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摘要:在新工科的背景下，為了提高學生們的系統設計能力以及各方面的素質，本文研究了《計算機組成原理》課程在理論教學和實踐教學過程中的部分實施細節和組織方法，并給出了具體的實現范例；討論了理論教學與實踐教學相結合的重要性，列舉了課程思政的引入實例。結果表明，新方案切實可行，能達到既定的實現目標。
關鍵詞:計算機組成原理；系統能力培養；課程思政；新工科
1引言
為適應時展，需要培養高素質人才。教育部于2017年開始推進新工科建設，通過一系列研討會，達成了若干共識。在共識的指導下，學校和教師們積極開展相關教學研究[1]。新工科背景下，計算機類專業教育中的系統能力培養尤為重要[2]。以《計算機組成原理》課程理論和實驗教學為中心，通過夯實基礎、拓寬應用、積極實踐等途徑，激發學生創新思維、打牢學生專業基礎是提高計算機類專業學生系統設計能力的重要保障。目前，以《計算機組成原理》課程改革助推系統能力培養為主題的相關研究已廣泛開展。大多數的教學改革研究以實踐教學為突破口[3-4]，或者以理論教學方式的改革為研究重點[5-6]，討論教學實施細節的論文相對較少。本文以《計算機組成原理》課程理論和實踐教學的實施為主線，著重討論在知識點講授過程中教學方式和組織方法的運用問題。
2理論教學的三重奏
系統能力培養著眼于整體，不僅要求學生理解計算機硬件系統中各組成部分的關聯，而且要明確軟/硬件接口及硬件系統和軟件系統協同工作的過程[7]。為了提高學生對系統的整體認識，培養學生發現問題、解決問題的能力，建議在關鍵知識點講授完成后，加上三個環節，分別是總結、思考和拓展。三個環節的加入要以提高學生系統設計能力為出發點，合理安排。例如在補碼的移位規則講完后，可以進入如下環節。（1）總結。要求學生總結移位規則；同時，在總結規則時，要考慮如何實現，即這種移位方案是否容易實現，實現的效率是否可觀等。通過總結環節，能加深學生對移位規則的理解，提高他們解決實際問題的能力。（2）思考。讓學生思考這種移位操作是否會發生溢出，如何判斷溢出，如何處理溢出。通過這一系列的思考，一方面重溫了前面已經講過的關于溢出的知識點，促進學生深刻理解溢出含義；另一方面建立了知識之間的關聯，引發學生對相關知識的思考。思考環節的積極開展能提升學生發現問題的能力。（3）拓展。拓展問題很多，按照層次劃分可以有這樣幾個。無符號數的移位規則是什么？移位對數值的大小是否有影響，是如何影響的？C語言中的移位操作是如何描述的，它對應了當前學習的哪一種移位運算？如何用邏輯器件實現移位（答案不唯一，鼓勵學生提出多種實現方案）？通過拓展，讓學生進一步建立了軟件和硬件協調工作的整體概念，系統設計的理念更加清晰。通過理論教學的三重奏，學生們鞏固了所學知識，明確了系統的整體概念，創新意識被有效激發。
3實踐教學的具體設計
為保證實踐教學順利開展，且起到較好的教學效果，要做好實驗題目的的設置和實驗過程的組織工作。（1）實驗題目從分到合。依據由簡至難的原則，合理設置實驗題目，先安排學生做各個模塊的實驗，最后完成CPU設計與實現。實驗題目的具體設置，需要根據學生程度，彈性安排。教學過程中，如果基于基礎較差，或者沒有數字邏輯實驗基礎的教學對象，建議將教學目標設定為實現簡單CPU的設計實現，安排分實驗題目時對應要簡單一些。而針對基礎好的、具有扎實的數字邏輯實驗基礎的學生，建議以實現基于MIPS的多周期的CPU設計或者帶流水線的CPU設計為教學目標，依據教學目標，合理安排各模塊的分實驗。（2）實驗分組從合到分。在一次授課過程中，將面對幾十個授課對象，他們的知識基礎參差不齊。建議在實踐教學實施過程中采用分組和獨立相結合的組織模式。在進行各個模塊的分實驗時，可以采用分組原則，培養學生團隊意識，通過幫扶，讓各組的每個學生都能完成既定任務，盡量不讓一個學生掉隊。為了防止“搭車”情況出現，可以在每次任務完成后，隨機挑選學生驗收。保證每個學生都具有基本的設計實現能力后，可以綜合實驗時取消分組，每個學生獨立完成自己的CPU設計，有助于學生展示個性，鞏固知識。
4理論與實踐的結合
理論和實踐的結合至關重要，它們互相補充，相互促進。這不僅能提高學生們的系統設計能力，更可以在理論與實踐的結合處合理地引入課程思政，真正培養高素質人才。教師在授課過程中，可以將理論教學的三重奏之拓展作為理論教學和實踐教學的結合點，從拓展中引出設計，再利用實踐結果驗證設計，依據實踐結果可以對設計中不合理的地方進行改進，再實踐驗證。如此反復，直到找出自己認為是最佳的解決方案。如上所述，一方面，重復的設計驗證過程加深了學生們對理論知識的理解，提高了學生們解決具體問題的能力。另一方面，通過理論教學和實踐教學的有機結合，能激發學生潛能，培養他們的創新思維。當學生們遇到困難時，要積極鼓勵，培養他們堅韌不拔的品格；讓他們明確事物的發展是波浪式前進，螺旋式上升的，做各項工作要具有工匠精神，精益求精。
5結束語
在充分認識新工科背景下系統能力培養重要性的基礎上，本文給出了《計算機組成原理》課程的理論教學和實踐教學的組織方案，討論了理論教學和實踐教學相結合的重要性。通過舉例分析，可以看出該方案的實施不僅有利于培養學生們的系統設計能力；而且通過引入課程思政，能真正提高學生們各方面的素質。
作者:王建東 鄒惠 單位:河北地質大學信息工程學院
