1、第 卷第 期 年 月电气电子教学学报 收稿日期：；修回日期：基金项目：福建省本科高校重大教育教学改革研究项目（）；闽南师范大学教改项目（）作者简介：田谦益（），女，硕士，讲师，主要从事智能信号处理的研究工作，：发挥纽带作用提高本科生系统能力田谦益，（闽南师范大学 计算机学院，漳州）（数据科学与智能应用福建省高等学校重点实验室，漳州）摘要：为了充分发挥“计算机组成原理”在计算机专业学科体系中的纽带作用，提出了一个“计算机组成原理”实践教学方案。该方案合理设计软硬件贯通的综合性实验，注重课程设计中学生知识掌握的差异化和系统能力的培养。经过两轮教学实践表明，学生的计算机系统能力有所提高。关键词：计算
2、机组成原理；计算机系统能力；实践教学中图分类号：；文献标识码：文章编号：（），（，）（，）：，：；年突如其来的新冠疫情迫使高校展开空前规模的线上线下混合式课程，混合课程得到了极大的发展。后疫情时代，如何更好地实现教学，提高学生的计算机系统能力成为许多高校教育工作者探讨的热点。另一方面，在“互联网 教育”环境下的开放与多元化学习时代，学生获取与掌握知识的途径与速度发生了空前的变化，传统的“以知识为中心”的教学方法需转变为“以能力为中心”，也就是说课程讲授内容，取决于培养学生的何种能力。计算机系统能力培养是计算机教育的主要方向，具体体现为系统观、构造观和工程观的培养，提升学生计算机系统的分析与设
3、计能力。教学现状分析“计算机组成原理”是高校计算机相关专业的一门专业核心课，主要讨论冯诺依曼结构计算机中的运算器、控制器、存储器等部件的工作原理、设计方法以及这些部件构成整机的技术。本课程在计算机学科体系中起着重要的纽带作用，具体关系可见图。图 计算机专业本科课程体系图从图 可知，“计算机组成原理”的先修课程有“高级语言程序设计”和“数字逻辑”，后续课程有“操作系统”，选修课“嵌入式系统设计”以及实践课“计算机组成原理课程设计”。但由于多种原因，“计算机组成原理”的纽带作用并没有发挥出来，形成各位课程孤立的局面。结合闵南师范大学实际情况，主要存在这样几个问题：第一，课时有限。课程内容多且抽象，
4、原理难懂，但由于课时有限，课程内容讲不深，讲不透，造成学生一知半解。这实际上对教师提出了更高的要求，不仅理论知识讲解要精练，而且在实验设计方面，理论与实验应该相互融合，充分发挥实验的作用，在做中学，学中做。通过实验帮助学生加深对计算机系统的理解，进而将课程知识系统化。第二，硬件课程未得到重视。由于计算机专业课程体系偏软件，导致学生对硬件课程的不重视。该课程的教学未重视与前后各门课程知识的衔接，各个实验相互割裂，导致学生的知识结构缺乏完成性，造成“怕硬件亲软件”现象。第三，缺乏有特色的综合性实验。“计算机组成原理”涉及到较多的理论知识和硬件知识，在以往的教学中，理论与实验脱节，理论抽象难懂，学生
5、缺乏整机系统概念，不能融会贯通，因此课程学习效果并不理想。因此，在实践教学的设计上，应该注重知识的连贯性和完整性，加强与先修课程和后续课程的衔接。发挥纽带作用，培养系统能力针对上述情况，年课程组进行了基于的实验教学改革，这样“计算机组成原理”就和“嵌入式系统设计”实现了平台一体化，统一了实验目标。经过对两届近 名学生的教学，积累了许多教学经验，取得了一些成就。学生普遍感觉这种授课方式很新颖，学习积极性普遍提高。但同时也存在一些问题，“嵌入式系统设计”是一门选修课，这种教学方式让不想选修此课程的学生感到难度较大。同时课程组在有限的课时内既要教授硬件编程语言，又要讲授专业知识，总有顾此失彼的感觉，
6、而 年突如其来的新冠疫情也使课程组意识到实体实验在时间和空间上的局限性。实践教学规划经过总结，课程组调整了改革方向，重视课程与先修课和后续课程的关联，总结出一个能够充分发挥“计算机组成原理”的纽带作用，同时实现做中学，学中做的实践教学方案。该方案整体是依托（头歌）在线实训平台上华中科技大学谭志虎老师团队的实践课程“计算机硬件系统设计 自己动手设计”建立。实践教学包括实验教学和课程设计教学，具体实验设置如表 所示。表中的每个实验都有数量不等的关卡（小实验）组成，通过游戏闯关的实验方式提升学生的学习成就感。学生在线下实验，然后将代码复制到 上完成闯关。表 实验设置实验序号实验内容实验周期一通过一个
7、 关卡的新手实验，熟悉工具软件 一周二通过实现一个数字码表或者一个交通信号灯，实现数字逻辑知识的综合应用两周三加法器设计实验一周四 位 设计实验一周五存储器扩展实验一周六设计一个基于单总线结构，支持 条 指令的三级时序 两周 依托平台的 课堂可以对实验的自动测试、检查和评分，减轻教师指导实验和检查实验的工作量。实现学生实验的自主学习，提高学生的动手能力和思维创造能力，将教师从批改作业、纠正实验错误转变为思维的引领者。从表 看到，该课程实验与“数字逻辑”课程结合最为紧密，实验二本是一个综合性的“数字逻辑”实验，但由于课时受限，学生在学习“数字逻辑”时并没有开展类似的实验，考虑到“数字逻辑”对“计
8、算机组成原理”课程的重要性，设置了这个实验。由于时间有限以及学生的差异性，这个实验可分为组合逻辑、时序逻辑和系统集成三个部分十多个关卡。实验的基本要求是实现组合逻辑部分，时序逻辑和系统集成部分作为学生的选做实验，这样学生能够根据自身能力来完成，不会有挫败感。实验三包括了可控加减法电路、位快速加法器、位和 位快速加法器的设计实现，同时要求学生对设计出来的电路进行时间延迟分析。通过笔者多年教学经验，学生对书上这部分的原理只是一知半解，不理解进位生成函数和进位传递函数的含义。通过时延分析，学生对快速加法器会有更透彻的理解。实验五存储器扩展实验本身比较简单，只要基本原理掌握好，几分钟就能完成。但笔者将
9、这个实验进行了改进：首先要求学生用自己擅长的高级语言编写一个汉字文字转换为 机内码的小程序，用这个程序将一段字数约 字的汉字连续文字并将其转换成 机内码，存入参考字库；然后利用数字逻辑和补码减法运算实现汉字 机内码与区位码的转换电路；最后，实现存储器扩展电路，通过对比待测字库和参考字库 显示区的内容是否一致来验证实验的正确性。对比验证电路如图 所示。这样一来，该实验就成为一个集“高级级语言设计”“数字逻辑”和“计算机组成原理”三门课程知识的综合性实第 期田谦益：发挥纽带作用提高本科生系统能力验，极大地提升了学生的学习兴趣与创造空间。与此同时，学生能够深刻体会到课程体系的设置，学习知识更加融会贯
10、通。图 实验五对比验证电路设计一个 是“计算机组成原理”实验的最终目的，因此 实验也是该课程中一个很重要的综合性实验，考虑到学院计算机专业学生课程体系向软件倾斜，要求学生在实现 之后，利用汇编语言实现一个简单的冒泡程序来验证自己设计的。由于汇编语言并未纳入课程体系中，这正好可以培养学生主动学习陌生编程语言的能力。“计算机组成原理课程设计”分为 个方面来考核，分别是现场答辩，论文和任务完成情况，每项 分，通过加权平均即为学生最终成绩。该课程要求学生每组 人，完成必选项，然后根据小组情况选择完成后面的可选项，任务内容具体见表 所示。基本任务为必选项，升级任务为采用汇编语言进行指令功能验证，每组题目
11、不重样，经抽签选择题号。完成基本任务，就可以保证课程设计合格，对于成绩有要求的学生，可以努力实现升级任务。能力强的学生可以尝试扩展任务，扩展任务表 毕业设计任务表任务项内容分值（分）备注基本任务设计实现一个 条指令的单周期必选项升级任务指令验证可选项纵向扩展任务 单级或多级中断横向扩展任务 采用 实现 可选项，二选一分为纵向扩展任务和横向扩展任务。纵向扩展任务主要面向对“计算机组成原理”感兴趣、有一定钻研精神的学生；对于动手能力强、对硬件感兴趣的学生，可以考虑横向扩展任务，利用硬件描述语言（，）进行设计与仿真，然后利用 开发板进行验证，实现后期结合 将学生设计的硬件融入嵌入式系统设计中，为后期
12、选修“嵌入式系统设计”课程打下一个基础。教学体会经过实验训练，学生整体自主学习、动手能力和思维能力有所提高，每一届学生都会在编程、实验拓展等方面有所突破，学生已不满足于老师提供的实验，还提出了新的想法并乐于去实践。由于学生的差异化，对教学活动的多样性也提出了更多的要求。第一年教改，在进行“计算机组成原理课程设计”时，的学生选择做升级任务，没有学生选择扩展任务。第二年该课程完成后，除 的学生没完成任务，成绩不合格，其学生都完成了基本任务和升级任务，同时有 的学生做了纵向任务。由此可见，学生的系统能力得到了有效提高。课程实践方案的有效实施，提高了学生的计算机系统能力，对教师也提出了更高的要求。目前
13、“计算机组成原理”课程与后续课程“操作系统”的关联度不够。因此在后期教学过程中，笔者会考虑这两门课程的关联，实现课程内容一体化。结语为了深化新教改，打造新形态，提高新质量，普通本科院校以提高计算机系统能力为目的开展“计算机组成原理”实践课程教学改革。此次改革借助线上优质课程资源、头歌等在线平台，实现综合性实验和差异化课程设计；促进理论与实践教学之间的衔接，发挥课程的纽带作用；增强先修课程与后续课程的关联与融合，取得较好效果。参考文献王留芳 面向多元化学生的工程实训策略研究 中国大学教学，（）：，高春美 多种教学方式混合的计算机组成原理教学改革探究 计算机教育，（）：，谭志虎，秦磊华，胡迪青 面向系统能力培养的计算机专业实践教学模式 中国大学教学，（）：电气电子教学学报 第 卷