计算机组成原理基本知识篇1
关键词:“计算机组成原理”;课程定位;教学方法
中图分类号:tp311文献标识码:a文章编号:1009-3044(2010)18-5006-01
“计算机组成原理”主要讲解计算机基本的部件构成和组成方式,以及基本的运算操作原理和单元设计思想、操作方式及其实现,是计算机相关专业的一门核心专业基础课。“模拟电子技术”、“数字逻辑”是它的先导课程,它的后继课程如“操作系统”、“编译原理”、“汇编语言程序设计”等,它学好与否直接影响着后继课程的学习,“计算机组成原理”在这些课程中起到承上启下的作用。计算机硬件技术发展快速,计算机内部结构复杂度日趋加强,新技术不断涌现,计算机组成原理所讲授的硬件内部构成和工作原理等内容都集成在芯片内部,只能看见芯片的外部特征,学习过程中学生普遍感到“计算机组成原理”课程涉及的内容多、抽象、难度大、难学、难懂,“教师难教,学生怕学”的现象在各高校普遍存在,如何把握课程的主线和重点培养学生的学习兴趣、提高教学效果,是从事本课程教学的教师在不断探讨的问题[1];在全国高校教师网络培训中心组织下,于2009年11月唐朔飞教授对他所建设“计算机组成原理”国家精品课进行交流和指导,给从事“计算机组成原理”的高校教师很大帮助,也掀起了新一轮对“计算机组成原理”课程教学的探讨,该文就几点看法跟各位同行探讨。
1对课程定位问题
各类高校的计算机相关专业都开设了“计算机组成原理”这门课程,对学习该课程要达到的目标,以及该课程在整个大学课程中所处的地位需要进行“准确”定位。根据办学条件、师资水平、学生素质结合本校培养方案,给本课准确定位很重要;定位关系到教学内容,决定学生能获取什么知识。有的高校是培养硬件设计开发型性人才,“计算机组成原理”就要培养学生的硬件设计能力和硬件研发能力;有的高校培养一般计算机应用人才,有的学生认为能通过学习这门课程可以让他们获得当前正流行的各种计算机硬件相关知识,怀着较大的期望来上这门课,也有学生认为学习了该课程就能获得一些计算机维修相关的知识等;还可能有学生通过高年级的学生只是听说过该课程内容较老,有对学生说这门可是“用过去的知识教现在的学生解决将来的问题”,这些学生根本没有想过要从该课程学习中获得什么有用的知识。所以,对课程必须要有明确的定位,要让学生知道通过这门课程能获得的那些知识,形成正确的期望。“计算机组成原理”是专业基础课程,基于数字和模拟电子技术,也是学习其他计算机硬件技术和软件技术的基础;计算机硬件技术的入门课程,本课程并非专门讲解具体的某项计算机实现技术和当前流行的计算机设备和技术,而是主要讲解计算机基本的构成和简单的实现原理;并且强调学习该课程具有重要的地位,有助于理解今后操作系统和应用软件设计中的一些特定问题,以及“微机接口技术”等后续课程学习中也很重要。从而,让学生对该课程有一个比较清晰的了解和定位,树立起正确的期望和兴趣。
2教学方法讨论
2.1合理选取教学内容
“计算机组成原理”课程的内容覆盖面广、难度大、内容多,如何组织和讲解是教好计算机组成原理的关键。“计算机组成原理”课程在教学内容的组织上应以模型机为背景(脱开具体机型),通过第一次课程使学生建立在五大功能部件(运算器、控制器、存储器、i\o设备)上整机概念,理解信息流和控制流如何在五部件中流动;第二次课程使学生建立在寄存器级上整机概念,让学生认识取指令到执行指令的过程,认识计算机工作的基本原理,教学内容从整体到局部、从宏观到微观,层层深入,以信息的数字化表示、信息的传送和控制方法为主线,按基础、组成、系统三个层次阐述计算机组成原理,并掌握计算机的工作方式以及计算机内部数据的处理和控制过程,使学生在学习每块知识时,都知道所学内容在整个计算机工作中的作用,对全局的影响,不断诱发学生对尚未学习的部件产生认知的欲望;通过实验教学的配合,加强培养学生动手能力,培养学生硬件系统方面的分析、设计、开发、使用和维护的能力。
2.2教学工具的使用
“计算机组成原理”涉及i/o设备、存储器、CpU的组成结构、这些控制电路被封装在芯片中,芯片采用大规模集成电路,学生不能直观地观察内部结构,只能凭想象构造,加上学生理解的难度,对这些抽象性很强的知识利用传统的教学手段无法直观、形象地描述内部的结构和工作过程;现代化教学手段和工具是解决这一问题的有效手段,利用现代教学手段和工具可以很好的提高教学效果,现代化教学手段和工具如下:多媒体课件、电子教案、仿真系统。多媒体课件可以生动、形象地描述数据流、控制流、地址流,能更直观地展示时序操作,使学生更容易理解教学内容,从而提高了教学效果;电子教案增加了授课的信息量,可以对知识进行详细讲解;仿真系统完全模仿计算机工作,让学生进行仿真操作,使学生对所学理论知识更好的消化和理解;教学中综合运用多媒体课件、电子教案、仿真系统的立体教学模式完成课堂教学。
网络课程是解决传统教学受到时间和空间限制的重要途径之一。让教学不受时间和地点的限制,搭建“计算机组成原理”的网络课程教学平台是很必要的。通过网络平台,学生可以方便获得教师上课时的教学教案、教学进度安排表、教学讲义、浏览其他资源,也能方便提交作业、在线测试;更重要的教师可以通过网络对学生进行答疑,做到学生与教师的互动不受时间和地方的约束。网络课堂的建设可以为学生提供了方便,同时老师也可以通过学生反馈的信息发现教学中的不足,及时做出调整。
“计算机组成原理”实验经过学生动手实验不仅可以培养学生的动手能力、分析和解决问题的能力,而且还能加强学生对运算器、控制器、存储器及整个硬件系统有较直观、深入、全面的理解,让学生理论指导实践,实践加强理论。通过实践让学生对所学内容形成一个整体,前后知识融会贯通,以提高学生综合运用所学知识的能力。ZY15Comp12BB实验箱和tHtwK-2型实验教学系统,不仅可以做基础性、验证性实验,还可以做设计性、综合性实验,是不错的实验平台。
3结束语
“计算机组成原理”是计算机科学与技术专业的专业基础课程,在整个学科中十分重要,在教学中不结合任何具体机型,采用自顶向下的分析方法,使学生首先形成计算机的整体概念,在逐层细化[3]。教学过程中“以学生为中心”的教学理念,结合现代教学方法,不断提高教学质量[4]。目前对“计算机组成原理”的改革和教学方法研究已经取得了一定成果,但仍然还有改进的空间;不断应用新技术,新方法应用于教学,在教学中本着为学生为主,根据学生实际情况因材施教,不断探索,不断总结,才能够有效地提高教学效果。
参考文献:
[1]唐朔飞.计算机组成原理[m].北京:高等教育出版社,2008.
[2]徐昆良.《计算机组成原理》课程教学方法探讨[J].中国科技信息,2009.
计算机组成原理基本知识篇2
关键词：计算机组成原理；知识点融合；研究生入学考试
中图分类号：tp301-4
从2009年开始，作为一门专业基础课，《计算机组成原理》也成为了研究生入学考试中的考试内容之一。然而，作为一门重要的课程，很多计算机专业学生在学习过程中普遍认为该课程内容抽象，理论性强，知识点广，在学习过程中很难激发学习兴趣，考研复习时，该课程往往成为专业课程的软肋。那么提高教学质量，成为了摆在很多授课老师面前的一个问题。
1课程特点及问题
《计算机组成原理》主要讲述了计算机的各个部分的组成以及工作原理。在本科阶段该课程既是《计算机导论》、《高级语言程序设计》、《电子技术》的后续课程，又是《操作系统原理》、《计算机网络原理》等课程的先导课程；但是，现在的计算机内部的集成度相当高，这些内容太抽象，相对于学生难以理解和想象，在学习的过程当中很难有激发起学习兴趣，且学生又觉得学了后没多大用处，因此该课程学生的学习效果一直不尽人意，同时也对后续专业课程的学习造成了影响。
2基于《计算机组成原理》课程的多知识点融合的教学内容改革的探讨
学生学习提不起兴趣的根本原因有二：第一，学生不理解该课程在计算机整个知识体系中的重要性，第二，在计算机高集成度的今天，该课程中的知识相对抽象，学生在学习过程中经常因概念理解不透彻而碰壁，无法提高学习积极性。
因此，在教学过程中，一方面可以尝试用学生熟悉的内容讲解新知识，将先续课程中的知识融入到课程教学当中，另一方面，将后续课程中的知识点用生活中熟悉的例子加以必要的引入和讲解，让学生有一个感性认识，为后续课程做好铺垫。本文以《计算机组成原理》的几个基本知识点出发，对课程的知识融合进行尝试，希望能探索出提高教学质量的方法。
2.1前导课程与计算机组成原理的结合
（1）计算机组成原理中ieee754标准与浮点型变量在内存中的存放形式的结合
授课问题：
ieee754标准是我院学生在计算机专业学习当中碰见的第一个ieee标准，在课程引入的时候如果直接介绍ieee754学生会觉得十分突兀：感觉需要强记ieee754标准中浮点数的存储格式，学生就会先入为主的简单认为后面的学习也是强记，从而失去学习的“积极性”，为后面的倦怠学习埋下伏笔。
解决方案：
在先导课程C语言中关于知识点浮点数的学习过程当中，浮点数的数据存放形式教材中有介绍。在课程引入的时候可以直接使用C语言学习中的例子作为知识点的导入，这样省去了很多解释工作，一方面提高的教学效率，另一方面也从例子本身告诉了学生课程之间是相互联系的，引导学生将已有的知识和新知识结合起来学。
（2）计算机组成原理中的地址概念与C语言变量定义的结合
授课问题：
很多学生对地址的概念不是很清楚，比如地址的作用。仅仅通过课本上的解释学生难以深入的了解地址的意义以及作用，需要通过C语言中的部分概念加强理解。
解决方案：
很多教师在讲地址的时候喜欢打门牌号的比方，但是，C语言教材变量的描述中已明确说明“编译系统给每一个变量名分配了对应的内存地址。从变量中取值，实际上是通过变量名找到相应的内存地址，从该存储单元中读取数据。”通过对已有教材的知识点的强调，“唤醒”学生在学习过程中不太注意的问题，加强记忆、理解。
（3）计算机组成原理地址线与数字逻辑中的译码器之间的结合
授课问题：
存储器的容量扩展是一个教学重点，但是这个内容并不难，但是考试做画图题时，学生往往错漏百出。地址的概念在数字电路中不止一次提到，它的根本在于译码器的使用。
解决方案：
存储器的容量的扩展的实质就是增加地址线，地址线的增加就是在原始地址线的基础上加上译码器，地址的形成也是一个译码的过程，把这个概念点清楚了，剩下的问题就容易解决了。
（4）计算机组成原理中的总线与C语言中的指针的结合
授课问题：
计算机中的地址总线、数据总线、控制总线中数据的输入输出的方向也是学生经常忽视的内容，在画电路示意图的时候往往随意标注方向，尤其是画地址线的时候经常画成双向线。
解决办法：
C语言中指针的设置的实质就在于地址是不能修改的，但是可以通过自加自减的方式在不改变物理地址本身的情况下来访问相邻的内存单元。通过对指针概括性的讲述然后与计算机中的地址概念进行对比学习，学生对C语言以及计算机组成原理有了更进一步的理解。
用已学过的知识点甚至是实例来解释新的概念，一方面提高了知识本身的“专业性”，加强了学生的专业素养，另一方面，提高学生综合应用所学的知识解决实际问题的能力，为研究生阶段学习打下一个更宽更坚实专业知识平台。
2.2后续课程与计算机组成原理之间的结合
和C语言、数字电路一样，作为先导课程计算机组成原理中也有很多知识在后续课程中得到了印证。
（1）计算机组成原理与汇编语言类课程、接口类课程的结合
计算机组成原理课程中有一个专门的章节讲述指令系统，这与80×86汇编语言中前面的内容有一部分是重叠的，以其中的寻址方式知识点为例，在汇编语言以及硬件相关的后续课程中（单片机应用，嵌入式等课程）也出现了，但是确又不完全相同，学生在多次学习寻址方式以后对后续课程中该知识点早已失去学习的兴趣，往往想当然的就把80×86中的寻址方式当成了其他机型里对应的寻址方式。
出现问题的原因在于计算机组成原理这门课主要是借助80×86机讲清楚寻址方式的概念，但不是所有机型都与80×86机寻址方式一样，在讲寻址方式的时候要最好通过比较让学生知道这样的问题，通过说明寻址方式的必要性讲出寻址方式的本质，让学生在后续的学习中能够举一反三。
（2）计算机组成原理与操作系统的结合
操作系统原本就是为了加强用户的体验在计算机硬件基础上，加上了很多服务与功能。在讲授计算机组成原理时可以通过列举日常生活中常见的例子将操作系统相关知识融入进去，让学生有一个感性的认识，当学生在学习操作系统的时候对于这些概念不至于太陌生。
例如，组成原理中并行处理的技术与操作系统中的程序并发执行十分相似。操作系统的多任务处理在日常生活当中十分常见，在讲并行处理技术的时候，可以将操作系统的多任务处理作为知识点的引入，通过对日常生活中常见的现象解释，来讲清楚相应的知识点。学生可以通过理解日常现象的发生来理解硬件运行的实质。
《计算机组成原理》课程的本质是通过对80×86机工作原理的讲授，希望学生了解到一般的计算机组成和工作原理。教学的最终目的是要学生将学到的知识举一反三，能够应用到各类计算机当中去，这一门课程既是专业课又是计算机知识普及课程，不仅仅要普及硬件知识，另外还要对相关的知识进行引入，让学生对后续的专业知识有一个感性认识，为后续课程的讲授打好基础。
3结束语
《计算机组成原理》课程理论性很强，多数内容以理解为主，多专业课程相互结合，一方面让学生明白课程与课程之间内容交叉的现象，培养他们的创新精神及综合能力；另一方面还能提高教师的业务水平，提高学生在社会环境中的竞争力。
计算机专业的研究生考试自2009年起将数据结构、计算机组成原理、操作系统原理、计算机网络原理课程进行了统考，虽然加大了考试的难度，但是，这恰好反映计算机各专业课之间是紧密联系在一起的，缺了任何一门课程都不行，也反映了该专业对研究生在知识层面上的要求。这就要求学生在学习的过程当中不仅仅拘泥于课程本身，更重要的是对计算机专业知识在更高层次上作出整体的把握。所有的专业教师在授课过程中也应当遵循这样的原则，即除了对本课程的知识掌握熟练以外，还应该对课程的知识外延要有一个全局的认识。
计算机领域本身就是一个讲究一个团队合作的领域，教师授课过程当中更要注重这一点，一方面应用学生已有的知识来解释新的知识，另一方面，要做好服务意识，将本课程与后续课程中交叉的知识点利用日常的一些应用、现象加以介绍，为后续课程做好铺垫，只有这样高校才能培养出适合计算机专业发展的，能够在计算机专业领域站稳脚跟的综合性人才。
参考文献：
[1]陈华锋.《计算机组成原理》教学中多课程知识融合探析[J].荆楚理工学院学报，2011（5）：70-72.
[2]许高攀，黄翠兰，徐敏等.《计算机组成原理》教学改革探索电脑知识与技术[J].2007，1（3）：862-863.
[3]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，2009，7（7）：74-76.
[4]王丁磊.统考下的《计算机组成原理》教学方法探讨[J].计算机教育，2010，8（6）：91-93.
计算机组成原理基本知识篇3
关键词硬件软件系统课程设置实践操作应用
1引言
计算机越来越普及、电脑的家庭持有率越来越高、人们对电脑的依赖程度也越来越深，但电脑对于不少人来说还或多或少存在一定的神秘感，大多数人对计算机硬件还具有畏惧感，不过大部分人对掌握计算机维护与维修知识都有越来越强的迫切感。
因此，开设“计算机组装与维护”课就显得日益重要。
2同类教程中存在的不足
笔者参阅了“计算机组装与维护”的同类教程，有以下的看法。
（1）不少“计算机组装与维护”教程大约以三分之二的篇幅介绍具体的硬件，介绍市场上硬件产品的选购。由于pC机硬件的更新速度极快，不少书中介绍的硬件产品在市场上往往已经淘汰。这样的教程在课堂上讲授，给人有教程已老化的印象。
（2）计算机系统的论述不是采用系统的方法，而是分别介绍pC机的各个硬件，接着分别介绍各个硬件的维护和维修，这样的论述不太符合教学规律。介绍一种硬件之后紧接着讲述这种硬件的故障，显得很孤立，系统性不足。计算机是一个系统，是否应从系统的角度引导读者去认识故障、判断故障的所在和故障的成因？
（3）适合高职高专用的“计算机组装与维护”教程较多，讲授纯操作、讲授纯应用。而适合本科生用，既介绍操作和应用，同时又讲授相应的计算机理论，具有一定理论深度，采用上跟计算机硬件的发展介绍相应理论知识的教程欠缺。
3“计算机组装与维护”课程设置
“计算机组装与维护”是一门实用性很强的专业课，不论理科学生、工科学生，还是文科学生都需要学，都用得上。笔者认为：
（1）“计算机组装与维护”是大学计算机基础的重要后续课程。
（2）“计算机组装与维护”是微机原理课在实践和操作方面的补充。
（3）“计算机组装与维护”的重心在于结合操作和应用讲叙相应的理论知识，应做到让学生知其然，并且知其所以然。
（4）应站在普通用户的角度认识计算机硬件和软件的关系。让学生能把“微机原理”课中学到的理论知识与具体的计算机操作和应用结合起来，从应用的角度理解理论，成功地分辨应用中遇到的硬件问题和软件问题，从而有效地解决它们。
3.1为“大学计算机基础”的深入与提高
“计算机组装与维护”定位于“大学计算机基础”课的深入和提高。所以，课程内容应紧扣计算机的基础理论，相对地要跟上计算机硬件的发展，但又要做到不能成为产品介绍书；教程要把握计算机的发展方向，结合计算机科学，以一定的理论深度、一定的前瞻性（硬件发展的方向）介绍计算机的硬件及其发展。
（1）强调计算机系统结构的概念：计算机系统构成的概念，计算机由主机和外部设备组成的概念，计算机系统由系统软件和应用软件组成的概念。
（2）从众多同类产品中总结出具有共性特征的产品予以介绍，尽量避免具体产品的介绍，最大限度减少pC机硬件快速改朝换代对教材建设带来的负面影响。如主板，从架构方面分类有Slot和Socket架构。Socket架构的产品有Socket370、Socket432、Socket478，Sockett（即LGa775）等。
（3）结合pC机的硬件产品的发展介绍计算机的发展以及计算机的发展方向。如CpU的发展从X86到pentium，从pⅡ、pⅢ、p4到双核等。
（4）从用户自然辨别的角度、直观的方式将故障分为黑屏故障、蓝屏故障、死机故障，以及安装故障、启动故障、运行故障、关机故障等，讲述相应故障的排除方法。
3.2“微机原理”课操作实践方面的补充
“微机原理”课程讲述数制、控制器、运算器、存储器、输入输出接口等计算机科学的理论知识，这些理论知识一般比较抽象。“微机原理”课中所讲述的数制有别于人们日常生活中熟悉的十进制，所讲述的运算原理不能从一块CpU的外形看出其中的控制器和运算器，无法感性地认识输入输出的接口是如何完成数据的传输的。
“计算机组装与维护”讲述硬件和软件的组装。学生通过DiY可以直接接触计算机的硬件，经过系统软件和应用软件安装的操作实践，可以通过显示器直观、形象地浏览到软件系统。若教程再能完好地结合计算机的硬件产品，以浅显易懂的语言讲解与该硬件相关的计算机理论知识，就能很好地做到帮助读者理解深奥的计算机理论，更好地应用计算机去解决各种专业的问题。如，结合CpU及其产品的介绍，讲解摩尔定律、讲解计算机的体系结构；结合网卡讲解数、模和模、数的转换理论；结合声卡及音响的输出讲解何为5.1声道、7.1声道等。这样与硬件产品有机结合的讲解，直观性强、课程生动、能很好地做到“微机原理”应用实践与补充的作用。
3.3“计算机组装与维护”的重心在于理论叙述与应用操作并重
计算机是人类脑力劳动的工具，应用离不开理论，学习应贵在操作、重在实践。所以“计算机组装与维护”的重心应定位于计算机理论的叙述与应用操作并重。
（1）人们要顺利地完成一件工作（操作），需要概念清晰、流程清楚。计算机的软、硬件组装操作包含的知识和内容很多，必须要让读者建立起完整的、清晰的软、硬件组装流程的概念。
（2）计算机的主存由内存条构成，内存管理知识有基本内存、扩展内存，分页、分段、保护模式管理，虚拟内存、动态数据交换等。系统是否在优化的环境下运行与主存储器的管理相关，内存的管理通过操作系统实现。系统优化的方法有减少内存驻留程序、系统配置实用程序、虚拟内存设置等，以此达到理论叙述与应用操作并重的要求。
（3）当前计算机最重要的外存储器是硬盘，所以，结合硬盘实物（或图片）讲述磁存储知识效果好。通过硬盘讲述磁道、扇区、簇、文件系统以及文件的链式存储等外存储理论知识。结合外存理论的阐述，介绍硬盘分区、格式化等具体的应用操作知识，对外存的介绍同样达到理论叙述与应用操作并重。
（4）与BioS相关的计算机理论知识，主要涉及Rom和BioS的功能和作用、BioS在pC启动运行中与系统的关系等。应用操作则讲述BioS系统设置，以及不同版本BioS的系统设置操作等。
（5）注册表是pC机的管家。理论上，介绍注册表所采用的树状数据库结构，以主键、子键和值项的方式组织数据和管理信息。注册表的应用主要包括注册表的备份与还原，注册表编辑器的使用，创建、修改表项和值项等；由于注册表是管家，所以注册表还事关系统的安全。
4结束语
相对来说，“计算机组装与维护”是一门新课。笔者将其定位于微机原理课的实践和补充的看法是否恰当，理论叙述与应用操作同等比例的定位是否合适，如何结合计算机的配件讲解相关的理论、介绍相应的操作应用，能否做到以通俗易懂的语言讲解计算机的理论知识等，都有待于实践的检验和有待于专家们的进一步探讨。
参考文献
计算机组成原理基本知识篇4
关键词：计算思维；计算机硬件课程；教学模式
中图分类号：G642文献标识码：a文章编号：1009-3044（2015）13-0125-03
abstract：thecultivationofcollegestudents'computationalthinkingabilityistheconsensusofthecomputereducationincollegesanduniversities.amethodtoimprovetheteachingmodeofcomputerhardwarecoursesisputforwardbycombiningwiththebasicprinciplesofcomputationalthinkingandanalyzingtheexistingproblemsintheteachingmodeofcomputerhardwarecourses，whichprovidesanewwayfortheteachingreformofcomputerhardwarecourses.
Keywords：Computationalthinking；ComputerHardwareCourse；teachingmode
1引言
随着计算机科学与技术的发展，不同的高校开设计算机专业的课程有很大的差异，因而许多高校教师面临一些困惑。如，快速发展的计算机技术，使专业课程教学内容面临取舍问题、教学内容选择问题、学时数问题、教学与实践的学时分配问题等。2006年周以真[1]提出了“计算思维”的概念，给国内外教育工作者指明了计算机教育的目标是培养学生的计算思维能力。随后计算思维在国内外计算机界引起广泛关注，计算思维迅速成为了计算机教育研究的重要问题[2-5]。2011年四川师范大学的牟琴和谭良[6]对计算思维的研究情况做了较为详细的阐述和总结，并进一步提出展望。总体看来，教育工作者们对计算思维的理解不尽相同，甚至差别较大，但普遍认为计算机教育的核心任务是培养学生的计算思维能力，是业已形成的共识[7]。然而如何将这种共识变成完整的行之有效的方法体系，仍然需要继续探讨和坚持不懈的实践。
面对大学计算机专业的“知识空间”，战德臣、聂兰顺[8]从宏观上提出了“计算之树”描述计算技术和计算系统，并给出了一个大学计算机课程改革方案。朱亚宗[9]提出了计算思维的基本原理，包括三点：一是可计算性原理，二是形理算一体原理，三是机算设计原理。我们认为这至少从计算机的产生过程方面对计算思维的基本原理有了较为深刻的理解。本文试图结合文献[9]的计算思维的基本原理，根据计算机硬件课程的特点，提出计算机硬件课程教学改革的模式。
2计算思维的基本原理
2.1可计算性原理的核心是递归
计算在人类社会发展中是必不可少的工具。不过，人们一直较为直观认为：计算就是按照预定的规则，将一些原始数据变换成另一些需要的数据的处理过程。那么，按照确定的规则，将给定类型问题中的任何具体问题在有限步内完成求解，便称为这类问题是可计算的。但进入20世纪，人们发现很多问题找不到算法，例如：半群的字的问题，希尔伯特第10问题等。这时人们反思，尽管通过构造出的方法能够解决一些问题，但对计算的理解依然不明确。
美国数学家KurtGodel于1934年提出了一般递归函数的概念，并给出了重要论断：凡算法可计算的函数都是一般递归函数，反之亦然。1936年，著名的“丘奇论点”指出算法可计算函数等同于一般递归函数或λ可定义函数。就这样，经历数学教们的努力，可计算函数有了严格数学定义，但对具体的某一步运算，选用什么初始函数和基本运算仍有不确定性。为此，turing在“论可计算数及其在判定问题中的应用”一文中，全面分析了人的计算过程，把计算归结为最简单、最基本、最确定的操作动作，并使任何机械的程序都可以归约为这些操作动作。这种方法以一种“自动机”为基础，算法可计算函数即是这种自动机能计算的函数。后来人们将这种“自动机”称为“图灵机”。
因此，“递归”的思维是可计算性原理的核心。采用一个或多个前导元素运算后续元素，从而实现求解一系列元素。周以真教授也指出递归是计算机技术的典型特征，递归使无限的功能在有限步骤内可以描述或运行。
2.2物理机制与计算方法对应是形理算一体关键
数学能够充分地表达各种物理规律，对物理规律有明确表达，但是同一物理规律可能有多种数学表达方法，如我们在笛卡尔坐标和极坐标下描述椭圆，就可以形成不同的表达式，这样在计算上就不等效。因此，要使数学物理的离散计算步骤完全可以上溯到形象思维层次的物理模型，计算思维必须与形象思维及抽象思维融合为一体。
2.3机算设计原理的根本是“0-1”和“程序”思维
电子计算机的基本模型应该是计算思维的根基。众所周知，计算机的根本特征是程序存储和程序的自动执行。冯・诺依曼提出的计算机的基本机构为：计算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出5个构成部分，并确定了采用二进制和存储程序，自动执行指令，这样就充分利用了逻辑学家和电子工程师的智慧。因此，计算机的基础原理离不开“0-1”思维和“程序”思维。计算机的硬件电路由晶体管等元器件实现，再进一步组合形成逻辑门电路，然后再构造复杂的电路，从而实现计算机的复杂功能。正是硬件能够存储和执行逻辑值，0和1就是逻辑值的符号，通过0和1，把所有的操作或处理都符号化为0-1序列。这就是“0-1”思维。计算机的各种复杂的操作都是由基本操作构成的，实现系统仅仅需要若干基本操作进行组合，形成基本动作的次序，也就是程序，即是“程序”思维。
3计算机硬件课程教学模式存在的问题
计算机硬件课程主要由模拟电子技术、数字逻辑、计算机组成原理、微机原理与接口技术、计算机体系结构、嵌入式系统6门课程。这些是计算机专业课程的重要部分，多数院校都对这些课程比较重视，但大多数学生都反映对硬件知识掌握不牢，动手实践能力不强，几乎不能理解简单硬件系统的原理，更谈不上硬件系统的分析与设计等等问题。导致这一结果的原因与教学模式有很重要的关系。
3.1课堂教学内容无新意，难激发学生的学习兴趣
如果计算机硬件课程仅仅按照教材的组织授课，整个知识的过程是填鸭式，一灌到底，最终只能是知识堆积，给学生感到内容繁杂，难以理解，学生会渐渐失去学习兴趣。
3.2强调理论知识，不重视实践训练，难提升思维方式
很多院校对课时量压缩，教学内容大大减少，教师在课堂上只讲解基本原理，使学生的系统分析和设计能力较弱。另外，实验课内容以验证型居多，致使学生对各个知识点的联系不清楚，缺乏独立解决问题的能力，难以建立连续的、渐进的设计思想和提升计算思维能力。
4新型教学模式构建
结合目前计算机硬件教学上存在的问题，我们希望通过具体教学模式改革，使学生在潜移默化中将计算思维能力融入到个人解决问题的备选思考方式库中。经过四年的熏陶，会主动甚至无意中运用计算思维去解决实际问题。为此，进行如下改革。
4.1优化教学内容组织
以计算思维为指导，保持原有的教学内容，挖掘知识模块之间的联系，重新组织和优化教学内容，理出教学内容的知识体系，找出知识脉络。这里给出模块化和系统化的教学内容组织方式。
模块化，一些具有计算思维特征的教学内容可设为知识模块。如，“0-1”模块、“存储程序”模块、并行模块、递归模块等。数字逻辑的逻辑部分和计算机组成原理的数据表示方法等内容设为“0-1”模块，数字逻辑的存储电路部分、计算机组成原理的多层次存期器系统、指令系统和微机原理与接口技术的存储器部分可视为“存储程序”模块等。同时，内容组织可以与社会环境中场景类比，使学生由浅入深地理解计算思维，丰富其联想能力，促进学生形成复合型思维。
系统化，以项目驱动的方式组织系统化的教学内容，帮助学生建立知识模块之间的联系，提高学生对计算技术与计算系统的宏观认识和理解。由项目的问题为导向，逐步探寻知识结论的思维轨迹和模式，改变陈旧的教学内容呈现型教学模式，以培养学生的思维过程为重点，加强教学深度，达到训练计算思维的目的。譬如：在讲授数字逻辑课程中，以设计一个复杂数字系统为例，为完成给定的系统，首先需要进行系统总体功能分析设计和各个部件的设计，然后分析数制与码制、逻辑门、逻辑电路设计及优化等相关主题，最后再总结归纳设计思想。
4.2改进教学方法
教学模式改革，不仅是教学内容的优化和更新，更重要的是采用怎样的方法来实现教学目标，即是教学方法上改革。下面是我们已经过在实践应用的两种教学方法。
4.2.1加强学生自主探究学习能力
当今，计算机网络的发展和普及，网络上的学习资源已经相当丰富，大学生有能力利用网络资源，学习并理解一部分知识。同时，翻转课堂教学是当前较好的教学方法，高校教师也应当合理地借鉴，将其融入自主探究式学习中。首先让学生提前在网络上学习一些课前的基本知识，在课堂教学中不再重复学生可以方便获取、自学的东西，多留出时间让师生交流。这样，一方面，教师可以充分发挥学生的自学能力，让学生自主完成部分学习任务；另一方面，教师可以通过课堂师生交流，使学生掌握知识的全面性和系统性，引导学生形成计算思维能力。
4.2.2促进实验课程教学改革
当今的教育理念都倡导学生做课堂的主人，充分给学生动脑和动手机会，让他们主动获取知识；而教师的作用主要是引导学生发挥主观能动性，加强学生的实践能力，帮助学生梳理知识结构，提升学生计算思维能力。为此，对实验教学方法进行如下改革：
⑴实验进课堂。计算机硬件课程的共性是实践性强，如果单纯地以理论课的形式授课，学生会感到抽象，无法完全理解。如果能将验证性实验在课堂上演示（如：计算机组成原理的存储器实验、微机原理与接口技术的定时器、数码管显示实验等），不仅解决了学生的疑问，还活跃了课堂气氛。
⑵实验平台自行设计。目前，多数院校采用购置的实验仪安排实验内容，且安排相对固定，学生只需要插入少数连线，就可以将实验做完。这样，教师无法灵活安排实验内容，难以提高学生的实践能力，更谈不上系统掌握知识，提高思维能力。为此，购买一些最小系统开发板，自制实验平台具有较多好处。一是，可以选择最适合本校学生的软硬件资源，编制难度适中的实验内容；二是，有利于锻炼教师能力，改善教师专业素质，自制实验平台以教师主导，学生参与，共同提高；三是，成本低，功能全；四是，方便维护，改变实验仪维护周期长的问题。
4.3改进综合评价体系
考核是评估教学目标完成程度的一种手段。通常，大学计算机课程的评价体系由平时成绩和期末成绩两部分组成。平时成绩是学生课堂出缺勤情况，占30%，而期末成绩则以测试记忆性的知识考核为主，占70%。但是，在计算机硬件课程中，这样的评价体系不仅不能全面反映学生对课程知识的掌握程度，更不可能有效地反映学生的计算思维能力，原因在于计算机硬件课程带有一定的综合设计和实践能力，试卷成绩根本无法体现学生运用知识的能力，更谈不上提高计算思维的能力和创新能力。
我们对计算机硬件课程采用综合的评价系统，一门课程的评价应由平时成绩（占10%）、平时实践成绩（体现运用和创新能力，占50%）和期末成绩（占40%）。这样不仅考虑到学生出勤情况和记忆知识的考核，更重要的是体现了学生的平时实践创新能力，这样，实践考核成绩不仅容易判别学生对计算思维的理解以及其运用能力，还能反映问题求解过程或方式方法的多样性，从而鼓励学生大胆创新。
5总结
本文根据计算机硬件课程的特点，分析了当前计算机硬件教学模式存在的问题，提出了计算机硬件教学模式改革的方法，解决了培养计算思维能力难以落实到具体课程的难题，为计算机硬件课程教学改革提供重要参考。
参考文献：
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[7]陆汉权，何钦铭，徐镜春.基于计算思维的大学计算机基础课程教学内容设计[J].中国大学教学，2012（9）：5-58.
计算机组成原理基本知识篇5
关键词：教学改革；实践；计算组成原理；仿真器
中图分类号：G624.0文献标识码：B文章编号：1009-3044(2008)30-0693-02
explorationontheteachingmodeloftheCourseofComputerorganizationprinciples
ZHaoQiu-yun,HeJia,weiLe
(ComputerScienceDepartment，ChengduUniversityofinformationtechnology,Chengdu610225,China)
abstract:BasedonthecharacterofCompilerorganizationprinciplesandseveralteachingyears’experience,thispaperdiscussesteachingmodelofthesubjectfromthefollowingaspectsthathowtoorganizethecontents,whichmeanstotake,thereformofteachingmethodsandtoenhancestudents’abilityofpractice.especially,it’sthepositiveattemptthatthethoughtofsoftwaredesignationisintroducedintotheteachingwork.
Keywords:teachingreform;pratice;computerorganizationprinciples;simulator
1引言
《计算机组成原理》课程是计算机科学与技术专业的一门专业基础核心必修课程，其任务是使学生掌握计算机各组成部件的工作原理、逻辑实现、设计方法以及将它们连接成整机的方法，为培养学生对计算机硬件系统的分析、开发、使用与设计能力打下基础。纵观整个计算机知识的体系结构，掌握计算机硬件知识，是一个高水平计算机工程技术人员成长必须具备的一个基础。高等教育开设《计算机组成原理》课程的目的也就是基于此考虑。
但是我国高校（尤其是普通高校）的教学过程中存在教学内容陈旧、重理论轻实践、重分析轻综合三个方面的问题，往往没有达到课程设置的目的。因此，如何改革《计算机组成原理》课程教学模式，以提高其教学效果和教学质量,使它跟上计算机技术的发展,是我们当前亟待解决的问题。为了使学生系统而全面地掌握计算机工作原理,培养学生扎实的理论基础和良好的实际应用能力,我们在多年的教学实践基础上对这门课程的教学模式进行了一些探索,已初见成效。
2合理组织教学内容，注重教学方法改革
2.1针对学生实际，合理安排教学内容
各个学校的定位不同，学生基础有别，因此必须根据课程设置和学生实际情况，制定合适的教学大纲，合理安排教学内容。针对我校实际情况，在选择罗克露编写的《计算机组成原理》教材[1]基础上，我们在安排教学内容时遵循三个基本原则：1)重点在计算机组成中具有共性的问题，注意把教学重点放在基本概念、基本原理和具体的实现方法上，但是要适当地介绍一些体现当代计算机发展特征的新知识和新技术，以跟上技术的变化；2)从单机系统的几大组成部件的组成原理以及内部工作机制讲起，最终要帮助学生建立整机概念；3)考虑先设和后置课程的内容，不做重复无用功。
基于上述三点我们在安排内容时把重点放在信息表示、指令设计的思想、时序控制方式、存储器设计、主机与外设的连接控制方式、CpU设计、磁记录方式、打印机和显示器工作原理上面，而对《计算机导论》涉及的冯氏计算机结构概述、《汇编语言》涉及的寻址方式、《接口技术》涉及的总线和接口、《操作系统》涉及的虚拟存储器、《计算机体系结构》涉及的流水线、《计算机网络》涉及的数据校验、《存储技术》涉及的磁盘阵列等内容，只是简要概述，不做详细讲解。经过内容的调整，我们可以把重点关注于组成原理本身的知识点上，从而在有限的学时中，使学生掌握理解了更多的知识。
2.2采用启发式教学
启发式教学法是教师启发学生积极思维，使他们主动掌握知识的一种教学方法。它主要以提高学生的积极性、主动性、创造性为目的,通过老师的课堂提问和引导让学生加深对教学内容的理解,并提高他们分析问题和解决问题的能力[2]。在《计算机组成原理》课程教学过程中，为了达到较好的教学效果，教师一方面要深刻理解课程的基本理论，了解计算机科学的最新发展和应用情况；同时，教师应该注重知识的逻辑组织形式，采用多种多样的形式将枯燥的理论知识与灵活的实际应用相结合，使教师和学生之间形成流畅的信息流动，从而最大限度地调动学生的主动性，营造出积极、和谐的课堂教学气氛。
例如，在讲解存储器设计时可以这样对学生来进行启发：1)计算机中的内存容量很大，而单个存储芯片容量又较小，能否用存储芯片构成存储器？2)若能，需要解决哪些问题？3)要解决存储地址线、数据线、片选信号等问题，又该如何解决？4)解决上述问题，存储器的内部结构如何表示？5）CpU是如何使用组合后的存储器？使用的实质是什么？对上述问题的解答教师要引导学生进行积极思考，使其参与其中，进而实现观点的撞击。
2.3合理采用教学手段
教学手段的应用不在于新，而在于其效果。因为《计算机组成原理》课程固有的特点，我们采用的教学手段为：对需要推导的知识如数的表示范围、补码原码转换关系的推导等还是采用传统的黑板；对需要展现工作过程的知识如CpU内部信息传送、微程序工作原理、堆栈等则采用多媒体教学，把它们以动画的形式反映出来，提高学生学习兴趣；充分利用辅助教学平台、电子邮箱，实现师生课外交互。
3重视实践教学，加强动手能力的培养
《计算机组成原理》是一门理论性比较强的课程，但其实践性亦不容忽视。教师和学生都应该树立这种观点：不掌握理论就不会理解实际的计算机设计；看不到理论在实际中的应用就不会真正理解理论。因此对《计算机组成原理》的实践教学我们注重做到：1)选择合适的实验仪器，即软件、硬件等基本配置应该比较完整，能够覆盖课程的主要教学内容，可以支持数量较多且水平较高的教学实验项目；2)设计合理的实验项目，所开设的实验项目要具有一定的灵活性，学生可以在简单模型机设计的基础上，根据自己的要求重新设计。例如，我们可以设计一定数量的实验项目、验证性实验，加深学生对各计算机大部件的组成和工作原理的进一步了解；可以设计一定数量的可重设型项目，训练学生对单独部件的独自设计能力；3)延长实验室开放时间，由于有些实验在课内做不完，实验室在课余时间对学生开放，没有完成任务的学生可以继续进行，有对实验感兴趣的学生也可以进行开发研究。通过实验教学的开展与实验室的开放，学生们增强了对硬件学习的信心及兴趣，更进一步掌握了所学的理论知识，也锻炼了他们独立分析问题和解决问题的能力。
4合理应用软件思想，培养学生创新思维
《计算机组成原理》在计算机专业的课程中，处于承上启下的作用，但学生最终却没有形成这样的认识，在后续课程的学习中不能与之建立联系，造成知其然，不知其所以然的状况，由此，我们需要加强这方面的引导。这一点可以通过利用软件模拟的方法构造自己的计算机来解决。引导学生把学习的硬件理论通过软件来进行模拟，一方面可以克服实验箱比较简单，与实际的计算机复杂程度差别较大，不能完全重现计算机的工作过程的不足；另一方面可以锻炼学生综合应用所学知识的能力，培养其创新思维。对于构造的个人简单计算机软件作为一个课外作业，要求每个学生必须完成。个人简单计算机的要解决的问题[3，4]：合理设计简单计算机的语言、机器指令的设计与表示、寄存器和内存单元的仿真、指令执行过程的模拟、错误的检查和处理、微指令和微程序的设计与模拟(可选)。我们已经实现了该软件，限于篇幅，对具体实现不再赘述，给出程序一个运行界面如图1所示。
5结束语
本文从提高教学质量、培养学生创新能力的角度出发，就教学内容组织、教学方法和手段、实践教学环节和软件思想在课程中的应用几个方面对《计算机组成原理》课程的教学模式进行了探讨。对文中探讨的模式，在实际教学中进行了验证，取得了较好的效果。当然在教学中还有一些其它的方面，比如如何引发学生学习兴趣、课堂组织形式等本文没有进行探讨，这将在今后教学中予以补充和总结。
参考文献：
[1]罗克露，单立平，刘辉等.计算机组成原理[m].北京：电子工业出版社，2004.
[2]裴春琴.浅析《计算机组成原理》课程教学改革[J].忻州师范学院学报.2006,22(3):55-57.
[3]魏乐，赵秋云，黄健.基于软件模拟技术的简单计算机的设计与实现[J].四川师范大学学报(自然科学版).2006,29(11):267-269.
计算机组成原理基本知识篇6
关键词:计算机导论;课程定位;教学内容改革
中图分类号:G642文献标识码:B
1课程定位
“计算机导论”是学习计算机知识的入门课程,是计算机专业(包括计算机科学技术、软件工程、网络工程等专业)的核心课程之一,是计算机专业完整知识体系的绪论。通过本课程的学习,可以使学生对计算机的发展简史、计算机专业的基本知识及知识体系、计算机学科方法论及计算机专业人员应具备的能力素质和职业道德有一个基本的掌握,并了解计算机科学技术的最新进展和发展趋势。为大学四年的知识学习、能力提高、素质培养和日后的科学研究、技术开发、经营管理等工作奠定良好的知识和思维基础。
“计算机导论”教学由理论教学和实验教学组成,具有5个方面的作用:了解计算机的发展简史,激发学习兴趣和学习动力;掌握计算机的基本知识,构建专业知识体系框架;熟练掌握常用软件的操作技能并初步具备系统的组装与维护能力,提高计算机应用能力;跟踪计算机科学技术的最新进展及发展趋势,促进研究性学习;培养计算思维,强化创新意识和创新能力。
2传统教学内容的不足
近几年,大多数高校的计算机专业都开设了“计算机导论”课程,也出版了一批计算机导论教材。在内容选取和叙述上各有一定的特色,基本适应了不同学校的教学要求。但从计算机科学技术的快速发展和高素质计算机专业人才培养的需求来看,在教学内容的选取和叙述上也存在一些不足。
2.1计算机发展简史的介绍过于简单
介绍国内外计算机发展简史的目的是让学生了解计算机科学技术及软硬件产品的发展历程、生产厂商的经营策略和专家学者的重要贡献。作为计算机专业的学生,概括性地了解计算机科学技术及产品的历史发展是很有必要的,从成功的经验中启发思路,从失败的事件中汲取教训,从科学家工程师们献身科学技术的奋斗中获得力量,从而激发出学习计算机专业知识的兴趣和动力,如果这部分内容介绍过于简单,就难以达到预期目的。
2.2内容相对陈旧
“计算机导论”的教学,不但使学生了解计算机的历史发展,还应使学生跟踪到计算机科技术的最新进展和发展趋势,这对于提高教学质量和教学的有效性、提高学生的学习兴趣是非常必要的。否则,会使学生感觉教学内容落后于自己在实际生活中接触到的概念和产品,影响其学习积极性。把计算机科学技术和产品的最新进展及时融入到教学中,可以通过两个主要步骤来实现。一是教材的编写要尽可能吸收最新的内容,二是教师备课时把由于教材出版时间等因素一时不能及时写入的最新发展补充进来。
2.3不容易理解
对于计算机知识的介绍(如计算机基本组成、操作系统、计算机网络、数据库、软件工程、程序设计、数据结构、计算机安全等),有些内容介绍的太多太细太深入,而有些内容又介绍的太少太简单,各部分内容在层次和深度的把握上不平衡、在前后呼应上不协调。有的内容介绍成了相关课程的简单压缩版本,叙述方式上没有考虑大学新生的知识背景和理解能力,学生难以真正理解,不符合“计算机导论”的教学需要。这些容易使学生产生畏难情绪,影响其后续课程的学习。
3理论教学内容改革
作为计算机专业的入门性和绪论性课程,“计算机导论”的理论教学内容选取与叙述应体现6个字的特点:广、浅、新、易、趣、思。即知识面广、层次浅显、内容新颖、通俗易懂、激发兴趣和引导思考。
3.1知识面广
作为计算机专业的引导性课程,“计算机导论”要包括计算机专业知识体系和计算思维的各个主要方面。学生学完该课程,应初步具备计算机专业学生的知识素养和思维素养,对电视、互联网、报纸等日常媒体中常见的专业术语与产品有一定程度的理解或了解;初步建立起计算机专业知识体系的框架,在日后的学习逐渐丰富和完善这个框架,最后形成内容丰富翔实的完整知识体系。
基于对传统教学内容的分析,在借鉴有关文献中关于“计算机导论”内容选取的基础上,我们确定“计算机导论”教学内容包括9个部分:计算机发展简史、计算机专业知识体系、计算机组成知识、操作系统与网络知识、程序设计知识、软件开发知识、计算机系统安全知识与职业道德、计算机领域的典型问题和计算机学科方法论。这是一种全面系统的内容选取模式,每部分内容都有其独特的作用,能够较好地适应“计算机导论”的课程定位。
读史使人明智。学习计算机发展简史,可以从中吸取成功的经验和创业的启示。
计算机专业知识体系的介绍,使学生进入大学后尽快了解计算机专业学生应具备的知识结构和能力与素质要求,初步了解将要学习的主要专业课程的基本内容,重视操作技能、实践能力和创新能力的提高。
计算机组成、操作系统、计算机网络、程序设计、数据结构、编译原理、数据库、软件工程、计算机系统安全等是计算机专业的核心内容,通过对这些知识的概括性介绍,可以使学生初步建立起计算机专业知识体系的框架。
职业道德与有关计算机安全法律法规的介绍,使学生不仅要有保护自己所用计算机系统安全的意识,而且要遵守法律法规及职业道德,不做破坏他人计算机系统安全的事情。
通过对计算机领域典型问题的介绍和分析,能够使学生清楚所学课程的重要作用,了解计算机学科中一些重要问题的解决思路和方法。
学习计算机学科方法论,能够使学生更好地掌握计算机学科的本质,了解数学知识和系统科学知识在计算机学科中的重要作用,使其重视数学知识、系统科学知识的学习,有利于数学思维、系统观及计算思维的培养,既有利于大学阶段的专业知识学习和能力提高,也有利于日后从事计算机领域的相关工作。
3.2层次浅显
由于大多数刚进入大学的学生所掌握的计算机知识是非常有限的,对计算机知识的理解和思维方式还不适应,所以对每一部分内容的介绍应从宏观层面上进行,不宜深入,把握到高级科普的层次。作为导论课程,不可能把所有专业知识都讲深讲透,可以留给学生一些思考和想象的空间,这样有利于增加学生对后续课程的期待和学习兴趣。
对于计算机基本组成、操作系统、计算机网络、程序设计、数据结构、编译原理、数据库、软件工程、计算机安全等方面的知识,要结合现实应用以合适的切入点深入浅出地进行介绍,广度优先、控制难度和深度,使学生理解相关课程的基本知识及课程的作用即可,深入的、细节性的原理内容留待后续的相关课程中介绍。
基本知识的介绍要避免两种倾向,一是内容多且深入,二是内容虽少但深度不减。内容多且深入,或许是想把更多的内容告诉学生,但由于受教学时数及学生知识背景与理解能力的限制,难以达到预期效果,也没有必要,因为学生日后还要学习相关课程。内容虽少但深度不减,这或许是一种省事的做法,把相关课程的内容简单压缩后介绍给学生,最大的可能是把学生讲糊涂,还不如不开设导论课程。
3.3内容新颖
计算机科学技术的发展是迅速的,新的概念和术语不时在互联网、电视和广播等媒体中出现,新型电子产品不时推出并不断更新换代。“计算机导论”课程中介绍的内容要能反映计算机科学技术和产品的最新发展,使学生了解相关概念和术语的基本含义及新型电子产品的基本原理和功能。新颖的教学内容,才能激发学生的学习兴趣和探求原理的强烈愿望。
我们在计算机发展简史部分,从最初的手指记数一直介绍到目前世界上最先进的计算机――iBm公司研制的运算速度超过1000万亿次每秒的Roadrunner,对未来可能的生物计算机、量子计算机及光计算机也作了简要介绍。
在计算机专业知识体系部分,我们介绍了考研的最新规定。从2009年开始,计算机科学与技术一级学科(包括计算机应用技术、计算机软件与理论和计算机系统结构3个二级学科专业)的研究生入学考试,在原来政治、外语、数学全国统考的基础上,计算机学科专业基础综合也实行全国统考。计算机学科专业基础综合考试内容包括数据结构、计算机组成原理、操作系统和计算机网络。
在计算机网络部分,介绍了近几年流行的博客、网格、云计算、ip地址、域名、电子商务、电子政务、B2B、B2C、C2C等术语,并说明了ipv6与ipv4的主要区别。
计算机系统安全部分,在介绍计算机病毒知识的基础上,简明扼要地介绍了近几年比较流行的黑客、网络钓鱼、防火墙、入侵检测、数据加密、数字签名等术语和相关技术及产品。
其他部分也都介绍到了近几年的最新技术进展。如U盘、DDR内存、小体积大容量硬盘基于的巨磁阻效应、动画、虚拟现实、超线程技术、多核技术、windowsVista、面向对象软件开发方法、面向对象程序设计、UmL、分布式数据库、XmL、数据仓库、数据挖掘、智能机器人等。
3.4通俗易懂
对教师来说,经过多年的专业知识学习和实践经验积累,“计算机导论”课程中的内容都会觉得容易理解。但是,如何才能使大学新生真正理解所介绍的内容?这需要教师对内容的叙述和讲解要深入浅出、形象生动、通俗易懂,要适合一年级大学生的知识背景和其对计算机知识的理解能力与思维方式,这是每一位教师需要思考解决的问题。教师对各部分专业知识的介绍,要以合适的角度切入,力戒成为相关课程的简单压缩(内容少而深度不减),否则学生是难以理解的,不仅导论课程的教学质量不能保证,还会使学生产生畏难情绪,影响后续相关课程的学习。
在计算机组成部分,我们简化了对计算机组成部件特性的介绍,充实或增加了一些新内容和宏观层面内容的介绍。如充实了对主板和总线功能的介绍;改写了对字符型数据及汉字的编码表示;对按层次组织文件的优点、删除文件的含义及文件恢复原理等进行了更为明晰的叙述等。
在程序设计知识部分,我们简化了对程序设计语言、数据结构、算法设计与分析和编译原理具体内容的介绍;强化了对程序设计语言发展的介绍,让学生了解机器语言、汇编语言、高级语言、结构化程序设计语言、面向对象程序设计语言、可视化程序设计语言、人工智能程序设计语言的不同特点及各自的适用领域;强化了对程序设计语言、数据结构、算法设计与分析和编译原理知识在培养程序设计能力上各自所起作用的介绍,为今后更好地学习掌握这些知识作出铺垫。
在软件开发知识部分,我们简化了对有数据库与软件工程具体内容的介绍,概括性地介绍数据库和软件工程的知识,使学生在刚入门计算机专业时,就认识到数据库技术在软件(特别是应用面最广的信息处理类软件)开发中的作用,认识到开发大型软件只有好的程序设计能力是不够的,要有科学的软件开发方法指导才能高效率地开发出高质量的中大规模软件。
3.5激发兴趣
“计算机导论”课程总的作用是把学生引入计算机科学技术的殿堂,即起引导入门的作用。如果通过本课程的学习,能够激发起学生对计算机专业知识的兴趣,该课程内容的选取和教学就是成功的,有了兴趣才能更主动地学习,才能把后续课程学好。一些学生报考计算机专业是出于自身的兴趣,但更多的学生可能是考虑到就业或受家长、亲友的影响才选学的计算机专业,通过计算机导论课程培养这些同学对计算机专业的兴趣尤为重要。
在计算机发展简史部分,我们介绍了计算机领域著名的公司和科学家,包括计算机之父――图灵和冯•诺伊曼、aCm图灵奖获得者、ieee-CS计算机先驱奖获得者及国内计算机领域的国家最高科学技术奖获得者。著名公司的发展历史及杰出科学家们的工作给有志于在计算机领域成就一番事业的计算机专业学生很好的激励作用。
各主要知识领域主要是介绍其发展历程一直到最新进展并与实际应用相联系,这也能很好地激发学生的学习兴趣。如操作系统的发展历史就是逐步想办法提高系统资源利用率的历史,软件开发方法就是在开发大型软件的实践过程中不断总结出来的,互联网的接入方式是随网络技术和产品的不断发展而变化的。
3.6引导思考
本课程不只是让学生学习了解一些基本的计算机专业知识,更重要的是引导学生思考一些问题,为学好后续课程奠定基础。大学学习生活的一个重要特点是研究性学习,研究性学习需要学生独立思考,自己找需要解决的问题,自己想解决问题的方法。在传统习题的基础上,设置一些思考题,引导学生进一步阅读有关文献,对一些问题进行较为深入的思考和探讨。
在计算机发展简史部分,无论是计算机软硬件产品的研制技术路线,还是公司的经营策略,都有成功的经验和失败的教训。在计算机领域的典型问题部分,我们特别指明了算法设计与分析的作用,一些理论上可行的算法在实际上可能是不可行的,需要设计出实际可行的代替算法;对于计算机智能,介绍了目前的各种主要的不同观点;在计算机学科方法论部分,我们讲解了学科的3个过程、12个核心概念以及数学方法与系统科学方法如何与后续课程的学习联系起来。以上这些问题都需要很好地思考。
4实验教学内容改革
“计算机导论”课程的5个要求之一是:熟练掌握常用软件的操作技能并初步具备系统的组装与维护能力,提高计算机应用能力。这个需要通过实验教学来实现。虽然可选的“计算机导论”理论教学教材比较多,但相对来说专门的“计算机导论”实验教材比较少,有些是把理论教学内容与实验教学内容安排在一本书中,有些是选用非计算机专业的计算机应用基础类实验教材。这样的实验教学偏重于常用软件(windows、word、excel、powerpoint等)的操作使用,而对计算机的基本组成、网络连接、病毒查杀、软件的安装与卸载等有关计算机系统的组装与维护内容的介绍比较少,甚至没有。课程学完以后,计算机专业学生所掌握的操作技能和非计算机专业学生没有什么明显的区别,体现不出计算机专业学生应具有的专业特点。
“计算机导论”的实验教学内容要突出专业特色,学生除熟练掌握常用软件的操作技能外,还要初步掌握计算机系统的组装和维护能力(真正打开机箱观察过计算机各组成部件的学生并不多),如计算机的拆卸与组装、网络连接、环境配置、软件的安装与卸载、计算机病毒的查杀等能力。除此之外,还可以安排一些有关程序设计、数据结构和数据库的实验题目,供学生在实验室的开放时间选做。通过实验教学,不仅能使学生熟练掌握常用软件的操作技能,初步具备计算机系统的组装与维护能力,还能加深对计算机组成、操作系统、计算机网络、计算机系统安全等相关理论知识的理解。
当然,也要注意计算机系统的组装与维护的实验内容的难度与深度,毕竟是刚入学的学生,以要求初步具备相关知识和技能为好,更深入的知识学习和技能练习可以在后续课程的学习或实践中逐渐要求其掌握。
5总结
本文在分析“计算机导论”的课程定位与传统教学内容的基础上,讨论了“计算机导论”的教学内容改革。“计算机导论”包括的内容是非常广泛的,几乎包括了计算机科学技术的各个主要方面,目的是使学生对计算机专业有一个总体性的了解和认识,建立一个基本的框架性的计算机专业知识体系,以后通过每门课程的深入学习逐渐丰富和充实这个体系。为符合刚入学大学生在计算机领域的知识背景和理解能力,对每部分内容的介绍要浅显,要适当掌握深度,着眼于基本内容的讲解,为以后的深入学习起一个引导和铺垫作用。各部分内容既要介绍历史由来,也要尽量介绍到最新发展,这样便于学生了解计算机科学技术的最新发展,激发其学习兴趣和创新意识。
参考文献:
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计算机组成原理基本知识篇7
关键词：《计算机组成原理》硬件实践教学课程体系教学方法工程化实践教学
在我国大多数高校的计算机课程教学中，《计算机组成原理》作为一门重要的理论和硬件基础课程，其中的实践环节（硬件实践实验）占较大的比重。目前，不少高校的计算机专业在《计算机组成原理》的理论教学和实践实验中普遍存在“重软轻硬”现象[1]，使得学生对计算机组成的理论和硬件的结合理解流于表面，特别是在理论和硬件实践教学中，教学内容和硬件实验设备严重落后于当前工业界的最新技术发展，使得培养出的学生严重不符合社会企业的需求，即无论是在理论理解方面，还是在硬件实践方面，都不足以承担计算机硬件方面的设计与开发工作。因此，如何适应工业界对毕业生理论和实践能力不断增强的需求，改革《计算机组成原理》及相关课程体系，提高计算机理论和硬件教学水平，提高学生对理论的理解和实践动手能力已成为当前高校计算机专业教学面临的重要课题。
1.当前《计算机组成原理》课程教学存在的主要问题
当前，我校在计算机类、电子类、物联网类、软件工程类专业均开设了《计算机组成原理》课程，理论教学内容、目标基本一致，但硬件实践教学存在问题，主要表现在以下三个方面：
（1）偏重理论教学，忽视或轻视硬件实践教学，硬件实践课时被迫删减。
在《计算机组成原理》课程中，理论是基础，但是要深入理解计算机基本原理及体系结构等理论必须结合硬件实践[1]。但是硬件实践实验教学由于培养目标、培养方案、教学大纲及硬件实践教学设备等，很多高校普遍在计算机专业的教学中轻视硬件实践教学的建设，理论教学占很大比重，总学时确定后，硬件实践教学课时只能被迫删减，以至于无法保证硬件实践教学的质量，导致学生学习硬件知识和动手实践的积极性不高，最终的结果就是理论和实践相分离，理论知识没有深入的理解，实践能力没有得到很好的培养。
（2）理论和实践教学内容陈旧，课程计划没有与时俱进。
当前，大多数国内高校的计算机类专业，硬件系列课程均包含如下课程：《数字逻辑电路》、《计算机组成原理》（《计算机组成与结构》）、《微机原理及接口技术》、《计算机体系结构》等。这些课程开设选用的教材大多内容相近，部分理论仍停留在5年甚至10年以前，知识陈旧，与当前工业界的实际应用脱节，和现代快速发展的计算机硬件研究和开发技术形成明显的差距。比如有的硬件课程教学中以74181等淘汰的部件芯片为教学模型，即使学会也只能在课堂上用到，对将来的工作没有什么作用，直接导致对学生缺少吸引力，教学效果不甚理想。另外，这一系列硬件相关课程之间重复的知识点较多，在课程系列安排计划上缺乏统一性和合理性。
（3）硬件实践教学环节不够重视，缺少工程化设计和开发能力及创新能力的培养。
现代计算机硬件设计和研发均已采用软件和硬件设计相结合的方式，并大量使用优秀的工具软件进行开发和仿真，以及使用硬件开发板进行验证和优化。在实际教学中，由于硬件实践教学比理论和软件仿真实验教学要复杂得多，因此很多教师在教学过程中仍沿用过时的软件仿真和硬件实验方法，并且学生在学习过程中除了进实验室外，在日常学习中无法进行硬件实验或为硬件实验做足够的准备。另外，目前大多数高校计算机专业的硬件实验设备仍停留在“插线板”时代，只能让学生手动连接铜线进行简单的验证性和基础性实验，如要进行相关创新能力培养的实验，其复杂度过高，绝大多数学生无法完成。
2.《计算机组成原理》课程建设和改革的具体措施
（1）引进计算机硬件的现代设计和研发技术，培养学生的工程化研发能力。
《计算机组成原理》课程一大部分教学内容围绕CpU的各个部件展开，但现有的教学内容严重落后于现代工业芯片研发技术。为跟上时代的步伐，我们引进当下大多数企业采用芯片研发流程和设计语言和工具。具体而言，针对CpU的各个部件教学，我们引进Logisim[2]和Verilog[3]教学，以仿真的方式向学生展示如何设计选择器、加法器、寄存器、存储器、控制器等部件，以及这些部件间如何组合及连接。在此基础上，我们进一步加入单周期mipS[4]CpU工程化设计方法的教学，介绍如何组合选择器、加法器、寄存器、存储器、控制器等部件以构成简单但功能完善即能完成基本加减、移位、分支、跳转等功能的单周期CpU。
为进一步提高学生的工程化硬件实践能力，还引进Xilinx公司的FpGa开发板，加入如何使用FpGa开发板的实验教学内容，并指导学生把已完成的mipSCpU设计下载到FpGa上，以真实的硬件实验验证自己的设计，并对现有的设计做相应的优化。
（2）加强理论和硬件实践教学的结合，提高学生对理论的理解和对硬件实践的能力。
在《计算机组成原理》课程教学中，理论和硬件知识是相辅相成的，但目前计算机教学中普遍偏重理论讲解，硬件实践仅仅是验证性实验，其对理论的深入理解并无多大帮助。特别是理论知识对学生来说是一个个单独的知识点，彼此之间不能够贯通起来加深对计算机整体硬件系统的理解[5]。比如，学生学习了选择器、寄存器、加法器、存储器等理论知识，但不知道如何使用Verilog等硬件编程语言在FpGa等开发板上实现这些部件。另外，学生在学习CpU控制部件理论后，无法用现有的老旧芯片如74181等把CpU各个部件组合起来，只能依赖现成的已把CpU各个部件组合连接好的硬件开发板，不了解如何用Verilog等硬件编程语言直接把CpU的各个部件组合以构成完整可运行的CpU。因此，在《计算机组成原理》教学中应注意理论和硬件实践开发间的结合，使学生掌握更完整的理论知识和硬件实践能力，通过硬件实践提高其对理论的理解，通过理论学习指导硬件实践实验，提高其计算机系统理论和硬件协同能力。
（3）调整计算机硬件系列课程的教学内容，优化课程体系和课程间的衔接。
为适应新加入的Logisim、Verilog、XilinxFpGa开发板等教学内容，我们适当调整计算机硬件系列课程之间的教学内容。比如对《数字电子技术基础》课程，经过学院硬件教学团队的协商沟通，适当加入Logisim，Verilog等硬件编程语言的教学内容，并在部分实验中加入Logisim和Verilog语言实现部分电路。在《汇编语言程序设计》课程教学中，针对mipSCpU设计，加入mipS汇编语言的学习。在实验安排中，加入适当的mipS汇编练习。总而言之，为了适应新的教学内容和方法，加强硬件系列课程体系结构建设，完善教学计划，对硬件系列课程如《数字电子技术基础》、《计算机组成原理》、《微机原理及应用》和《汇编语言程序设计》等课程进行融合、优化，既避免知识点的重复教学，又加强课程间教学内容的衔接，保证计算机硬件教学的连续性和完整性[6]。
（4）探索硬件系列课程教学方法，提高教师团队的整体教学水平。
为加强计算机硬件系列课程教师团队的协调沟通和建设，使相互关联课程的授课教师有更多的合作和协作，定期开展硬件系列课程的教研活动，从整体上协商计算机硬件系列课程的教学，逐步形成一支由具有较高教学科研水平的教授领衔，并搭配有一定数量的副教授和讲师的计算机硬件系列课程教学团队[5]，从而保证计算机硬件系列课程建设的连续性。
为了充分发挥青年教师的主观能动性，我们积极改革传统的教学方法，借助扬州大学的网络教学平台，积极探索研究性教学，利用“任务驱动”的教学方法，将实际教学内容分成一个个具体的任务，并引导学生在网络教学平台上参与讨论和解决任务，使得学生在讨论和交流中解决问题，并逐步引导学生深入理解和掌握教学内容。该教学方法可以大大提高大部分学生的主动性、积极性及团体合作能力。此外，在网络教学中注重和学生的在线交流和互动，通过论坛交流和答疑、在线任务测试等多种手段，促进学生的彼此交流和学习，提高课堂教学效率。
（5）丰富教学资源建设，引进企业培训和提高教师实践教学能力。
在引进新的教学内容的同时，依托扬州大学网络教学平台，对《计算机组成原理》课程的教学资源如Logsim、Verilog参考资料、教学课件、教学视频、硬件实践实验指导资料、习题等全部加入网络教学平台，构建丰富的网络教学资源[6-7]，使得学生的学习不受时间和空间的限制，在课堂教学以外的时间根据自己的实际情况合理安排课程学习。
另外，围绕课程建设和教学内容的改革，我们积极联系相关硬件研发企业，邀请其到学校直接对学生进行指导。例如Verilog硬件编程语言学习和使用经验分享、XilinxFpGa开发板的使用讲解和现场指导，并且根据企业实际研发需求，向学生进行针对性的授课和指导。
3.结语
《计算机组成原理》课程具有很强的理论性、实践性和实用性，其中CpU相关的知识涉及本科和研究生各个层次，如何让该课程不再仅仅停留在理论知识的学习是该课程建设和改革必须解决的问题。通过引进符合工业界当前流行技术的教学内容和方法，积极引导学生通过自学和合作，接触当前最新的硬件编程语言、硬件设计软件和FpGa开发技术，并尝试调动学生学习的主动性，培养实践动手能力，让学生更好地协作、沟通，从而提高学生对理论知识的理解和硬件实践的能力。另外，近几年我院通过对计算机专业硬件系列课程进行优化和改革，解决硬件系列课程之间缺乏沟通、相互独立、知识点重复或者缺乏衔接等一系列问题[4]，加强硬件系列课程间的联系，保证计算机硬件系列课程间的连续性和完整性。
参考文献：
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[2]Logisim.https：///wiki/Logisim.
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[4]斯威特曼.mipS体系结构透视.机械工业出版社，2007.
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基金项目：
国家自然科学基金青年基金（编号：61502412），项目负责人，01/2016-12/2018。
江苏省自然科学基金青年基金（编号：BK20150459），项目负责人，07/2015-06/2018。
计算机组成原理基本知识篇8
关键词：计算机组成原理；哲学思想；唯物辩证法；教学
中图分类号：tp399文献标识码：a文章编号：1009-3044(2007)12-21765-02
inComputerteachingphilosophyView
LiUZhi-fang
(tangshanteacher’scollege,tangshan063000,China)
abstract:accordingto"Computerorganizationprinciple"thiscurriculumcharacteristicandtheauthorteachingprocesspractice,itisproposedinthecurriculumcontainsthephilosophythoughtin"Computerorganizationprinciple",andintroducesthephilosophythought"ComputerCompositionprinciple"inthecurriculumteaching,hastheenormouspromoteractiontotheteachingprocessimplementationandstudent'sstudy.
Keywords:Computerorganizationprinciple;philosophyview;materialisticdialectics;epistemology；teaching.
1引言
“计算机组成原理”是计算机学科的一门非常重要的专业基础课，是“操作系统”、“接口技术”和“计算机系统结构”等课程的先修课程，具有理论性强，内容多，难度大等特点，学生理解显得很吃力。但将贯穿在计算机组成原理课程中的哲学思想挖掘出来并运用于教学中，将对教学的实施和学生的创新能力培养起到事半功倍的作用。
“哲学是关于世界观的学问，是世界观的系统化和理论化。”[1]它是研究自然界、人类社会、思维三大领域的普遍本质及其规律的科学。计算机是研究将现实世界用计算机进行处理、存储和表现，并能反映现实世界的具体科学。哲学为计算机科学的研究提供了理论基础与背景，提供了世界观和方法论基础，促进着计算机科学的不断发展。
2哲学思想在计算机组成原理中的体现
任何科学学科的发展都是在哲学思想的导引下进行的，计算机也不例外。尤其在计算机组成原理课程中，哲学思想与原理无处不在。
2.1内部的矛盾性促使技术的发展在计算机组成原理中的体现
事物发展的动力在于事物内部的矛盾性，矛盾的同一性和斗争性在事物发展中起着重要作用。计算机组成原理中，讲到系统整体上分为硬件系统和软件系统，硬件与软件在功能上是等价的。但二者之间又是对立的，硬件要求软件要短小精悍，运行效率要高，而软件则要求硬件大空间，电路快，支持的功能多，性能稳定。正是这种矛盾性，软件促使硬件技术不断进步，而硬件技术的发展又推动了软件的进步，目前硬件可满足软件实现的功能越来越多，软件系统也越来越完善。双方在矛盾运动中，不断提升着自身的档次和品位。
与此同时，在计算机组成原理课程中，还体现着矛盾发展的不平衡性。早先计算机硬件制作、生产成本高，主要矛盾为软件占用硬件资源的多少。随着硬件的发展，主次矛盾发生转化，这主要表现在人们不断追求计算机速度的加快，因为资源已不成问题，人们希望其越快越好。软、硬件作为矛盾双方，是相互影响、相互作用，主次地位在一定条件下是相互转化的。
2.2否定之否定规律在计算机组成原理课程中的体现
辩证唯物主义认为事物的发展是经过两次辩证的否定，由肯定阶段到否定阶段，再到否定之否定阶段，从而使事物的发展表现为螺旋式上升和波浪式前进的过程。计算机组成原理课程中，在虚拟存储器管理方式这节内容中很好地体现了这一思想。如虚拟存储器管理方式最早是段式管理，后来应用中发现很多缺点，发展成为页式管理，而页式管理中又有新的矛盾，为此发展为现在普遍使用的段式页管理。它是以段式管理为主，但又与原来的段式管理不同，是带有改进与创新的。“仿佛是对旧事物的恢复”，而整体却是螺旋式上升的。
2.3在计算机组成原理课程中体现事物之间的相互联系性
计算机组成课程中，主要讲解计算机的基本组成与工作原理，而其组成本身就体现了事物之间的普遍联系性。计算机本身是物理与数学两大学科发展与交叉而产生的。又如计算机与通讯技术的结合形成了计算机网络这样一个崭新的通讯系统，计算机与数学的交叉产生了“计算数学”这样一个新的研究领域，计算机网络与数据库的结合实现了远程数据共享及协同工作等，这些发现和发明无不体现事物之间联系的普遍性。
3哲学思想引入教学有助于学生各种能力的培养和思维的扩展
唯物辩证法是用联系的、发展的观点看世界，它研究自然、社会和人类思维发展的一般规律。在计算机组成原理课程的教学中合理地运用唯物辩证法及其基本规律的哲学思想，对教学过程的实施与学生的学习有以下重要作用。
（1）帮助学生了解计算机。教师将计算机科学理论在实践中的产生、发展的历史介绍给学生，不仅有助于学生分析问题、解决问题能力的培养，而且能激发学生的学习积极性和兴趣。
（2）引导学生把计算机的五大组成部分统一结合起来，建立起计算机科学知识的结构框架，从整体上理解和掌握计算机科学的精髓。
（3）能使学生在学习中善于发现知识的内在联系，能从不同的角度分析所给问题，掌握灵活多变的方法。
（4）使学生知道学习过程是一个由量变到质变的积累过程，对于计算机这门理论抽象、实践性强的学科，不能急于求成，而要耐心学习、逐步提高。
（5）有助于培养学生的创新能力。如在计算机组成原理课程中讲解有关内存与CpU之间的矛盾问题及解决方法中，为了解决CpU与内存间速度不匹配而又不增加大量成本的情况下，计算机中采用了加入CaHCe技术，很好地解决了这个问题。又为了解决内存容量不足而又不大量增加成本的情况下，采用外存储器（硬盘），并加入了虚拟内存技术，成功的解决了这一问题。将这些思想让学生深刻领会，有助于提高学生分析问题、解决问题的创新能力。
（6）提高学生的思维能力。辩证唯物主义认识论有着一系列科学的逻辑思维方法，如分析与综合、归纳与演绎。从抽象上升到具体、历史的与逻辑的统一。掌握了这些科学的逻辑思维方法，学生的思维会更开阔，学习方法会更灵活。
4结束语
辩证唯物主义认识论深刻地阐述了实践与理论之间的关系，指出了人类认识发展的普遍规律，强调了非理性因素在人类认识过程中的积极作用。计算机组成原理课程中无处不蕴含着哲学，而且计算科学的发展也在不断推动着哲学的发展。由于计算机高度抽象，内部原理性东西不可见，使学生学习困难，枯燥乏味。将哲学融入计算机教学中，在教学过程中运用唯物辩证法的思想观点，不仅使学生能系统全面地掌握计算机专业知识，还能够将计算机理论等相关教学活动变得生动具体，使学生在学习中形成辩证的思维方式、掌握科学的思维方法、培养自己的创新精神与能力、坚固自己的专业基础知识，最终能成为计算机专业的高级人才。
参考文献：
[1]谢辛现，王道君．哲学原理[m].北京：广播电视大学出版社，1998.
[2]王爱英．计算机组成原理[m]（第三版）.北京：清华大学出版社．1999.
计算机组成原理基本知识篇9
关键词：计算机组成原理；综合设计性实验；教学实践
中图分类号：G642.0文献标志码：a文章编号：1674-9324（2014）22-0216-03
aBriefanalysisofteachingpracticeonComprehensiveDesigningexperimentofComputerCompositionprinciple
Xiaomin
（DepartmentofComputerScienceandtechnology，GuizhouUniversity，Guiyang550025China）
abstract：accordingtothefeaturesofComputerCompositionprinciplecourse，thisarticleanalyzesthenecessityofcarryingoutcomprehensivedesigningexperiment.takedesigningabasicmodelcomputer，forexample，theteachingmethodofcomprehensivedesigningexperimentisdescribedinthispaper.ithasacertaindirectingmeaningtotheexperimentteachingofcomputercompositionprinciple.
Keywords：ComputerCompositionprinciple；comprehensivedesigningexperiment；teachingpractice
计算机组成原理是计算机专业及其相关专业的一门专业基础课程，在计算机硬件课程体系中起着承前启后的作用，具有举足轻重的地位。该门课程理论性强、较为抽象、内容繁杂，学生在学习过程中容易感到枯燥、乏味、难于理解，对所学的知识较难有一个感性的认识。实验教学有助于对抽象理论的理解，增强学生对计算机各部件的感性认识，因此对整个课程的教学效果具有决定性作用。
一、计算机组成原理课程特点
1.理论性强。计算机组成原理着重讲述了单处理机系统的组成和工作原理，其中涉及了较多的理论性研究内容，例如计算机系统的层次结构、运算器、存储器、中央处理器、输入/输出设备、总线等部件的基本构成及其工作原理[1]，从而造成学生对所学的知识容易感到枯燥、乏味，提不起学习的兴趣，影响相应的教学效果。
2.内容抽象。课程中所讲述的内容涉及的是各部件的内部结构，但这些部件均被高度集成化或进行了封装，学生无法获取一个直观的印象，只能靠书本上的一些原理图和老师的讲解来理解所学内容，这就造成学生常常反映所学内容较为抽象，理解困难，无法将所学的知识具体化、形象化。例如CpU内部具体的构成，它是如何进行指令的执行和数据的处理，存储单元具体又是如何寻址、如何组成相应的存储器等问题。
3.内容繁杂。该门课程中每个章节涉及到的各种概念及原理繁多且复杂，使得学生对一些基本概念容易混淆，如对CpU周期、指令周期、存储周期、总线周期等概念的区分[2]；另外在学习该门课程前还必须先修一些其他相关课程，增加了学生学习的难度。如在学习运算器章节前应先学习数字电子技术课程，在学习存储器记忆原理时还需先学习模拟电路课程，在学习磁表面存储器的读写原理时对相关的物理学知识也需有所掌握[3]，因此造成学生对所学知识的理解困难，不易记忆。
二、设置综合设计性实验的必要性
传统的实验教学一般是作为理论教学的补充和辅助，大多以验证为目的[4]，使得学生的动手能力没有得到充分的发挥，通常学生只是按照实验书上列出的步骤进行按部就班的操作，没有对所做的实验进行深层次的思考和认识，限制了学生的创造力。另外验证性实验通常是各单元部件的实验，这样就使得学生在完成实验后，还是无法将所学知识进行系统性的整合，从而清晰地建立一个计算机整机的概念，造成了学生对整个知识体系掌握的片面性和模糊性。本课程的教学目标是要培养学生对计算机硬件结构的分析、应用、设计能力，并在此基础上培养其创新能力。要完成这样的教学目标，显然传统的验证性实验教学是无法达到的，因此在验证性实验的基础上开设综合设计性实验，将运算器、存储器、微程序控制器等各单元部件实验内容进行有机的结合，就显得尤为必要。
三、实验教学模式的改革
要想激发学生的学习兴趣，培养学生分析、设计、调试、创新能力，较好地完成综合设计性实验的教学，采用传统的“教师主讲式”教学模式无法达到这样的要求，必须采用以“教师为主导、学生为主体”的教学模式。教师作为教学的设计者及组织者要最大限度地引导学生参与到整个教学过程中，让每个学生都积极参与学习的全过程并有所发展，成为学习的主体。还要将多种教学方法灵活运用到整个实验教学过程中的不同阶段，这样才能激发学生学习的兴趣，将理论教学和实践教学相结合，帮助学生建立计算机整机概念，培养学生的创新思维和意识，使其具有相应的设计和动手能力。以下就以设计一台基本模型计算机为例讲述综合设计性实验的教学实践方法。
四、基本模型计算机实验的教学实例
1.实验目的及内容。CpU的组成及微指令的执行是计算机组成原理课程中的重点和难点，学生通常会对微指令与机器指令如何存储和执行感到困惑，CpU如何正确地从主存中取得机器指令？微指令序列如何“解释”相应的机器指令并正确执行？微指令的执行顺序如何确定？要解决这些问题，光靠理论课的讲解还不足以使学生有深刻的认识和理解，各单元部件的验证性实验也无法很好地解决学生的这些疑问。必须是将运算器、存储器、微程序控制器等单元部件组合成一台基本模型计算机，通过为其设计几条机器指令，并编写相应的微程序，上机进行调试、验证等一系列的操作，才能使学生通过完成这样的综合设计性实验，清晰地建立一个整机的概念。
2.具体实践方法。要很好地完成这样一个实验，指导教师必须对学生进行正确的引导，可将启发式、任务式[5]、讨论式[5]几种教学方法融合进这个实验的教学中，在实验的不同阶段使用不同的教学方法，调动学生的积极性，发挥其创造性，让学生积极思考，动脑设计，动手操作，从而达到提高教学效果的目的。①设计阶段。该阶段主要是帮助学生对所要完成的实验内容进行相应的分解，分析所要解决的关键问题、寻找合理的解决方案、协助其理清思路，此阶段可以运用启发式和讨论式教学法。教师首先应启发学生将复杂的实验内容进行合理的步骤分解，找出完成实验的关键点，并让学生以小组为单位讨论实现关键步骤的合理解决方案，从旁点拨和引导学生主动思考和进行设计。关键步骤包括：首先让学生分析要完成这个实验，必须使用到哪些相关单元部件、有哪些关键步骤，这样还能使学生重新回忆曾经做过的单元部件的相关实验，增强学生对已学知识的记忆；确定需要用到的相关部件后，还得确定这些部件如何进行数据的传递，它们之间需要有哪些连接线用以控制它们正确的进行工作；让学生讨论、分析所要执行的指令都完成了哪些功能，指令和数据应该如何进行存储，指令的字长是多少，需要占用多少存储空间；启发学生根据所给的指令助记符写下正确的机器指令代码，确定相应的指令和操作数在存储器中的地址；引导学生根据指令助记符的要求设计数据通路框图，画出相应的微程序流程图，并确定相应微指令的微地址。这部分属于实验中较为重要和困难的部分，是考验学生对该部分知识掌握情况和设计、思维能力的一个重要环节；结合已知的该实验机的微程序控制器原理图和微指令格式，将设计出来的微程序流程图转化为相应的微指令序列，并以列表的方式将所用到的微指令列出，要求具体到每个微命令信号。这个环节较为复杂，需要学生有很强的逻辑思维能力和设计能力，并且对相关的微指令中各微命令信号较为熟悉。在此还应让学生弄清相应的微指令在控制存储器中对应存储位置的分布情况。②调试测试阶段。该阶段主要是锻炼学生的动手能力，以及对问题的分析能力，可检验学生对之前所做的存储器单元和微程序控制单元实验的掌握情况。其关键步骤包括：指导学生将相应的机器指令代码写入存储器中并检验写入存储器的数据是否正确；指导学生将相应的微指令代码写入控制存储器中并检验写入控制存储器的数据是否正确；让学生按照单步微程序、单步机器程序、程序运行与暂停三种不同的方式来运行写入的机器程序和微程序，并记录下相应的结果；让学生分析实验所得结果是否与理论设计相符，如果不相符时，可引导学生讨论分析每一条微指令运行的结果中其微地址部分、pC地址部分、存储器地址部分、当前总线内容部分是否正确，是否与相应的微程序流程图吻合。引导学生逐步找出未能正确完成实验的原因，并改正设计中的错误或遗漏之处，助其顺利完成实验，培养其分析问题、解决问题的能力，增强其自信心。③提高阶段。该阶段主要目的是检验学生在前两个阶段是否已正确掌握所学的知识，并能将所学知识较好地进行融会贯通、灵活运用。此阶段可通过任务式教学法完成该环节的实验教学，关键步骤包括：教师根据学生之前完成基础实验内容的具体情况，进一步设置不同难度的附加实验任务，比如增加机器指令的条数、更改操作数的寻址方式、增加中断功能等，针对不同难度的任务设置不同的奖励分数，学生可根据自己的能力选择不同难度的任务，完成低难度任务后可挑战更高难度的任务。这样不同能力层次的学生都可以得到充分的锻炼，不会因为任务过难或过易而失去学习的兴趣，使各能力层次学生的创新设计能力都得到了提高；对于难度较大的任务，可给予学生关键点的提示，让学生能根据所给提示，按任务要求正确分析出应该如何分解任务、画出微程序流程图、编写相应的微程序代码；学生再次上机实验，验证自己设计的微程序运行结果是否正确；教师验收实验结果，并对学生进行简单答辩，考核学生对实验内容掌握的真实程度，并记录下相应的成绩以备成绩评定时所用。
通过以上几个阶段的实践教学后，学生对模型机内各部件如何传递数据、CpU如何执行指令序列就有了较为清晰的认识，从而达到了帮助学生建立整机概念的目的，有效提高了教学效果。本方法经过实际运用到实验教学中，取得了不错的教学效果。
3.成绩的考核。综合设计性实验以激发学生学习兴趣、帮助其内化知识、运用所学知识解决问题、培养其创新能力为目的，实验考核注重的是对分析能力、设计能力、创新能力的考核，不能单纯以是否完成实验内容为考核标准，应综合考虑学生在实验过程中有无较强的分析能力、设计中是否有巧妙之处、完成任务的方法是否有创新点、实验报告中的错误分析和自我总结处是否有自己独特的见解。综合设计性实验的成绩按实验的完成水平和难度占40%、答辩成绩占30%、实验报告的质量（包括其规范度和创新性）占30%进行配比。这样的成绩考核方式既增强了学生进行实验的自觉性又鼓励了学生进行创新的积极性。
实验教学是让学生在理论学习之后进行知识巩固的重要手段，在实验教学中重视综合设计性实验的开展，使其和验证性实验进行紧密的配合，才能让学生在熟悉单元部件之后正确地建立起整机的概念，从而提高计算机组成原理实验课的教学效果，培养出具有分析能力、设计能力、创新能力的学生。
参考文献：
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计算机组成原理基本知识篇10
关键词：计算机组成原理；实验教学；教学内容；教学过程；教学实践
1问题的提出
《计算机组成原理》课程是高校计算机相关专业本科生必修的一门核心专业基础课程，在整个专业课程中具有重要的地位。进行年来，计算机技术无论在软件还是在硬件方面都得到了飞速的发展，计算机系统在人们生产、生活的各个领域都得到了越来越多的应用。《计算机组成原理》课程为这些应用提供了必不可少的基础理论。然而，我们不得不面对这样一个实际情况，那就是《计算机组成原理》课程偏向于计算机硬件，其理论性强，抽象，学习难度大。而我校的教学定位于培养应用型人才，因此，计算机相关专业的学生普遍存在着重视软件相关知识的学习，而轻视硬件相关知识的学习的心理及现状。如何通过课程实验教学的合理组织与安排，达到提高学生学习的主动性，培养学生学习的兴趣，提高课程教学的效果的目的，是一个需要迫切解决的问题。本文结合课程理论教学的实践，从实验课程的理论教学内容的设置、实验教学内容的设置，实验教学过程的设计以及实验教学方法等方面，对实验课程的内容和教学方式进行介绍，并结合实验教学的效果进行了归纳总结，以期为《计算机组成原理》课程实验教学提供思路和借鉴。
2课程理论教学内容的设置
《计算机组成原理》课程的教育目标定位于使学生掌握单CpU计算机的组成原理与内部运行机制，包括计算机系统的基本组成与结构，计算机硬件的功能部件的组成及工作原理，为学习理解高级语言编写的程序如何被执行的过程和原理提供理论基础。具体教学要求如下：1)理解各大部件互连构成整机系统的技术以及计算机系统的概念性结构和功能特性。2)理解单CpU计算机的完整硬件组成、基本运行原理、内部运行机制。3)能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析，并能对一些基本部件进行简单设计。4)在知识、能力两方面都得到提高。课程理论课的教学内容按照冯•诺依曼结构划分，包括：1)计算机中的数据表示和运算方法，包括：定点数的表示和运算、浮点数的表示和运算；2)计算机中的运算器部件，包括：算术逻辑单元、定点运算器结构、浮点运算器结构；3)存储系统，包括：存储系统的层次结构、主存储器、高速缓冲存储器、其他形式的高速存储器、虚拟存储器系统、辅助存储器；4)总线，包括：总线信息传输、总线的工作方式、总线仲裁、总线标准；5)指令系统，包括：指令格式、寻址方式、指令类型；6)控制器，包括：控制器的功能和基本结构、指令的执行过程、微程序控制器、硬布线控制器；7)输入/输出系统，包括：设备、输入/输出接口、输入/输出信息传送控制方式。
3课程实验教学内容的设置
实验教学内容按照理论教学进程安排，以单元实验为主，每一章节的理论教学内容都对应安排相应的实验教学内容，并再最后安排一次贯穿课程全部内容的综合性实验内容。验证性实验、设计性实验和综合性实验的构成比例为4：3：1。实验内容与理论教学内容紧密结合，目的是加深学生对理论知识的理解。同时，通过合理地安排实验教学过程，培养学生的基本设计能力和实践能力。通过合理的设计教学内容和形式，既帮助学生对计算机硬件系统的各组成部分的结构原理和工作过程有了充分的理解，又提高了学生的学习兴趣，取得了良好的教学效果。
4实验教学过程的设计与实验教学方法
不同实验性质的实验内容采用不同的教学过程的设计和教学方法。1)验证性实验的教学过程和教学方法验证性实验的教学过程包括：学生课前预习，实验课前检查实验内容及要求的讲解实验原理的讲解及实验芯片的介绍操作步骤讲解及示范学生动手实验，教师个别辅导答疑实验验收，评定验收成绩。2)设计性实验的教学过程和教学方法设计性实验的教学过程包括：学生课前预习，实验课前检查实验内容及要求的讲解课程理论教学相关原理的回顾实验方法的讲解学生进行实验过程的设计学生设计成果检查学生动手实验教师实验总结实验验收，评定验收成绩。3)综合性实验的教学过程和教学方法综合性实验是将前面几个实验中的单元电路组合在一起，构成一台简单的模型计算机。使用的单元电路主要包括运算器、存储器，以及微程序控制器。实验模型机是用微程序控制器实现数据通路的控制，通过执行由机器指令组成的简单程序体现模型机的功能。其教学过程包括：学生课前预习，实验课前检查实验内容及要求的讲解课程理论教学相关原理的回顾模型机工作原理以及操作步骤的讲解操作示范学生动手实验，教师个别辅导答疑实验验收，评定验收成绩。最后，通过验收成绩和实验报告成绩，综合给出课程实验成绩。
5结束语
近五年的教学实践表明，《计算机组成原理》实验教学调动了学生做实验的积极性，使学生在实验过程中能主动上手，将抽象的理论知识进行了具体又直观的展示，使理论教学内容得到了形象化和具体化，有利于理论内容的消化理解，有效地提高了学生分析问题、解决问题以及动手实践的能力。
参考文献：
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