计算机组成原理课程改革的原则之一。在具体的教学过程中，课程改革必须依据计算机组成原理课程的教学目标、内容和特点。其次，课程改革还应当联系学校的实际情况，如学校育人目标的定位、学校的教学与实验条件、学生的知识基础等。教指委的战略报告中也明确了提出了这种改革思路。因此，在综合分析了学校和学生的实际情况后，我们确定了注重知识结构的特和执行深度，加强学生实践操作思维与能力的培养，因人而宜地进行点面结合的改革原则。第三，在信息化时代，社会竞争压力日益激烈，学生就业压力不断增大，学生在学校在课堂学到的方法、知识与能力将直接影响到学生在竞聘和后续发展的竞争力，例如，企业等用人单位在招聘人才时关注学生的以学习能力为代表的发展潜力和动手能力，因此，课程改革的推进，应当兼顾国家的需要、社会的需求和企业的要求。为此，我们基于上述原则，从教学指导思想和教学方法两个方面，从知识讲授和能力培养两个层次上，对“计算机组成原理”课程改革进行了详细设计与组织，建立了一套有效的教学模式，帮助学生从宏观和微观两个层面系统地掌握课程知识，进而培养学生学习和探索知识的意识、兴趣和能力。
2.2 课程改革与实践(1）优化教学内容和教学组织方法.针对本门课程的要求和特点，我们对教学内容进行了优化设计，提出了宏观与微观分层讲授，相互贯穿的教学组织方法。内容组织方面，在宏观上强调对部件的功能及整机系统的需求进行分析与讲解，在微观上重点强调实现这些功能的各组成部件的结构、设计与工作原理。通过分析比较国内外一些大学同类课程的教学内容、实施方法和教学改革后发现，这些学校在课程的教学内容上差别基本不大，核心知识单元主要包括：数据在机器中的表示、存储器的组织与结构、指令系统、中央处理器、总线系统和外围设备与接口等[2-3]。在课时有限的情况下，为了高效地完成教学任务，达到教学目标，我们本着把握基础、突出重点、明确主线的方针对本门课程知识点进行了分析与优化，尤其是存储系统、中央处理器和I/O 技术等知识领域。对专业规范要求的每个知识单元和教材的每一章，明确其中必须掌握的基础知识和重点，加强与之结合实例内容；对仅仅要求了解的和一些比较容易掌握的的内容，以引导学生自学为主，减少其课堂教学时间；弱化“过时”内容，及时补充新技术新方法，保持课程内容的时代性。以存储系统和结构为例，首先从宏观的角度对计算机在数据存储、交换上的需求进行分析，使学生明确存储系统在整机中的地位与作用，进而分析存储系统的功能，使学生从整体上把握存储系统的结构与组成，同时对某类型计算机的实际情况进行分析，加深学
生的理解。然后引导学生对存储系统中的具体部件从微观的角度分层次地进行分析nice的意思是什么。接着对SRAM 和DRAM 的基本存储元进行解析，由这些存储元构成存储单元，再到芯片，最终扩展形成存储器。再结合实例和计算机的实际情况对Cache 和虚拟存储器进行详细讲解。在新技术方面，介绍DDR 与DDRⅡ的情况，要求学生自己去查阅DDRⅢ等技术资料。最后再将这些各层次的部件串起来，从整体到细节地明确存储系统的功能、工作原理及实现。(2)从问题出发，实施动力式教学通过研究比较发现，国内外的同行在本门课程的教学中，在知识讲授和能力培养两个大方面上有着较大的差异。“计算机组成原理”课程的教学，应使学生尽快建立计算机的整体概念，透彻地理解和掌握课程知识点，从宏观和微观层面上理解和把握计算机各部件的原理、组成及相互联系，进而达到能力培养的目标[4]。在现代教育理念中，教学设计应当以“学”为中心，学生是教学活动的主体，是知识学习的主动建构者，教师在教学过程中发挥着组织者、指导者和促进者的作用。课堂教学应当侧重于引导学生主动学习与思考，要灵活地将互动式、启发式和任务驱动式等教学方法结合起来，而不是单一地采用某种方式对学生进行灌输。而且有必要设计一些教学环节对学生进行启发，在课堂内外与学生进行互动与讨论，尤其是一些新技术，引导学生学习研究的方法与方向，从而激发学生学习的兴趣和主动性，进而培养他们的自主学习能力、研究能力和创
新能力。加强课堂教学的提问与讨论环节，不仅可以活跃课堂气氛，活跃学生思维，而且可以促使学生在课余主动地学习和对问题进行钻研，从而高效深入的学习和掌握知识。这是互动式和启发式教学的重要手段之一。如针对计算机外围设备在种类和技术方面的一些问题，提问学生回答问题，并藉此与学生讨论新技术新发展，引领学生突破思维定势，培养创新意识等。针对专业规范中知识单元的一些重要知识点，有意提出或设计一些问题和目标，将其作为任务交由学生去分析解答。这是任务式和问题式教学的重要手段之一。学生或个人或合作对任务进行分析，到问题所在，通过讨论、魏大勋 马苏学习或搜索等方法解决任务，并进行总结归纳。在此过程中，学生通过学习与研究，发现隐含在问题和目标背后的知识，形成解决问题的研究能力和自主学习能力。如在中央处理器一章中，要求学生对CPU 发展的新动态进行研究。学生通过上网搜索、查阅文献等手段收集了大量的资料，了解了CPU 的发展历程，对一些实际的参数，如Cache 的大小与级数、流水线条数、工作频率、前段总线等都有所了解，加深了对CPU 的认识。引导学生将单核、双核和多核CPU 进行对比，分析它们最新的技术和发展趋势等。通过这样的方法取得了良好的教学效果。（3) 充分利用现代教学手段现代教学手段也是提高教学效果，培养学生综合能力的重要一环。多媒体课件、动画演示、实物展示与剖析等方法可使抽象难讲的内容变得具体、生动
和形象，使学生寓教于乐，对于改善教学效果非常好。例如，定点乘除法运算的阵列运算方法使用动画演示比直接讲解的效果要好，且更能吸引学生的注意力；补码原码转换关系推导等还是采用传统的黑板比较好[5]。在教学过程中，我们发现将一些需要动画演示的课件交由学生负责完成，激发了学生学习的兴趣和积极性。同时，利用网络进行课程建设、答疑、意见交流已经成为我们基本的教学手段。
3 实验改革与实践
加强计算机专业的实验教学已经成为共识，教指委的专业规范将计算机原理实验列为典型的必须的实验，并提高了课时数。实验将使学生掌握计算机硬件设计、调试和运行维护等多方面的技能，训练学生的动手能力，培养创新能力以及认真、严谨的科研作风。但学生的动手能力不强现在是一个比较普遍的问题。因此，计算机专业应当强调实践教学体系、实验设计和指导执行等软环节。计算机组成原理实验主要有验证性实验、综合性实验和设计性实验三个层次，涉及的内容主要有数据通路、运算器、存储器、微程序控制器，以及整机设计等。首先，实验内容的选取和设计对实验教学效果有着重要的影响国家公务员考试要求。不同的学校，不同层次的学生应当有不同的选择和不同的设计。一般来说，从课程的基本要求和培
养学生的基本能力角度出发，基础性的验证性实验是必须的。对硬件方向要求较高的有条件的学校，应当开设设计性实验，如对整机进行设计等，以及引入FPGA 技术等实现相关实验[6]。其次，因材施教，对不同的学生有不同的要求和指导是必要的。针对一些复杂的难度较大的实验，可以采取开设实验选修课程，或者是将其列为选做实验。实验课教师则对这些要求进一步学习的同学进行另外的指导，加大课外实验课时，并可以将他们组建学习小组来进行研究性的探索。第三，实验课的主要目的是对学生观察能力、思维能力、操作能力和表达能力的综合培养[6]。在培养过程中，教师的教学指导和规范实验过程是重要的两个环节。教师的教学指导不是事无巨细地告诉学生该做什么，而是将重点内容告诉学生后，重点引导学生去思考和探索，从而达到实验目的。而且应当强调过程指导，即注重发现并引导学生分析实验过程中出现的问题，提示和鼓励他们去解决问题，从而通过这个过程使学生探索计算机硬件的特点和规律。规范实验过程，例如规范实验报告、实践过程中的操作规范、分析问题和解决问题的方法与描述等，是对计算机组成原理实验的重要要求，对学生综合能力的养成有着潜移默化的作用。
4 总结
本文从提高教学质量、培养学生的角度出发，基于教指委的专业规范，就优化教学内容、教学方法和手段、实践教学等几个方面对《计算机组成原理》课程改革进行了探讨。总之，计算机组成原理课程教学应在把握整机概念、优化教学内容、结合新技术新方法改进和加强实践教学等方面积极探索，并充分利用网络和多媒体技术促进教学互动和教学相长。显然，随着计算机技术的发展, 设备不断完善，新的思路、新的尝试必将继续下去，教师还必须不断地追求新知识，学习新技术，提高自身知识水平，苏妙玲身高结合社会需求和实际情况进一步地探索改进教学，以取得更好的教学效果。
参考文献：
[1] 教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会. 高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范(试行)[M].北京:高等教育出版社,
[2] 陈金儿,王让定,林雪明,等.基于CC2005 的“计算机组成原理与结构”课程改革[J].计算机教育.
[3] 郑玉彤.《计算机组成原理》课程实现的比较研究[J].中央民族大学学报
[4] 刘旭东,熊桂喜.“计算机组成原理”的课程改革与实践[J]. 计算机教育
[5] 赵秋云,何嘉, 魏乐. 对《计算机组成原理》课程教学模式的探讨[J].电脑知识与技术,
[6] 姚爱红,张国印,武俊鹏.计算机专业硬件课程实践教学研究[J].计算机教育
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