信管专业的计算机组成原理课程教学改革

摘 要：信息管理与信息系统专业的计算机组成原理课程教学目前存在较多的问题.在分析课程教学现状的基础上,提出一个面向信息管理与信息系统专业的计算机组成原理课程教学改革思路.该思路包括两个改革目标和三项改革措施,其中改革措施分别是突出主线、细化重点、重视实验.

关 键 词：信息管理与信息系统；计算机组成原理；教学改革；硬件

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1009-3044（2013）22-5115-03

信息管理与信息系统专业（以下简称为信管专业）是1998年由教育部批准设立的本科专业,目前开设该专业的本科院校已达数百所[1].从实际情况来看,该专业的培养方向主要有两个,一是培养同时掌握管理知识和计算机知识但侧重后者的管理信息系统开发人才,二是培养同时掌握管理知识和计算机知识但侧重前者的管理信息系统应用人才.无论哪个培养方向,都需要毕业生掌握必要的计算机知识,其中包括计算机组成原理.通过调研发现,很多院校的信管专业都开设了该课程,但由于存在教材使用不当、授课方法与授课对象不相适宜、先导课程开设不充分等问题,该课程的实际教学效果并不理想.

本文将在分析计算机组成原理课程教学现状的基础上,探讨课程教学改革的思路,并对实施效果进行说明.

1课程教学现状

先修课开设情况.目前国内很多院校的信管专业都开设了计算机组成原理课程,名称基本上都是“计算机原理”或“计算机组成原理”.从计算机专业知识的角度来讲,在讲授计算机组成原理课程之前,学生应首先学习计算机基础、数字逻辑、汇编语言等先修课程,否则较难很好地弄懂运算器、控制器等主要硬件的逻辑结构图以及CPU工作流程的细节.然而,目前的信管专业,尤其是挂靠在信息管理系或信息管理学院的这类专业,除了计算机基础之外,其它的先修课基本上都没有开设.这在一定程度上影响了计算机组成原理课程的教学效果.

教材选用情况.从信管专业的角度来看,可以选用的计算机组成原理课程教材可分为两类：一类是专为该专业撰写的教材,另一类是面向计算机科学与技术专业的教材.后一类教材种类较多,但难度较大,并不太适合信管专业的学生使用.前一类教材种类不多,目前主要有清华大学出版社出版的信管专业系列教材《计算机组成原理教程（第4版）》、《计算机原理与系统结构（第2版）》、《计算机组成与结构》等几种[2-4].通过近5年的使用,笔者发现前一类教材虽然有不少优点,但也存在一些问题,突出表现在：1）与计算机基础课的内容有较多的重复；2）很多章节只是罗列了一些知识点,每个点下面都没有展开讨论,学生很难通过少量的文字弄懂相应的知识点；3）知识点的详略安排不适当,例如《计算机组成原理教程（第4版）》一书的第一章和最后一章篇幅达112页,占全书的41%,而这两章并不是全书的重点.

教师授课情况.通过调研发现,信管专业计算机组成原理课程任课教师在讲授该课程时,基本上都是严格按照所选教材的章节顺序和内容来组织教学,之所以如此,主要是为了便于学生课前预习和课下复习.学生自己看一遍教材,再结合课上老师讲授的内容,相当于同一个内容学习了两遍,在相关先修课没有开设的情况下,有助于学生的消化、吸收.同时还发现,任课教师所用PPT的内容基本上都是教材上的内容,较少有深入一步的解释.

学生反映情况.为了调查信管专业学生对计算机组成原理课程的意见和建议,笔者进行了网上调查,收集了296份反馈结果,其中既有来自985高校学生的反馈,也有来自211院校、普通二本院校和三本院校学生的反馈.从反馈结果来看,学生反映的问题主要有：1）任课教师的重视程度不够,一部分教师认为该专业不必学习计算机组成原理课程；2）教材内容的广度有余,深度不足；3）没有配套的实习,很多理论和概念不能准确地掌握；4）课程学完后,感觉和没学一样,还停留在计算机基础课的水平上.

2课程教学改革思路

计算机组成原理课程改革应分析信管专业的学科性质、渊源、师资力量、培养计划等诸多影响因素,在此基础上确立课改思路和方案,其中的重点是改革目标和改革措施.

2.1改革目标

包括两个方面：1）删繁就简,突出重点,让学生掌握计算机组成原理课程的精髓.在兼顾全面的同时,详细介绍重点部件的原理.学生深刻理解、掌握了重点部件的工作原理后,可以较容易地做到触类旁通.2）例证教学,突出实验,让学生弄懂关键部件的详细工作过程.在讲解关键部件的工作原理时,除了进行理论上的阐述外,还辅以动画演示、手工设计与模拟、编程实现等手段,使学生能在细节上把握硬件原理.

2.2改革措施

1）突出主线

通观现有的教材,内容都比较宽泛,讲解深度比较均匀.任课教师在讲授时,可以抓住主线,并从主线上选择有代表性的设备或部件进行深入的讲解.笔者认为,计算机组成原理课程的主线应是：外部设备←→虚拟存储器←→主存储器←→高速缓存←→控制器←→运算器,以及相应的IO控制系统和总线系统,如图1所示.上述主线实际上包含了计算机五大部件、IO控制系统、总线系统及其相互关系.改革后的计算机组成原理课程将重点讨论主线上的设备或部件,同种类型的设备或部件只介绍其中具有代表意义的典型设备或部件,不必面面俱到.

2）细化重点

[典型部件或设备＼&讲解内容＼&典型部件或设备＼&讲解内容＼&矩阵式键盘＼&类型及特点、逻辑结构图、扫描码、工作原理、键盘汇编程序＼&加法器＼&真值表、逻辑表达式生成方法、逻辑表达式化简方法、逻辑电路图、串行进位、并行进位＼&CRT显示器及显卡＼&分辨率、颜色深度、显存、字符发生器、光栅扫描、屏幕刷新频率＼&组合逻辑控制器＼&模型机指令系统和CPU结构、指令的时序、指令译码器、组合逻辑网络＼&页式虚拟存储器＼&页表机制、地址转换机构、快表、页式调度、替换算法＼&中断系统＼&中断请求、中断响应、中断控制器基本结构、多重中断、8259中断控制器＼&DRAM＼&存储元件、存储体扩展方式、地址译码、数据读写、内存条工作模式＼&DMA系统＼&传送方式、DMA控制器基本结构、传送过程、与系统的链接、8237DMA控制器＼&高速缓存＼&SRAM元件、地址映像算法、替换算法、读写过程＼&PCI总线＼&PCI总线信号、PCI控制器、工作原理、连接方式、总线收发器＼&]以外部设备为例,课改前,任课老师系统介绍各种类型的输入设备和输出设备,而对每种设备的介绍都停留在概念、特点、工作方式、分类、逻辑结构等基本知识层面上,缺乏详尽的描述.课改后,对外部设备的介绍将分为两个层面,一是给出外部设备总体分类体系；二是详细介绍标准输入输出设备,包括矩阵式键盘、CRT显示器及显卡.例如,对于矩阵式键盘,除了介绍其类型、特点等一般性知识外,还详细介绍其逻辑结构图和工作原理,并在阐述扫描码及其与ASCII之间映射关系的基础上,给出按键识别的汇编程序.

3）重视实验

为了进一步改善教学效果,增强学生对各个知识点的感性认识,任课教师应尽可能地将教材上的理论知识与实际的计算机硬件系统结合起来.例如,讲到虚拟存储器时,可现场打开所用电脑的虚拟内存管理界面,详细讲解驱动器页面文件初始大小、最大值、允许的的最小值、推荐值、当前已分配值等各项参数的取值和作用,并通过调整虚拟内存的大小、运行不同大小的软件来观察虚拟内存对程序运行的影响.讲到指令系统时,可现场运行Windows系统的Debug,通过Debug的A、U、G等命令观察80x86系列机指令系统的运行情况.

3实施效果

笔者在1998年至2004年期间一直为信管专业的本科生讲授计算机组成原理课程,基本上是按照教材上的广度和深度进行讲授,效果不太理想.自2007年开始,按照上述改革目标和改革内容逐渐尝试进行教学改革,至目前为止,已经持续了5年.通过课上观察和课下调查发现,学生的学习兴趣增强了,对关键知识点的理解比较透彻,动手能力有所提高,对计算机硬件系统的内部工作流程有了较为清晰的认识.整体上来看,该文提出的课改方案已经取得了较好的效果,

4结束语

现有的信管专业一般都开设了计算机组成原理课程,大都侧重于理论教学,忽视实践教学；讲授内容一般比较宽泛,深度不够.为了提高教学效果,笔者认为,应针对信管专业的特点进行课程教学改革,包括：突出主线,以便让学生从宏观上把握计算机的工作流程；细化重点,以便让学生能对关键环节有深入的了解；重视实验,以便学生对理论问题有感性认识；联系实际,以便学生能学以致用.实践证明,上述改革措施具有一定的效果.