时间：2023-09-18 17:33:42
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇计算机的组成和工作原理，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词：计算机硬件 知识体系 结构框架
中图分类号：TP303-4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)06-0122-01
随着社会进步和信息化时代的发展，计算机应用能力变得越来越必要。如何掌握计算机相关知识也成了大家关心的话题。在计算机的硬件知识体系中，知识点纷繁复杂，因此，构建合理的计算机硬件知识体系框架有重要意义。笔者就如何构架计算机硬件知识体系框架几点浅薄的认识：
1、计算机硬件知识体系的特点
1.1 硬件知识整体性强、富有层次性
计算机硬件知识的许多知识点都是密切相关的，相互影响的。在某个知识点的掌握程度和理解如何直接影响着对其它知识点的把握，如门阵列控制器就一知识点的学习就需要有“可编程阵列逻辑”为基础。除此之外，富有层次性也是硬件知识体系的一个重要特点。比如在计算机硬件的设计中，就需要经过三个过程，从概念结构到逻辑结构，再到物理结构，这三个模块层次分明。
1.2 计算机硬件知识体系的特征
一般而言，计算机的硬件知识点难度都不小，如在存储系统中，就会涉及局部的存储和访问，以及如何精心相关的替换算法和存储系统的应用诸多问题。同时，计算机硬件知识的理论知识和实际的要求却相差甚远，例如说电脑中都会有CPU这一核心配置，但我们却很难看到CPU的具体内部结构。
1.3 知识体系的重点和界限变化快
以往的硬件知识体系培养的是人们设计电脑硬件的能力和底层使用的硬件，而从上世纪八十年代后期开始，硬件知识体系则是以嵌入式系统的设计、软件和硬件的结合为目标。同时，硬件知识的重点也有了很大改变，同时，界限也在变化。
2、计算机硬件知识体系结构框架
2.1 计算机硬件知识的教学目标
计算机硬件知识的教学目标主要有以下三个：让学生掌握相关的计算机硬件知识，为以后的计算机软件和其他知识的学习奠定基础；学会嵌入式系统的相关技术和设计方法；形成能够直接以已有的基础知识来运用计算机。计算机硬件所研究的包括对计算机的工作原理、结构的分析和以及一些编程和技术的运用。
2.2 计算机硬件知识体系结构框架
计算机硬件的知识体系可以分成以下四种：工作原理知识系列、编程应用知识系列、组成结构知识系列和技术方法的知识系列。这四者的具体的构建方法和如何构建各有不同。比如说工作原理的知识系列通过一定手段让理论知识转化为现实，这可以通过一些相关的过程驱动、指令执行等来实现；而编程应用知识系列则不同，编程应用看重的是从基础知识到具体应用和操作的一种转变，编写程序可以通过一些特性结构、指令系统等来实现。具体来说：
工作原理的知识系列的重要内容是计算机的组成和结构方面的一些知识，它是计算机硬件的基础知识，也是重要根据。工作原理相关的主要知识包括：顺序程序驱动的含义和重要性、电脑指令的表现形式、控制器的使用以及程序设计的一些基础知识。
作为计算机硬件知识体系中的核心，组成结构方面的知识对于计算机的使用有着十分重要的意义。组成结构方面的知识涵盖了计算机的组成原理、数字逻辑和系统结构等多方面的知识，如运算器和逻辑代数等重要部件的设计方法和相关的存储系统等。
除了以上两种知识系列，编程应用知识系列也是重要的知识系列之一。编程应用是计算机硬件技术的目标之所在，介绍的是汇编语言和相关的程序设计、计算机系统结构等相关内容，如指令系统、接口芯片和微型计算机的结构等都是编程应用知识体系中的重要知识点。
此外，作为计算机硬件技术的一大思路，技术方法的知识体系的重要性越来越受到肯定。技术方法方面的知识体系主要涉及了计算机组成原理、微型计算机的组成原理和相关的接口技术等，具体的包括数字指令的种类、流水线技术和互联网的网络技术等等。
3、如何构建计算机硬件的知识体系结构
正如前面我们所提到的计算机硬件知识体系的四种系列，在构建相关的知识体系的时候也应当加以区别对待。
3.1 工作原理的知识体系的构建方法
在构建工作原理的知识体系时，应当本着从理论到实践的想法来构建。计算机硬件方面的知识有许多是理论性强，较抽象的，这就需要我们能将这个抽象转化为具体的操作。如计算模型本身是一个较抽象的概念，在这个概念的表达中，我们要加深对计算过程的程序和驱动的认识，以及加深对数字指令的和运行方面的认识，这样就能更加明白的理解诶怎样通过控制计算机中的相关元件和配备来达到计算的目的。
3.2 编程应用知识体系的构建方法
在构建编程应用知识系列的锅中中，要遵循从基础到应用的指导思想。我们直接通过给计算机指令来让机器运行，这时的计算机指令的能够和执行的基础就是计算机的外部特征，同时，机器之所以能够执行这些指令，依靠的又是在计算机里编写好了的程序，在这个基础上，计算机才能够计算和解决那些实际意义的应用难题。
3.3 组成结构知识体系的构建方法
和工作原理知识系列的构建不同的是，组成结构的知识体系应当遵循从部分到整体的方法。部分是局部的概念，要将部分纳入到整体中去。如逻辑元件是计算机系统中的最小组成单元，我们通过对逻辑元件等小的计算机器件的内部结构及其功能的认识，进一步能够加深对整个计算机操作系统的组成和功能设计等的认识，这就是通过部分认识整体的一个方面。
3.4 技术方法知识体系的构建方法
技术方法知识体系的构建应当遵循抽到到具体的转变。计算机的功能如何是计算机程序设计等的重要基础，概念性的结构较为抽象、不容易理解，而计算机的物理性结构则较为具体，因此，应当以某种逻辑形式或联系来将它们连接好。
4、结语
总之，在计算机应用如此广泛的今天，如何掌握计算机的硬件和软件方面的必备知识是我们都需要关注的问题。因此，计算机硬件知识体系的构建也日益重要。笔者相信，在不断的探索之下，计算机硬件知识体系的结构框架会越来越完整。
参考文献
关键词：建构主义；计算机组成原理；主观能动性
作者简介：罗慧敏（1980-），女，河南周口人，河南大学计算机与信息工程学院，讲师；阎朝坤（1978-），男，河南开封人，河南大学计算机与信息工程学院，讲师。（河南?开封?475004）
基金项目：本文系河南大学第十一批教学改革项目（项目编号：2011JXGG060）的研究成果。
中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）22-0073-02
“计算机组成原理”不仅是计算机科学与技术专业及相关专业的一门核心基础课程，也是非计算机专业学生掌握计算机技术的一门专业选修课程。它的先导课程包括电路与电子学、数字逻辑和汇编语言；后续课程有微型机系统与接口、计算机体系结构等，在一系列硬件课程中起着承上启下的作用。[1]而且该课程内容在全国计算机专业研究生入学考试中占据相当大的比例（占总分数的1/3份额）。由此可见，该课程在计算机科学与技术专业的知识体系中的重要地位。然而，在实际教学中，由于其理论性很强、知识面较宽、信息量较大且学时不多，教师难教，学生难学，教学效果不理想。传统的“灌输式”教学方法，无法调动学生的主观能动性，且忽略了学生的主体地位。[2]长此以往，造成学生的学习兴趣不高，学习目的仅仅是应付期末考试和考研，无法将该课程的作用和本质真正融入到整个专业知识体系之中。另外，学生的学习态度和学习效果也会在一定程度上影响教师的教学积极性，进而影响教学效果。
建构主义理论认为知识主要是个人对知识的一种建构，而不是源于现实的意义，这为计算机专业的课程教学提供了新的理念。本文利用建构主义学习理论及其倡导的教学模式对“计算机组成原理”课程教学进行了改革探索，取得了较好的成效。
一、“计算机组成原理”教学目标及现状
“计算机组成原理”的教学目标是使学生掌握计算机以及各功能部件的工作原理，掌握相关设计方法和逻辑实现，熟悉各功能部件连成整机的方法、建立起整机工作的概念，为学生未来进行计算机系统的分析、开发、使用和设计工作打下基础。[3]
然而在“计算机组成原理”的教学过程中，往往存在各种问题。一方面，学生普遍抱怨该课程深奥，难学难懂，学习热情不高；另一方面，教师感觉该课程难教，虽然花费了较大精力去教授课程内容，认真指导学生实验，但教学效果不理想。课程组通过多年对该课程的教学总结以及与学生的沟通，对教学中存在的问题进行认真分析，对其存在的原因进行了归纳总结，主要表现在以下几点。
1.教材理论性强，内容抽象，与前沿技术脱节
目前，“计算机组成原理”课程的教材普遍理论性较强，相对于计算机硬件的发展来说，讲授的内容不仅抽象，而且较陈旧，缺乏与当前计算机最新前沿技术的连接。一方面，学生感觉课程内容枯燥难懂，不实用；另一方面，新的硬件技术知识的复杂性增大了教师组织和实施教学的难度。
2.课程的“纵向”“横向”关联性较强
一方面，该课程与电路与电子学、数字逻辑等先修课程有一种纵向的密切关联。这些先修课程本身难度就较大，如果学生对这些知识没有很好地掌握，基础没打好，势必影响到对计算机各组成部分的硬件电路及其工作原理的学习，学生会感到学习吃力，逐渐丧失学习兴趣，这种纵向联系也增加了教师的讲授难度；另一方面，本课程的各知识点存在一种横向的关联性。计算机各部件是分别讲授的，但是存在相互依赖关系。例如，运算器部分和存储器部分都用到了控制器部分的相关基础内容，这些关联使得计算机组成原理的教学不同于其他课程，对各知识点的介绍不能一步到位，增加了理解和教学的难度。
3.实践环节相对薄弱，与教学内容不能有效结合
“计算机组成原理”课程涉及计算机内部的构造、工作原理及应用，理论性很强，必须通过实践环节帮助学生真正理解和掌握。然而，目前该课程的教学安排上，实验学时占据比例偏少，不能满足该课程实验教学的需要。虽然配置了FPGA实验平台，但由于课时限制以及需要相关硬件描述语言的学习基础，所设置的实验内容大都以验证性实验为主，实验时往往参照实验手册完成，不能使学生深入理解计算机内部工作原理，也无法发挥学生的创造力。
4.教考模式的单一老化
“计算机组成原理”课程的教学主要采取“灌输式”的教学方法。这种传统的教学方法对于理论性强、难度大的计算机组成原理的教学来说，无法调动学生的主观能动性，忽略了学生的主体地位。在考核方式上，传统的闭卷考试只会造成学生忽略实践环节，局限于对课本知识的死记硬背，无法有效提高学生的动手能力和创新能力。
二、建构主义理论的主要思想
关键词：计算机组成与结构；教学组织；控制器原理与设计；课程设计
中图分类号：G64 文献标识码：B 文章编号：1672-5913(2009)04-0092-03
1 课程地位和特点
各所大学对计算机专业都制订了各自的学科教学计划，大部分都参考了CC2001或CC2005。CC2001与CC2005是IEEE/ACM分别于2001年和2005年的具有指导意义的计算学科本科教学参考计划(computing Curricula)。“计算机组成原理与结构”课程在CC2005中是一门计算机结构与操作系统方面的中级课程，采用精简的、系统的、主题教学方法相结合的教学方法，它是这个方向最基础的重要课程。这门课程不仅在后续课程学习中有非常重要的承前启后的作用，而且在学生以后的职业生涯中也有着非常重要的作用，大部分有关计算机的专业概念都是在这门课程中给出的，它让你学会设计一个复杂的系统应该从哪儿入手。
“计算机组成与结构”课程要求掌握计算机组织和计算机结构两方面的内容，计算机的结构是指那些对程序员可见的系统的属性，直接影响到程序的逻辑执行，包括指令集、数据的表示、I/O机制及内存访问技术。而计算机组织是指实现其结构规范的部件和它们相互的连接，其中包括那些对程序员透明的硬件细节，如控制信号、计算机和外设的接口、使用的存储器技术等。最终目的是达到从系统、整机的角度理解计算机的结构与组成。由于计算机是一个复杂的系统，完整并清楚地描述它本身就是一项非常困难的事，更何况还要求学生不仅要掌握计算机结构的内容，还要掌握重要部件的组成原理与设计方法。所以这门课程的教与学都比较难，是老师与学生比较头疼的一门课。
该课程的特点具体体现在以下几个方面：第一，内容庞杂。“计算机组成与结构”课程，对于计算机各个专业来说都起到一个高屋建瓴的作用，它既要全，又要精，还要细，在内容详略选择等问题上是非常值得推敲的；第二，内容的关联不是特别紧密，比如计算机的各大部件之间虽然相互关联，但由于各大部件本身就足够复杂，在相应章节已疲于内部结构及原理的介绍，而对于相互的联系，很多情况下都涉及更多的实现细节，无法在局限的篇幅中介，所以各章内容显得很零散，系统性不强；第三，很多内容比较抽象，无法直观展现，学生学习过程中较难提起兴趣。
2 内容组织
国内的“计算机组成原理与结构”课程一般介绍单处理器计算机的组成原理与结构体系，包括数据在机器中的表示、总线系统、设备接口、存储器组织与结构、指令系统、中央处理器(含运算器与控制器)、流水与并行处理等内容。其中重点是数据在机器中的表示、存储器组织与结构、中央处理器等内容。而对设备接口、指令系统等只作简单介绍，在后续的“汇编语言与微机接口技术”课程中再作重点介绍。本课程对流水与并行处理也只作简单介绍，其详细内容在后续的“计算机系统结构”中重点介绍。
大家对该课程的基本内容是有共识的，但对于这些基本内容的组织却有比较大的分歧，有些人先讲整机系统以及部件之间相互连接，然后由部件到结构、原理至具体实现；而有些人则先从每个部件的实现原理到结构，再由各个部件相互连接而成整个系统，再到整个系统的结构等等进行讲解。也有一些人讲两种方法进行结合。每一部分内容的组织也有分歧，我们通过多届的教学有一些体会，当然不同老师的观点也不尽相同，这里介绍一下我们对内容组织的考虑，希望与同行们共同探讨。
2.1 分章内容安排
一般来说，学生是没有错的。我一直认为，如果一门课不能吸引学生，作为老师，首先考虑的就是自己的教学是否有问题。只要这么去想，教学就会有改善。而教学过程中第一要改善的就是内容的组织。回想学生时代，一门课上过二、三次课后，也就基本确定喜欢不喜欢这门课了，所以一开始的内容组织就非常重要。
计算机如此之复杂，讲解需要有一个引导的过程，如果一开始就讲数的表示，计算等等，学生会觉得很枯燥，不知目的何在。很多教科书也是这样讲的，实践证明，这样的开端效果不好。如果一开始利用一章来足够概括，也足够简明地向学生介绍一下计算机的功能和工作过程，进而引出整门课的内容组织，学生就容易与老师的思路同步，而且对整个计算机有了一定了解以后，自然而然地就会对其中每一部分的工作原理以及设计感兴趣。
第1章是计算机系统导论，首先介绍计算机系统的分级层次的概念，指出本门课程在其中处于什么位置；然后简单地介绍一下计算机硬件的组成及功能、计算机执行程序的过程，进而介绍计算机执行指令的过程。
这样的开端，益处有几条：第一，学生快速进入状态，它与以往课程不同之处在于，我们是研究计算机较为底层的工作原理，是要详细到一条指令是如何执行的。其实以后的各章也是围绕这个问题展开的。第二，学生学习的目标性强，知道每一章节的学习目的。第三，人有探索未知领域的本能，这样的方式容易激发出学生的本能。
第2章是系统总线，它以总线为切入点讲解现代计算机的结构以及各个部件的互连，重点不是为讲总线而讲总线。有些书上大讲特讲各种总线标准，但我认为在这一章我们首先要使学生了解，各个部件特别是CPU和存储器、各种I/O设备之间如何协调工作，CPU为什么要与它们交换信息以及如何交换信息，总线为什么要制订标准等。这些都交代清楚后，再介绍几种典型的总线标准及相关的技术指标。
讲任何一章内容都要使学生了解我们为什么要学习这一章内容，这部分内容对于我们的整体目标有什么作用，然后再往细介绍。
第3章是存储器系统，它包括了主存系统与辅存的基本原理，首先讨论存储系统的特性及它的基本操作及主要技术指标。其中，地址线数、数据宽度、存储周期等概念一定要在此讲清楚。而这些为后面的存储系统的分层及芯片组织打下一个好的基础。有不少学生，直到最后也无法掌握如何用半导体芯片组成一个特定的主存系统。通过调查发现最主要的问题就是前面的这些概念未能搞清楚。芯片的组织是其中一个重点内容，前面的基础概念搞清楚后，用两个例子说明芯片的组织及与CPU的连接的一些原则、方法。带Cache的二级主存系统的工作原理是该章另一个重点，其中包括地址映像、替换算法等：有关辅存的内容可以比较简单，不需详细介绍虚拟存储器的内容，因为这部分内容只有在操作系统中才能讲清梦，而且它的确也不属于硬件的范畴，但Cache与主存之间地址映像却是硬件完成的，所以它属于计算机组织与结构的内容之一。
关于存储器芯片内部如何完成二进制位的存储及读写这部分内容，有一些书中未作介绍，比如William Stallings著的《计算机组织与结构：性能设计》，他在第4章内部存储器中并未对此作介绍。我认为，存储元件如何存储信息，以及地址如何选中相应的存储单元，还是有必要讲解，因为从理解存储器的工作原理这个角度，这种细节如果不作介绍，那么它的原理总是不够完整，所以可在内容上讲清存储信息的逻辑实现即可。
第4章是数据表示及运算方法，主要介绍数的表示、算术及逻辑运算的方法，以及相应硬件实现的基本结构，这部分内容分歧较少。
第5章是指令系统，讨论计算机指令系统的发展历史、指令格式、指令系统设计原则以及RISC指令系统特点等等，这一章为后面的CPU功能及控制器原理与设计做准备。
第6章是CPU的结构与功能，讨论CPU的组成结构，指令周期及指令流水和中断系统。
第7章是控制器的原理及设计，重点介绍指令执行过程中的微操作命令，组合逻辑设计中对微操作命令的节拍安排，微操作时间表等。继而再介绍微程序级设计方法及相关的微操作控制信号的编码技术、微指令顺序控制技术等。
2.2 内容的综合及细节的处理
控制器的工作原理及设计方法是本课程的核心，前面讲的每一部分的内容都是为这部分内容的学习做准备的。在这一章，前面所学的知识又综合在了一起，由控制器将各部件的工作过程连接起来，其中指令执行的详细过程是关键，控制器需要发出哪些控制信号来控制这一过程，进而，这些控制信号该在什么样的条件下发出，然后写出每一控制信号的逻辑表达式。要想理解控制器的工作原理及设计方法，必须从组合逻辑控制器设计着手，给学生一个直观的设计过程，这样控制器的设计框架就在脑中形成，而后面的微程序控制器的设计，只是将上述分析得出控制信号进行编码，形成微指令，并存放在控制存储器中，指令的执行过程也就演变为从控制存储器中一一取出相应的微指令执行而已。
虽然微程序控制器的设计已成为大部分复杂计算机控制器设计的主流方法。但从理解角度上来讲，组合逻辑控制器的设计是理解控制器工作原理及设计方法的关键。如果像国内一部分教科书中所讲顺序，先讲控制器功能，进而直接引出微程序控制器原理及设计，最后是硬布线控制器设计，许多学生学了半天，学了编码法，但最终也不知控制器是怎么工作的，整机观念更是建立不起来。
在实践中反复证明的一点是，学习复杂的系统，必须使学习者首先建立整体框架，然后详细了解每一部分，最后再将每一部分综合起来理解。这样就可以将一个复杂系统从上至下地了解清楚。坚决要杜绝的就是，框架建立不起来，却在许多细节问题上反复纠缠。这样很快就使学生对这门课程失去耐心和兴趣。
那么对于许多的细节如何去讲?这是这门课教学过程中一个较难解决的问题，如果能与每一部分连成一体的，就顺着讲下来；如果在逻辑上并没有太多的联系，但又必须交待的内容，比如多字节数据传输与存储时的大端小端问题等可以用每章后的附录形式出现，这样既不影响每一部分内容的连贯性，又照顾了完整性：而讲课时也可在每章后增加一个个小专题来讲，有些内容学生自己看就可以，有一些可用来讨论，形式可多样化。
3 教学组织
内容的组织必须配合相应的教学组织，其中包括课前备课、课堂教学、课下辅导以及课程设计等环节。我认为教学改革绝不仅仅是增加一些华而不实的动态效果，或单一地追求讲课时的抑扬顿挫。这些形式上的东西都是为实质性的内容服务的，我们的目标是如何培养出符合现代社会需要的、合格的人才。
3.1 课前的准备
从课前准备来说，“计算机组成与结构”是一门经典课。许多老师认为计算机无论如何发展，它的基本原理是没变的，大体来讲这句话是没错的，但这不应成为老师照本宣科的理由。因为爱，老师心中有使命感，有责任感，甚至有危机感。每一学期开始，我都会去认真准备最近TOP500强计算机的资料，一方面让学生了解最新计算机发展状况，了解衡量计算机的几个指标，了解中国与强国的差距，以此唤起听者心中兴趣与使命感。同时涉及计算机的几个重要概念：速度、字长以及规模等。我发现，每次讲完教室里的气氛都很热烈，在接下来的授课中他们就会比较用心。
课前的准备除了内容上的不断更新，还要不断地去揣摩学生的心理和接受能力。学生要想考试得高分，就得揣摩老师的心理，那么同样的道理，老师要想教好书，就得揣摩学生的心思。我一直相信学生是想学知识的，所以我努力去做的就是让他们对此有兴趣，并沿着正确的思路去学。
3.2 课堂教学
课前充分的准备为课堂的讲授打下了基础，但有时仍然会遇上学生整体士气不高的时候，这时，我会稍作停顿，说几句题外的话，旁敲侧击一下，在内容安排上，会将一些复杂的、枯燥的内容与简单的、有趣一些的内容交叉起来。上课时充满热情，时时观察学生的状况与接受程度，及时做出调整。有时使用研究的方法，将问题提出来，我也在思考，我与他们同步分析，转换角色，将主角的位置让给他们，让他们大声地说出他们的想法，然后沿着他们的思路走，进而分析问题所在，以及正确的解决方案。这些方法在课堂上是很有效的，学生们是很清楚的，老师投入满腔热忱，他们也会被感染。相反，老师应付差使，他们就很容易随波逐流。
3.3 课外的辅导与课程设计
课下的辅导在很多情况下是配合课堂教学的，如果最近上课内容比较难以接受，那么学生在课下会用不少时间来想，如果这时老师未能及时给以辅导，那么大部分学生很容易知难而退，所以要及时与学生沟通，给予适当的辅导与疏导。
课程设计环节，一方面的目标是加深对理论学习的理解，另一方面是为了提高学生自己动手解决问题的能力。在课堂讲授环节就要考虑课程设计的需要，比如知识的准备，以及相应设计方法的学习。所以要想课程设计环节取得好的效果，在相应的课堂教学中，应该做好充分的准备，然后在课程设计中，给以适当的指导，既不让学生产生依赖思想，又不能因为太难而让学生不知所措，匆匆地将实验结果凑出来交差。
4 进一步的思考
“计算机组成与结构”课程不是一门孤立的课程，它与系统结构、汇编语言与接口技术以及操作系统课程有着密切关系，“计算机组成与结构”的老师一方面要划分好课程之间的分工，另一方面要充分了解相关课程的内容，在讲课时如果有交叉时需要交待清楚。原本它们都是相互关联的，教学过程中如果能关联是最好的，但不应涉及太深，细节问题在相应课程中讲。
【关键词】计算机组成原理；形象化教学；启发式教学；QuartusII
1.课程实施方案
计算机组成原理是计算机专业重要的专业基础课程，是计算机专业研究生入学考试必考课程之一，本课程旨在使学生系统地理解计算机硬件系统的组成结构和工作原理，建立计算机系统的整机概念，为进一步从事计算机系统结构、计算机网络和嵌入式系统等方面的学习和研究打下基础。
计算机组成原理课程采用理论教学和实践教学相结合，分三个阶段展开。第一阶段，主要介绍计算机模型机及各功能部件在模型机中的地位及作用；第二阶段，分析各功能单元的组成结构、工作原理及设计方法；第三阶段，讲解计算机系统协调工作过程及各功能部件的连接方法，总结计算机系统的综合设计方法。
计算机组成原理的教学内容为计算机内部电路和原理，技术特点及改进措施，内容抽象难懂，被师生们普遍认为既难学也难教的课程。本课题组在提高教学质量、改进教学方法和手段等方面进行了研究和探讨，从理论教学角度和实验教学角度提出改革方案。
2.理论教学改革实施方案
教学内容上采用宏观与微观分层次结合的教学方法。宏观上从组成部件对整机系统的作用入手引入问题，对组成部件的特点和功能进行分析；微观上强调组成部件的内部结构、设计方法、工作原理。
理论教学采用多媒体和黑板结合的教学手段，采用形象化教学、启发式教学等教学方法，最后指出了理论教学要与计算机技术的发展与时俱进。
2.1 多媒体和黑板结合教学
多媒体教学具有形象直观、反映信息准确等优点，对于知识点较多，技术性较强的内容，多媒体教学可以使教学过程生动化，具体化。采用多媒体教学来讲解计算机内部的数据流向、组成结构和功能特点，可使学生对计算机内部工作过程有一个生动、直观的认识。
采用黑板对计算及推导性较强知识点讲解，能够展开更详细的演算和推理，使学生对细节掌握地更为透彻。多媒体教学和黑板教学作为教学手段，都是为教学服务的，在教学过程中应充分考虑知识特点，灵活选择两种教学手段。乘法运算的讲授采用多媒体和黑板结合的方式进行，首先采用黑板板书详细推导笔算乘法的过程，指出笔算乘法用计算机实现的困难，然后采用多媒体动画演示计算机乘法运算实现，把计算机运算器内部的工作过程生动地展示出来，使学生对计算机乘法的实现过程能有一个形象的认识，两种不同的讲授手段使学生对笔算乘法和计算机乘法的各自特点及区别有一个直观的认识。
2.2 形象化教学
采用形象化教学对知识点进行系统分析，有助于学生理清知识脉络，理解知识点在知识体系中的作用和地位。以存储器系统讲解为例，将存储器系统比作树，主存、缓存和辅存比作树的主干分支，主干分支重点分析主存、缓存和辅存之间的联系。主存分支可再分为RAM，ROM子分支，重点分析ROM和RAM的读写特点及存储地址等概念；缓存分支可再分为数据缓存和程序缓存，重点分析地址映射机制和替换策略；辅存分支可再分为磁带、磁盘、光盘存储器，重点分析磁盘的存储机制。形象化教学使学生对知识形成系统的认识，有利于知识的理解与扩展。
形象化教学可将教学内容比为生活中的事例，运用浅显的生活事例来讲解抽象、难懂的理论，使抽象的理论“生动化”，“生活化”，有利于学生对知识的理解和掌握。Cache与主存地址映射过程是本课程的难点和重点，将Cache与主存的地址映射比为图书馆座位的对应机制，有助于学生对地址映射的理解。假设学生n人，图书馆有m个座位，每个学生只能坐到指定的一个座位上，一个座位对应多个学生，为直接映射方式，缺点是容易造成座位冲突；学生按照先进先找座位的原则，座位与学生没有指定的对应关系，为全相联映射方式，缺点需对每个座位的学生信息进行详细记录；学生只能坐到指定的组，每组有多个座位，称为组相联映射方式，具有前两种方式优点的组合。形象化教学在教学过程能起到解释、启发的作用，有助于学生对知识点的形象理解，提高学生的学习积极性。
2.3 启发式教学
启发式教学注重调动学生的主观能动性，通过一定方法启发学生去思考，重视学生分析和解决问题的能力培养。启发式教学方法首先设置一些启发式问题，激发学生的学习兴趣，引导学生去思考和推导，鼓励学生大胆提出自己的见解，最后和学生讨论出结论。在I/O设备与主机信息传送控制方式一节，讲完程序查询方式，程序中断方式后，提出“两种方式在计算机工作过程中存在什么问题”，引导学生思考什么方式能够更好地提高I/O设备和CPU的效率，通过互动讨论方式提出DMA工作方式，讨论DMA工作方式的特点。启发式教学中学生带着问题来学习，主动参与教学活动，有利于学生的创新能力的培养。
理论教学要做到与时俱进。计算机是一门发展较迅速的学科，教材内容往往滞后于计算机技术的发展，在课堂教学过程中应弱化过时内容，通过扩展性课题引入新技术，新知识，使学生全面掌握计算机发展的动态及技术特点。
3.实验教学改革
3.1 实验方案的改革
实验教学是计算机组成原理课程的重要环节，实验教学是对抽象理论进行科学验证，加深学生对理论的认识和理解，提高学生的实践动手能力。传统实验教学采用实验箱完成，实验种类受实验箱限制，很难随着计算机技术发展更新；实验以验证性实验为主，在实验过程中学生缺少创新性，消弱了实验教学的效果。
Quartus II是一款EDA设计软件，支持原理图、VHDL及AHDL多种输入形式，内嵌仿真器可以完成对计算机组件从设计到硬件配置，到最后的仿真测试。该软件具有丰富的器件库，可以对器件库进行更新，实验过程具有连线简单，学生可以根据实验要求自主设计完成实验。
基于Quartus II的实验教学分四个层次。第一层次，验证性实验，旨在熟悉软件环境及元器件的使用，主要包括138译码器实验，总线传输实验等；第二层次，设计性，旨在让学生独立设计简单的电路器件，提高学生的分析和设计能力，主要包括存储器设计，数据通路设计等；第三层次，综合性实验在给定实验题目下，让学生自主选择元器件，连接电路，测试电路，仿真电路，使学生理解计算机电路综合设计过程，主要包括CPU设计、复杂数据通路设计等；第四层次，课程设计，通过知识综合加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识。主要内容为构造一台模型计算机，包括基本运算单元、控制单元和存储单元。
3.2 实验形式及考核方式的改进
实验形式分为必选实验和开放性实验，必选实验和理论教学结合密切，要求学生在理论教学后指定的课时内完成。开放性实验为扩展性实验题目，学生根据兴趣自主选择实验题目，在实验室开放时间内完成。在实验过程中，注意发挥学生主体作用，做到学生主体设计、实验为主，老师辅导为辅。
实验考核不再以实验报告和课程设计报告作为考核标准，主要对实验方案、实践过程、实验答辩环节的考核，并将实验成绩以30%的比例纳入到期末成绩。
4.结语
信息化时代社会竞争日趋激烈，计算机教育不仅要教授学生计算机专业知识及其研究方法，而且要提高学生的创新能力和动手能力，为学生进一步深造和就业打下良好的基础。计算机组成原理的教学改革采用最新的教学方法和教学手段，教学过程中引入计算机发展的最新技术，并且充分发挥网络教学的优势，通过教学博客和课程网站的形式和学生达到良好的互动，取得了较好的教学效果。
参考文献
[1]汤书森，马义德.现代计算机组成原理课程特点与实验教学新模式探索[J].2012（1）：146-149.
[2]唐朔飞，刘旭东，等.“计算机组成原理”课程教学实验方案[J].2010（11）：42-45.
[3]教学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核心课程教学实施方案[M].北京：高等教育出版社，2009.
论文摘 要 计算机组成原理是计算机专业的一门基础核心专业基础课程，在该专业的课程体系中起着打地基的作用，学好这门课程对于提高学生的理论认知水平和实践能力有着极为重要的作用。本文从用简单的问题切如枯燥的学习知识；把抽象的知识具体化；通过学生讲解来验证教学效果，三个方面的方法来讲解如何教授中专计算机组成原理这门课程。
计算机组成原理的教学内容强调以计算机硬件部件和和整机系统知识为主的同时，还必需适当兼顾与硬件关系最密切的基础软件知识的学习。那种把计算机组成原理完全作为纯硬件课来处理，是陈旧的认识和过时的做法，不符合当今计算机研究和教育发展的潮流。学好这门课的目的是为了了解计算机的构成及基本工作原理。学生应能抽象出一个计算机模型，在此基础上，理解计算机是如何工作的。但是计算机组成原理这门课专业性很强，很抽象，也很枯燥。而现在的中专学生基础差，缺乏学习主动性，学习新知识时理解能力也相对比较薄弱。本文针对中专学生的这一特征，提出了怎样教授计算机组成原理这门课程。利用一种以培养学生的理解、联系实际能力为核心的教学模式，并就该模式下的课堂理论教学、课后练习与辅导、教学效果检验等三个环节进行详细的阐述。
一、用简单的问题切如枯燥的学习知识
在讲解十进制数与二进制数之间相互转换这个问题时，我并没有直接讲转换算法，而是先提问了一个学生们都认为很简单，但是又回答不正确的问题，来引起学生们的学习兴趣，我提问的问题是：计算机用的是直流电还是交流电，对此问题，我让同学们进行讨论，并说出你回答的答案的依据，几乎所有的学生都认为，计算机用的是交流电。依据是计算机的电源插在220V的交流电源上。我就告诉学生们你们的答案都是错的，计算机用的是直流电，学生们很好奇，就急于想听我讲出这个答案的依据，这样我就引进了二进制数的概念，告诉学生，计算机中所有的数值、文字、符号、语音、图形、图像等等统为称数据，在计算机内部，都必须用数字化编码（基二码 二进制编码）的形式被存储、加工和传送。并且讲解了二进制码的基本点符号0和1。采用0和1的优点是：符号个数最少物理上容易实现；与二值逻辑的真假两个值的对应简单；用二进制码表示数值数据运算规则简单。然而在我们的现实生活中所用的数值都是十进制数，那么接着就讲了十进制数如何转换成二进制数。十进制数分为整数和小数。对于十进制的整数转换成二进制数的法则是：除以2取余。对于十进制的小数转换成二进制的法则是：乘以2取整。相反二进制数如何转换成十进制数呢？我先举了一个简单的例子引入了概念按阶展开，例如十进制数650按阶展开就是650=6*100+5*10+0*1=6*102+5*101+0*100。。十进制数按阶展开是用数字乘以十的次方数，那么以此类推二进制数的按阶展开就应该是用数字乘以二的次方数，例111101按阶展开就是1111101=1*26+1*25+1*24+1*23+1*22+0*21+1*20。然而二进制数转换成十进制数就是把二进制数按阶展开然后计算出数值。
二、把抽象的知识具体化
讲解CPU的工作原理时，我首先讲解CUP的全称central processing unit 即中央处理器，有人也称它微处理器。顾名思义，CPU就是电脑的中央核心部分，负责处理各种硬件装置传送进来的资源，经过判断计算后，再下指令将资料送到正确的装置上执行。讲完这些以后学生都很迷茫，因为太抽象了。我就用现实中做广播体操的例子来把抽象的问题具体化。做广播体操的整个过程是，首先我们的耳朵听到指令，然后再把指令传送给我们的大脑，大脑经过分析判断后再把指令传送的我们的肢体，以此来确定肢体的动作。紧接着我就用了计算机如何打印文件这个例子与做广播体操相对照。当我们要打印一份文件时，首先通过键盘或者鼠标输入打印的指令，CPU收到指令经过分析判断后知道我们要打印文件，就会下达指令将资料传送给打印机，然后由打印机执行打印工作。通过这个例子使学生们联想到可以把CPU比喻成人类的大脑它不但要负责接收外界输入的信息资料，而且还要负责处理这些资料，然后将处理后的结果传送到正确的装置上。几乎大大小小的工作，都需要CPU来下达命令，传送到其他设备上来执行。通过举例子的讲解方式使学生们了解了CPU的工作原理。把抽象的复杂的问题具体化简单化，增强了学生学习的信心。
三、通过学生讲解来验证教学效果
课堂上教师讲解一个系统的知识点后，为了了解学生的掌握情况，我就采用了先挑一些程度好，理解能力强的学生将刚才讲的知识再讲解一遍的训练方法，这样我就可以了解到学生们的理解与我讲解的偏差在哪儿，还有什么地方没有理解到位。我可以就此问题重新的再做解释。然后，再挑一些程度不好的且理解力相对比较差的学生，再来讲解同样的问题，如果讲解的比较到位，就证明这个问题几乎所有的学生都已经掌握了。因为这门课程我同时教授了四个班，为了避免我讲课大意和重复，我就随机挑刚教授过的班级的学生到第二个班去讲，这样刚学过的学生害怕到其他别的班级如果讲的不好丢人，就会好好复习反复练习，这样就激发学生学习的主动性和积极性。然而对于第二个班的学生来说，他们就抱着好奇的态度来听别的班学生的讲解，想看看别的班的学生讲的和老师讲的到底一样吗？这样就调动了学生的听课兴趣，课堂纪律也会好很多。还有现在的中专学生在家中基本都是独生子女，集所有家里人的宠爱与一身，所以他们都非常自我，不懂得如何尊重别人。
结束语：在计算机组成原理这门课的教授过程中我想尽了各种办法，运用多种教学手段，设计有趣的教学活动来激发学生的学习兴趣，培养学生积极的学习态度，与学生建立相互信任，相互尊重，平等交流的师生关系，让学生充满激情，主动投入到学习过程中。
1、计算机导论。
内容提要：为新学生提供一个关于计算机科学与技术学科的入门介绍，使他们对该学科有一个整体的认识。
2、数字电路与数字逻辑。
内容提要：介绍数字逻辑与数字系统的基本概念、分析方法和设计原理，包括开关理论基础、组合逻辑、时序逻辑、可编程逻辑器件、数字系统等。
3、计算机组成原理与汇编语言。
内容提要：以冯诺依曼计算机模型为出发点，介绍计算机的组织结构和工作原理，剖析计算机的运算器、存储器、控制器和输入输出设备的结构、工作原理和相互关系。
4、计算机网络。
内容提要：介绍数据通信的基本概念和计算机网络的基本原理，包括计算机网络的体系结构、数据通信的基本方法和协议、计算机网络的主要应用协议。
5、计算机体系结构。
内容提要：研究计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法，使同学在具有一定的软硬件知识基础上能综合认识计算机系统的软硬件功能分配与各种不同结构类型机器的特性和性能评价方法。
6、离散数学。
内容提要：包括集合论、数理逻辑、图论、组合数学等内容，形式化的数学证明贯穿此课程。
7、算法分析与设计。
内容提要： 本课程延续数据结构课程的学习，从算法分析和设计的角度出发，除去传统的分类查找算法和一般的设计方法外，主要内容包括如下几个部分，算法研究的理论基础，递归分析技术，基本算法设计策略。
8、数据结构。
内容提要：介绍线性表及其链接存储结构与算法、数组与矩阵、堆栈与队列、广义表的存储结构与多元多项式表示、串与文本编辑、排序、树、图、文件结构。
9、编译技术。
内容提要：介绍编译原理的理论和实践，包括编译程序设计、词法分析、语法分析、符号表、声明和存储管理、代码生成以及优化技术。
10、操作系统。
关键词：小型动态星；模拟器；技术
本文以小型动态星模拟器为研究对象，分析星模拟器的工作原理与需求，星模拟器的系统组成，小型动态星模拟器主要技术指标。根据星敏感器的工作原理和工作方式，提出基于数字光处理的小型动态星模拟器总体技术方案，并确定了小型动态星模拟器的主要技术指标。
星模拟器光学系统，包括非成像的照明光学系统和成像的准直物镜系统两部分。为了达到小型化的星模拟器技术要求，设计基于白光发光二极管的照明光学系统，并对光阀处的光斑均匀性进行优化与仿真分析，照明不均匀度达到 3%；针对星模拟器准直物镜系统的特点，设计了复杂化匹兹万结构的光学系统，并对像差进行了优化分析，最终结果为绝对畸变小于光阀像元尺寸，相对畸变控制在1‰以下，达到星模拟器成像光学系统要求。
一.星模拟器的工作原理与需求分析
星模拟器是航天飞行器姿态控制系统测试设备的重要组成部分，用于对星敏感器进行功能与性能上的测试。因此，需要具体分析星敏感器的功能技术指标，这对星模拟器的研制具有重要的指导意义。
星敏感器是一种具有较高精度的姿态敏感器，以天球上不同位置的恒星为探测目标以确定航天飞行器运行姿态。其工作原理是：光学系统将恒星成像在光学焦平面上；CCD 探测器置于光学焦平面上，实现光电转换；星点像转变成的输出电信号经过 A/D 转换后，输出数字图像；数字图像传送到数据处理单元进行星点提取、星图识别和姿态计算，确定星敏感器光轴在惯性坐标系下的三轴姿态。
星敏感器的工作原理，要求其测试设备，也就是星模拟器，提供任一时刻、任一惯性坐标系下指向的模拟星图。星模拟器不仅需要提供精确的星点位置，还要保证星与星之间角距的准确性。星模拟器根据主控计算机提供的星敏感器光轴在惯性坐标系下的指向，由星图模拟软件生成当前星敏感器视场内所能观测到的星图，通过接口及驱动电路在空间光调制器（spacial light modulator，SLM）上产生模拟星点；光源通过匀光系统，均匀照明到空间光调制器上；经空间光调制器调制后的光线通过准直光学系统后形成平行光，可认为表示无穷远处的星点，完成在有限距离内模拟真实恒星观测效果的任务。
二.星模拟器的系统组成
星模拟器系统从结构上分，可由4个部分组成：1. 星模拟器主控计算机系统；2. 星图模拟显示系统；3. 照明光学系统；4. 准直物镜系统。
由第三方软件或预设姿态信息提供的星敏感器光轴的空间指向，星模拟器主控计算机根据选定星表进行坐标变换，计算出当前星敏感器视场内的星图，通过接口驱动电路送到空间光调制器上再现模拟星点；光源通过匀光系统后，均匀照明到空间光调制器上，为模拟星点提供能量；空间光调制器置于准直光学系统的前焦面上，模拟星点通过准直光学系统后，在被测星敏感器光学系统入瞳处产生无穷远平行光，即实现多星星光模拟。
在这里，空间光调制器采用的是数字微镜阵列（digital micromirror device，DMD）。DMD芯片是DLP技术的核心器件，它由由数十万、甚至上百万个正方形微反射镜组成。DLP技术是一种全数字化的反射式投影技术，与常用的液晶光阀投影技术相比，具有图像信噪比高，画面质量稳定，定位精确等优点。从光学的角度来说，由于采用非偏振光照明，因而简化了光学系统结构，提高了光能利用率。
选择白光LED作为光源。LED是一种竞争力强的新型光源，与传统光源相比，具有很多优点，如发光效率高、能耗小、寿命长、可靠耐用等。采用白光LED作为光源，能有效的减小星模拟器的体积和重量，达到仪器小型化的设计需求。
三.小型动态星模拟器主要技术指标
根据用户星敏感器的技术要求，确定本方案实现的小型动态星模拟器技术指标如下：1. 星图视场：10.5°×7.5°2. 出瞳口径：Φ35 mm3. 出瞳距：>120 mm4. 图像分辨率：1 024×7685. 单星视张角：≤40″6. 星间角距精度：≤40″7. 模拟星灰度可调：2～6.5 等星8. 光谱范围：400～780 nm9. 中心设计波长：550 nm10. 照明不均匀度：
四.小结
本文从星敏感器入手，通过对星敏感器工作原理的分析，研究了星模拟器的工作原理，并结合其工作原理，把星模拟器分成 4 个组成部分，画出系统结构图。最后，根据用户星敏感器的技术指标，确定小型动态星模拟器的主要技术指标。
参考文献：
[1]郭玉蛟. 星模拟器概述[J]. 控制工程，1986（5）：42-49.
关键词:计算机组成原理;实验教学;可编程器件;实验评价
计算机组成原理课程是计算机学科的一门专业基础课,主要内容包括计算机构成及其各个部分如何协调工作[1]。在整个计算机专业课程体系中,计算机组成原理是起着承上启下的作用[2-3],它以数字逻辑课程为基础,而自身又是计算机系统结构、编译原理、操作系统等课程的基础。同时计算机组成原理又是一门与实践结合很紧密的课程,课程实验一直是教学中的一个重点,各高校也很重视,在实验上投入了大量的精力。
2009年11月在南京召开了“计算机组成与结构课程群”的实验教学研讨会,会上讨论了国内实验教学的进展和不足,本文立足于此次会议,结合各校的实验教学环节,以计算机组成原理课程为例,对实验教学进行研究。
1课程设置
目前,国内大多数高校都将计算机组成原理作为第一门专业课程安排在数字逻辑课之后,主要内容包括:计算机系统的基本概念、指令系统、处理器组成(运算器、控制器等)、存储系统、输入输出系统、流水线技术等[1,4]。组成原理一般会安排在大二下学期甚至大三上学期,这样就不可避免地造成与其他专业课程同时开课,使得学生在没有掌握计算机组成之前就开始更高层次的专业课学习,这样无法体现计算机组成原理的专业基础课作用。
为了解决这些问题,一些学校在课程设置上学习了国外大学的做法,开设了一门计算机入门性质的课程,如清华大学和中国科技大学开设了计算机系统导论课程,课程系统地介绍了计算机专业的一些入门知识:最底层的器件逻辑门电路微结构指令集结构程序算法问题域。这样,学生对计算机有了概括性的基础知识,这样就可以避免课程安排的问题了,同时,教师在计算机组成原理课上就可以更加深入地介绍计算机的组成和工作原理了。
各校一般都在计算机组成原理课程中安排试验[4-5],课程的总课时中有专门的实验课时,让学生在学习理论课的同时完成实验,这样做的好处是让学生能够将理论学习和实验操作同时进行,加深对知识的理解,但是由于进度安排的问题,综合性的大实验(如处理器设计)只能被安排在学期后段,学生需要短时间内投入大量精力才能完成。对于一些无法单独在组成原理课程中实现的更大规模的课程设计型实验,需要学生掌握系统结构、编译原理、操作系统等课程的知识,也需要更多的实验课时,为此,一些学校开设了专门的计算机综合实践课程,如东南大学的计算机系统综合课程设计、中国科技大学的计算机系统原型设计等,这些课程综合了计算机学科多方面的知识,以计算机组成原理为实验基础,进一步拓展了实验的领域。
中国科技大学华夏班在课程设置上参考了国外大学的一些方案,面向计算机系统结构学科发展前沿,强调前瞻性、先进性和实践性,探索出了计算机组成课程群课程设置(见表1)的新方向。
从课程设置中我们可以看出实验在总课时和总学分中所占的比重很大,几乎占到了二分之一,并且计算机系统原型设计是一门实验课程,分为A和B两个部分,A为CPU设计,B为系统软件设计,二者结合起来就是一个完整的计算机系统原型。清华大学在课程设置上也与其类似,只是没有专门的实验课程,内容也简化很多,主要着重于计算机组成原理的相关内容。
2实验设置
目前国内的计算机组成原理课程实验都已经逐
渐向处理器设计这一方向靠拢,差别只在于实验的方式和难度。表2是参加此次会议的几个学校课程实验设置情况。
从表2可以看出,计算机组成原理课程的实验已经由以前的验证性部件实验逐渐过渡到处理器设计及计算机系统搭建这一层次上,具体体现在以下几个方面:
1) 使用可编程逻辑器件作为实验平台[2],这样能够大大提高实验的灵活性和可操作性,根据学生能力的不同安排不同层次和难度的实验,充分发挥学生的主观能动性,在实验内容和形式上不断创新,同时也激发了学生的兴趣,实验样式也不再呆板和单调。但是,这样需要有更加完善的实验评价机制,做到公平和公正;还需要学生掌握硬件描述语言和相应的EDA工具软件,这些就需要对课程内容进行适当的调整或者得到先修课程的支持。
2) 指令集基本上都是MIPS或者类MIPS的,其好处是指令系统成熟,格式规整,有很好的技术和文档支持。使用这类的指令系统,学生能够更好的掌握和理解,设计出来的处理器结构也更加规范,而且有很多相应的设计文档和实例可供参考;其次,如果想要进行更高层次的实验内容,就需要相应的编译器等工具的支持,MIPS指令系统在这一点有很大的优势,有了这些工具开发难度能够大大降低。因此目前来看采用MIPS指令系统是一个很好的方案。不过这样也有一些缺点,采用统一的指令系统限制了学生在指令系统设计上的灵活性,使得设计出来的处理器过于类似,过多的设计资料也使得学生可以更加容易偷懒,使得实验效果降低。
3) 基本上将流水线等知识应用到实验之中[5]。由于各个学校都在不同程度的推进计算机组成原理课程改革,普遍将流水线、高速缓存等内容加入了教学计划中,实验中也相应的加入了这些内容;同时MIPS指令系统能够很好的支持流水线的设计,现有的资料和教材大多也是围绕着流水线处理器设计展开的,因此流水线处理器的设计已经成为了各个学校实验的基本内容。在清华的计算机组成原理实验中并没有规定一定要实现流水线,要求学生完成多周期或者流水线处理器的设计,仅过几轮实验教学,学生普遍选择了流水线处理器的设计,因为多周期处理器的设计并不比流水线处理器设计简单很多,而且相应的设计资料较少。不过有一点是值得商榷的,就是为了组成原理实验有更好的显示度,在实验中加入了不少其他课程的内容,比如编译、操作系统等内容。这些内容安排在单独的综合实验课程中还可以,放到组成原理课程实验中就有些喧宾夺主了,学生会投入太多的精力在这些内容上,组成原理实验还是应该以理解计算机组成及工作原理为目的,不需要完成其他课程的内容,只有少数能力较强的同学在完成了基本内容后,才值得鼓励去做这些事情。
4) 实验规模较大,需要多个同学分工协作来完成。在以往的计算机组成原理实验中大多数是以验证性的实验为主,学生往往可以独立完成,但是处理器设计这一类的实验单靠个人完成对学生的压力太大,这就需要学生组成一个驼队来完成实验,这样不仅能够减轻学生的工作量,还可以培养他们团队协作的能力。一个团队规模控制在2～3人比较合适,人数太多会造成有人懈怠,达不到实验目的。
3实验管理和评价
由于计算机组成原理实验内容和形式的更新,具体的实验管理方式和评价机制也有了很大的改动。以前是以实验室为主的实验模式,学生根据实验室安排的实验内容和时间来完成规定的实验;现在则是实验室根据学生的实验进度和需求,提供相应的实验支持,包括设备、场地以及人员等。
以清华大学的组成原理课程实验为例,前两个验证性的实验安排在实验室统一完成,帮助学生熟悉软件工具和实验设备,然后再安排课程大实验。大实验过程中会将实验设备发放给学生,让学生能够在宿舍进行实验,同时实验室保证一定的开放时间,方便学生来实验室做实验。在整个过程中安排三次集中的实验课程,实行小班教学,目的是能够更好的掌握学生目前的实验情况,控制实验进度和解决学生遇到的一些实际问题。在整个实验过程中,实验室的主要作用就是后勤保障和监督进度,协助和督促学生完成实验。
由于实验内容和形式的变化,实验已经不能简单的通过检查实验数据来评定一个实验完成的程度,需要从多个方面进行评价。对于我们的大实验,首先会提供一套标准的测试程序,通过这些程序来检查实验结果是否正确;然后学生需要针对自己的处理器提供自测程序来体现自己设计的处理器的特点,这些测试都是需要教师或助教现场检查的,检查的同时会询问他们在设计及实现的过程中是否独立完成以及各自的分工,以便确定是否存在抄袭现象、工作量分配是否合理。对于完成较好或者有所创新的小组给与加分奖励[7],并鼓励其在实验总结课上展示自己的成果。将这些汇总然后结合实验报告及平时实验情况,就能够给出一个比较全面公平的实验评价结果。
在这种实验管理模式和评价机制下,能够很好的提高同学的积极性和对实验的整体把握程度,教师也能够掌控好实验进度和学生掌握情况,达到很好的实验效果,不过这需要教师和助教通力合作,所花费的精力也比较多。
4结语
随着实验技术的不断进步,计算机组成原理课程实验在内容和形式上已经发生了很大的变化,各个高校都有着自己的发展思路,但是大的方向是一致的,总体说来就是实验已经由验证型实验过渡到设计型实验,内容也变成了在可编程芯片上进行处理器设计,进而形成一个简单的计算机系统,可以说是计算机组成原理课程实验已经由验证计算机各部分功能逐渐过渡到设计及搭建计算机系统这一层面上。
参考文献:
[1] 王诚,刘卫东,宋佳兴. 计算机组成与设计[M]. 北京:清华大学出版社,2008:6-7.
[2] 罗克露,谭华,单立平. 计算机组成原理实验改革探索[J]. 实验科学与技术,2004(3):57-59.
[3] 郝秉华. 结合EDA 的计算机组成原理实践教学探究[J]. 内蒙古科技与经济,2009(11):103-104.
[4] 叶雪军,唐建宇,熊威. 基于EDA 的计算机硬件课程实践教学的研究[J]. 计算机教育,2007(7):90-93.
[5] David A.Patterson,John L.Hennessy. 计算机组成与设计:硬件软件接口[M]. 北京:机械工业出版社,2006:368-383.
[6] 王诚,刘卫东,宋佳兴. 计算机组成与设计实验指导[M]. 北京:清华大学出版社,2008:12-48.
[7] 马明涛. 计算机组成原理课程的实践教学方法初探[J]. 山西财经大学学报,2009(11):21.
Investigation and Research on the Experiment Teaching of Computer Organization Course
LI Shan-shan, QUAN Cheng-bin
(Lab for Computer Education, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
关键词：液压传动;实验教学;计算机技术
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）43-0254-02
一、液压传动课程的特点和实验教学现状
（一）液压传动课程的特点
液压传动课程涉及学科多，各部分内容相对较为独立，根据本专业实际，目前所授内容主要由四部分组成，即：流体力学基础知识、液压传动元件结构与工作原理、液压传动回路、液压传动典型回路分析。
从内容设置上看，流体力学基础知识部分作为整个课程的理论基础，内容较为抽象，是正确理解液压传动现象本质和进行液压传动分析的重要前提，但从知识结构上与后续液压元件结构、液压回路分析的学习没有必然联系;液压传动元件部分重点介绍各液压动力元件、执行元件、控制元件以及辅助元件的结构组成、工作原理，需要学生具有较强的三维空间想象能力，正确掌握各液压元件的内部结构组成和工作原理;液压传动回路部分需要学生具有较强的逻辑思维能力，在熟悉各液压元件图形符号及工作机理的基础上，准确分析液压油流动方向及液压元件的动作，熟练掌握液压传动基本回路组成和功能;最后液压传动典型回路分析部分则要求建立在对上述三部分内容准确理解的基础上，结合装设备的功能和动作要求，能够对典型回路工作过程进行准确分析乃至进行回路设计，要求通过学习使学生具备对典型液压系统进行分析的综合素质。
从教学目的看，通过课程学习，学生需要掌握液压传动的基本知识，具备对液压基本回路、典型液压系统进行综合分析和实验研究的初步能力，具备对装设备液压系统故障分析和排除的基本素质。
（二）实验教学现状
目前实验室所使用的是秦川机床厂生产的QCS014型液压实验台。该实验台由液压工作台框架、两台液压泵、二十几个拆装式液压元件阀板和电气控制柜组成，液压工作台框架用于布置和安装液压元件阀板，管路与阀板之间采用快换接头连接，利用液压泵、拆装式液压元件、快换接头、电气控制柜构成几种典型的功能回路，主要可用于进行演示性实验，此外学生也可在教员的指导下，根据实际需要设计简单的液压回路并进行验证。
经过多年液压传动实验教学实践，目前实验教学条件已凸显出较大的不足，主要表现在如下方面。
1.实验台为上世纪80年代设备，设备老化，且严重滞后于当前液压传动发展水平，已无法满足现阶段液压传动教学需求。
2.经过长时间使用，部分液压元件已出现零部件损坏、阀件堵塞、管路漏油严重等问题，由于年代久远，维修较困难，更换维修又代价过大，原有两台实验台目前已只有一台堪用，许多实验实际上已无法开出。
3.实验台台套数有限，且受教学时数限制，在实验实施过程中，只有部分掌握教学内容较好的学生能够动手进行操作，其他学生或因不够熟练，或因时间有限，只能在旁进行辅助，以“看”实验为主，动手机会不多，得不到必要的锻炼。
4.实验实施过程中，即使部分学生能够主动动手，但也只是按照实验指导书给出的实验步骤进行演示性验证，很少去思考为什么这样做，或者无法在现有实验条件下通过实验验证自己的想法，实验教学效果有限。
5.实验室缺乏液压流体力学和液压元件部分的相应实验设备，所开出的实验课主要针对第三部分内容，在实验授课过程中发现，由于前两部分课程内容相对较抽象，学生对相关液压流体力学的概念和液压元件的结构及工作原理的理解程度参差不齐，因此部分学生在进行实验时易处于被动地位。
二、计算机仿真技术在液压传动实验教学中的应用
由于液压设备价格昂贵，维护保养专业化要求较高，在现有条件下，引入液压教学设备比较困难，为了满足教学需求，有必要在实验教学方法和教学手段上进行改革。计算机技术近年来在教学实践中得到了广泛应用，作为实验教学的一种辅助手段，把计算机数值仿真引入液压传动的实验教学是一种弥补实验条件不足的有效手段。针对液压传动课程各部分内容的不同特点，在教学的不同阶段采用相应的计算机仿真软件进行实验教学，可大大弥补实验教学条件的不足。
根据对液压传动课程特点的分析，可知其知识点主要可分为三类，即基础理论类知识点，主要包括油液的物理特性、流体动力学、液体流动的压力损失等;结构原理类知识点，主要包括液压泵、液压执行元件、液压控制阀，以及液压辅助元件的结构组成及工作原理;逻辑动作类知识点，主要包括液压基本回路、典型液压系统回路的逻辑动作、工作原理。针对这三类知识点，可以结合不同软件的特点，设计相应的仿真实验。
针对第一类知识点，教员可利用Authorware软件或类似软件，制作交互式、多媒体课件，学生通过上机进行演示性实验。如图1所示，学生可通过类似实验，了解相关液压基础理论知识，加深对教学内容的理解。通过该类演示性实验，可在较少的课时掌握基本要点，达到与实作相同的教学效果。
针对第二类知识点，教员可利用Pro/E软件或类似CAD软件，制作液压元件的3D模型，学生可通过软件的虚拟装配和运动仿真功能，上机进行综合性实验。如图2所示，学生可通过该类实验，在计算机上了解元件的内部结构，进行液压元件装配，观察机构运动机理，从而掌握各型液压元件的结构组成、部件与部件的相对关系，以及液压元件的工作原理。通过该类实验，可大大节省实验支出，提高教学效率，激发学生的创新意识。
针对第三类知识点，教员可利用Fluidsim软件或类似软件，搭建液压回路，学生在初学阶段可根据教员提供的工作原理图，按部就班进行液压回路的建立，验证液压油路及液压元件的动作;在后阶段即可尝试自行设计回路，开展创新性实验。如图3所示，学生可通过该类虚拟实验，掌握液压回路的逻辑动作，熟悉液压回路的组成，培养学生的创新能力。
三、结束语
液压传动教学内容包括基础理论类、结构原理类，以及逻辑动作类知识点，涉及学科多、概念原理较抽象、具有较强的实践性。针对其知识结构上的特点，可充分结合目前较为成熟的计算机技术，利用各类仿真软件的特色，开展计算机辅助实验教学，以弥补目前实验教学存在的不足。从而增强学生对液压系统的感性认识，加深对课堂内容的理解，锻炼其实践动手能力，真正提高学生的创新意识，培养学生解决实际问题的能力。
参考文献：
[1]王积伟，章宏甲，黄谊.液压传动[M].第2版.北京：机械工业出版社，2006.
关键词： 计算机专业 《电子技术基础》 数字电子技术
1.《电子技术基础》课程的特点
1.1《电子技术基础》课程的地位
《电子技术基础》是计算机科学与技术专业的专业基础课程，能使学生获得电子技术方面的基本理论、基本分析方法和基本技能，对后续的课程包括《计算机组成原理》、《接口技术》、《计算机通信原理》和《计算机硬件维护》等都有很好的奠基作用。
1.2课程教学中遇到的问题
1.2.1学生对课程的认知问题
现在很多学生存在很大的误区，认为计算机专业就是学习编程的，重语言轻硬件，认为这门课程与计算机专业毫无关系。其次该门课程前导课程应该有高等数学、大学物理中的原子核结构及电路原理。本课程应在电路原理学过一学期后开设，要求学生在网络定理（如戴维南定理、叠加定理和诺顿定理等）、线流电路和暂态分析等方面具有一定的基础。但是由于我院从新的人才培养方案的角度出发，直接开设《电子技术基础》这门课程，因此学生前期相关知识的储备不够，造成学生对课程的学习感到力不从心，从内心里排斥该课程，降低学生对这门课程的认可度。
1.2.2教师对课程的设置目标不明确
几乎所有的理工类课程都会开设《电子技术基础》这门课程，担任这门课程的老师都是一个教研组的，由于教学大纲和教学计划是一起制订的，会出现不管是课程内容还是教学方法都是雷同的，更有甚者连课程习题都一样，完全没有考虑课程开设专业的不同。造成的后果是所有的学生貌似都是电类专业的，老师认为自己的知识点讲得很全很细，学生学得很累，但是又没学到什么。因为老师没有结合计算机专业的特征提取内容，学生认为学了和没学一样，对自己的专业没什么帮助。
2.解决上述问题的举措
首先为了体现课程与计算机专业之间的相关性，老师必须先找出课程与计算机专业的相关内容，主要是从构成计算机系统的部件和连接这些部件的总线结构分析。
计算机的硬件组成的核心部件有CPU，相当于人的大脑。它由运算器、控制器和寄存器组成。计算机处理的数据和程序都储存在存储器当中。因此讲清楚运算器、控制器和存储器的内部结构和工作原理，就能对计算机的硬件组成有很具体的理解。而运算器由半加器、全加器、移位寄存器等构成，这部分内容在数字电路部分都会做详细的介绍，而CPU接收的高低电平脉冲是由触发器构成的双稳态触发电路提供的。
而存储器的类型有随机存储器和只读存储器。而随机存储器又可分为静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）。SRAM就是作为计算机的主存，与CPU之间做数据交换，它是由六个MOS管组成的基本单元。只读存储器按半导体材料分为MOS型和TTL型两种。这些内容在数字电子技术中门电路和组合逻辑电路的时候都有说明。
计算机在信号处理和传输的过程中，涉及调制和解调技术。计算机处理的是数字的基带信号，而进行远距离传输时，基带信号必须搭载高频的振荡信号，这就涉及模数和数模转换的接口技术。与总线有关的电路一般有三态门、OC门、奇偶校验电路数据锁存器等，这些内容都分布模电和数电的内容里面。
还有涉及计算机的电源部分和时序系统部分，很多设备的电源都包含变压、整流、滤波稳压等电路，而时序系统包括主振荡器、时钟发生器、周期触发器等。
教师通过这些内容的梳理，可以很好地把课程和专业相结合，合理地安排教学内容。并且在讲到相关内容的时候，可以和学生举例，让学生知道这些知识点与自己的专业相关，从而增强学习动力。
其次，关于学生前期知识储备薄弱的问题，老师可在课程开始的时候安排一些自学内容，让学生课后补充知识。老师在上课的过程中尽量讲授基本理论、基本原理、方法和技术，力求叙述详细、具体，深入浅出，通俗易懂。
3.课程内容的选择
本课程分为模拟电子技术和数字电子技术两部分内容。总学时只安排54个学时，所以在内容上既要考虑计算机的相关内容，又要考虑学时的紧迫性，必须紧凑地安排教学内容。
3.1《模拟电子技术》的教学内容
《模拟电子技术》是数电的基础，也是整个电路学习的基础。特别对于计算机专业，包括计算机通信技术，多媒体技术等，如果学生对于滤波电路、采样电路、比较电路和各种信号发生电路的原理不清楚的话，就没办法真正理解后续课程的精髓。因此，在内容选择上，安排如表1所示。
对于半导体三极管及放大电路基础那部分内容，考虑到让学生能很好地了解放大电路的结构，给学生分发元器件，让学生搭建共射极放大电路，并自己调节可调变阻器的阻值，观察输出波形，由此了解三极管处于放大电路的条件。通过反馈回路的搭建，可以预先让学生观察反馈的结果，并对反馈的概念有所了解。
对于集成运算放大器部分内容，考虑到课时的问题，直接在实验室开展。给学生分发元器件，让他们搭建运算电路，通过对波形的分析，掌握各种不同运算电路的特征。
3.2数字电子技术的教学内容
对于计算机专业来说，数字电子技术课程是学习计算机组成原理和微机原理等课程的基础。考虑到计算机专业学生的学习，适当减少原理性知识内容，强调对器件功能的熟悉和应用，补充与计算机专业相关的知识点，为后续课程打好基础。比如在门电路和组合逻辑电路这一章中，由于目前CMOS门电路应用比较广泛，因此先讲CMOS门电路，再讲解TTL门电路。略去动态特性的分析，对输入输出特性做相应介绍。在组合逻辑电路的设计中，加法器和半加器的介绍可以帮助学生了解CPU运算电路的工作原理。在时序逻辑电路中，计数器、寄存器都是与计算机专业相关的主要电子部件。因此，在内容的安排上，如表2所示。
对于组合逻辑电路的设计，这部分内容安排在实验室，直接让学生设计半加器和全加器，可以添加反码和补码的内容，帮助学生了解运算器的工作原理。
对于时序逻辑电路的设计，可以安排学生直接设计计数器和寄存器，了解这些部件的工作原理。
4.结语
电子技术基础这门课程的内容广度和深度都比较高，对于学生来说，学习起来是不容易的。但是通过对课程内容的重新整合，列出与计算机专业相关的知识点，穿插在每次的教学过程中，可以提高学生的学习积极性。此外，考虑到学生自我学习能力比较强，部分内容可安排自学或者在实验室自主开展，对学生能力的提高有很大的帮助。
参考文献：
[1]秦曾煌，姜三勇.电工学（第七版）（下册）[M].北京：高等教育出版社.
[2]唐朔飞.计算机组成原理（第2版）[M].北京：高等教育出版社.
关键词：数字逻辑；系统能力；EDA；教学改革
中图分类号：G623.1 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）06-0148-02
《数字逻辑》是计算机及电子信息类专业的一门必修专业课程，是学习计算机硬件系列课程的基础，同时是一门实践性、技术性很强的基础课。随着现代数字电子技术的发展，《数字逻辑》这门课程的教学目标和教学方法也需要不断地调整变化。对于计算机专业的学生而言，学习这门课程的主要目标是为后续计算机硬件系列课程的学习奠定基础，因此，在具体教学内容方面与电子类专业的数字电子技术类课程应该有所区别。本文从计算机专业学生系统能力培养的角度来探讨《数字逻辑》课程的内容调整等教学实践中的一些问题和做法。
一、计算机系统能力培养的内涵与相关课程体系
计算机系统能力指的是对计算机系统进行分析、设计、调优和检错的能力[1]。从本科教学的角度来看，计算机系统能力培养需要包括如下内容：
1.培养学生建立起单机计算机系统（硬件+软件）的整机概念，全面理解计算机系统的层次结构，深入理解操作系统和硬件之间的分工和衔接关系；
2.理解高级语言程序与指令集结构（ISA）和操作系统之间的关系，譬如高级语言语句与具体指令的对应关系、变量（常量）在机器中的表示和存放、嵌套和递归等机制在指令级的实现、堆/栈的结构和动态存储分配机制、程序中的I/O操作和涉及到的系统调用过程等等内容。
3.理解指令在计算机硬件上的执行过程，包括算术逻辑运算部件以及运算指令执行过程、层次化存储结构（Cache、TLB、RAID等）以及访存过程、I/O结构（I/O外设和接口、BUS、网络等）以及I/O过程等。
4.理解构成计算机硬件的基本电路特性和设计方法，具体内容包括布尔代数、逻辑门电路、FPGA和HDL以及集成电路的功耗、延时等概念。
计算机系统能力培养包括计算机软硬件方面的内容，涉及到的课程有《数字逻辑》、《计算机组成原理》、《微型计算机技术》、《计算机体系结构》、《操作系统》和《编译原理》等。这些课程之间存在着紧密的内在联系，因此，需要在统一的指导思想和培养目标下，全方位系统地构建相关课程的教学内容和实验教学方案，统一规划教学内容，将计算机系统讲深讲透。
二、《数字逻辑》课程教改的几点举措
1.面向计算机系统能力培养的总体目标，在《数字逻辑》课程教学中注意培养学生的计算机整体系统观，使课程的教学更适应计算机专业的要求。从图1可以看出，《数字逻辑》这门课程在系统能力培养过程中处于基础底层，学生对于这部分内容的掌握影响后续课程的学习和对计算机系统底层硬件运行过程的理解。因此，需要在培养计算机系统能力的总体目标下，统一规划相关课程的教学内容，循序渐进地培养学生的系统能力。可以采取从底层到高层螺旋式上升的课程体系，也可以采取从高层到底层自顶向下的课程体系，还可以先从高层（应用程序与算法）和底层逻辑电路两头开始，再到中间核心层的课程体系结构。
2.注意不同课程之间的内容衔接，授课内容面向后续课程的教学，同时注意避免重复。在《数字逻辑》课程教学中，可以选用《计算机组成原理》等后续硬件类课程的内容作为电路设计案例。通过这样的案例设计，不仅巩固了课程教学内容，而且有利于后续课程的学习。由于《数字逻辑》与其它硬件系列课程如《微型计算机技术》、《计算机组成原理》、《计算机系统结构》的内容联系紧密，相互交叉，因此，需要统一规划协同相关内容，避免重复。
3.突出课程教学重点，简化但不摒弃器件原理等基础知识。《数字逻辑》课程内容的重点在于介绍器件应用和数字电路的分析和设计方法，由于受到总课时的限制，对涉及到器件工作原理和其内部电路结构的内容需要简化。但是需要注意的是，简化并不是简单地摒弃，对于课程学习中涉及到的基础知识，必须有所交代和介绍。由于计算机专业大都不开设《模拟电子技术》之类的工科基础课程，因此，学生对于分立元件及其内部工作原理知之甚少，这并不利于《数字逻辑》课程的学习。所以，在课时分配上，需要对二极管、三极管的开关特性、简单门电路的工作原理有所交代。在遴选教材时，可以选择以中规模集成电路芯片应用为主、适当兼顾器件基础知识的教材；而那些以分立元件为主、过多强调内部工作原理的教材则不太适用于计算机专业的教学。
4.充分利用EDA技术，培养学生利用硬件描述语言设计数字系统的能力，为计算机系统能力培养奠定基础。随着现代可编程逻辑器件（CPLD/FPGA）和电子设计自动化（EDA）技术的飞速发展，数字电子系统设计与实验的方式正在发生变化，越来越多的高校开始将EDA技术引入到《数字逻辑》等课程的实践教学环节[3]，用硬件描述语言等完成数字系统设计，然后由计算机将设计文件进行编译化简、综合、优化布局和仿真，最终完成逻辑编译过程，从而得到和硬件实验十分接近的最终实验结果。基于EDA技术的实验简化了传统数字逻辑设计实验在硬件连接过程中的消耗，节约了实验设备和实验时间，提高了学生的自主动手能力。在将EDA技术引入到《数字逻辑》课程的实践教学环节时，不要孤立、片面地看待问题，而是要以系统的、联系的和发展的观点进行教学，从培养现代计算机系统设计和应用能力的角度出发，全面深入地认识EDA技术对于后续课程学习和系统能力培养的重要意义。当前国内外许多一流大学已经以EDA设计知识为基础，在FPGA实验板上设计流水线CPU和I/O电路，从而全面培养学生的数字系统设计和CPU设计能力。例如，可以通过《数字逻辑》、《计算机组成原理》、《操作系统》和《编译原理》等课程的学习，逐步让学生完成一整计算机的设计，包括在FPGA实验板上独立设计CPU，完成基本的MIPS指令（多周期CPU方式），进而借助于板上SRAM，在设计完成的机器上实现操作系统和编译器。可以看出，《数字逻辑》课程重在培养学生使用HDL语言进行计算机硬件设计的能力，在此基础上可以帮助学生深入理解操作系统和硬件之间的分工与衔接关系，为分析理解操作系统功能或开发操作系统软件打下坚实基础。
《数字逻辑》是一门实践性较强的课程，随着FPGA技术和EDA技术的应用普及，数字系统的设计具有了极大的灵活性。基于硬件描述语言，在FPGA实验板可以设计验证基本逻辑门电路，进而到各种复杂程度不一的数字系统，直至在FPGA实验板设计验证完整的CPU和I/O电路，实现计算机系统硬件的设计，在此基础上可以完成计算机指令系统、操作系统和编译器的设计，使学生能够建立单机计算机系统（硬件+软件）的整机概念，全面理解计算机系统的层次结构，从而培养计算机专业学生的系统能力。但是对于计算机专业的学生而言，初学《数字逻辑》这门课程时，缺乏一些前导课程的学习，需要讲授较多的理论知识，对于硬件描述语言的学习和数字系统的设计验证则不可能在有限的实验教学时间内完成，因此，可以考虑单独设置一门数字系统设计类型的实践课程，作为《数字逻辑》和《计算机组成原理》的实践内容，在FPGA实验板上用硬件描述语言实现从简单数字系统到完整的CPU和I/O电路的设计验证，为后续能力的培养奠定坚实基础。
参考文献：
[1]袁春风.计算机组成与系统结构[M].北京：清华大学出版社，2011.
[2][美]M.Morris Mano，Charles R.Kime，著.逻辑与计算机设计基础[M].邝继顺，等，译.北京：机械工业出版社，2012.
[3]刘新元，谢柏青.改革数字逻辑电路实验培养创新人才[J].中国电力教育，2009，（134）：156-157.
[4]刘浩斌.数字电路与逻辑设计[M].北京：电子工业出版社，2007.
一、整合教学内容、改进教学方法
在我校计算机专业本科生的低年级阶段，已经选修过数据库、操作系统、计算机组成原理等课程。计算机络原理是计算机专业重要的专业必修课。在课堂教学方面，我们重点介绍计算机网络的基本知识。该课程基于Internet，目的在于让学生了解计算机网络的体系结构和工作原理。Internet是熟知的公用网络，以此网络的TCP/IP协议为模型，贴近学生生活和学习，使学生充分结合实际生活，了解基本的概念和原理。在课堂教学中，将教师的科研内容融合到教学内容中，采用研究型教学方法和传统教学方法相结合，教师教授与学生研究型探索相结合，充分调动学生自主学习的积极性，为学生发散型、创新型能力发展提供了空间。在以Internet协议TCP/IP为基础的内容中，通过学生设计web服务器、邮件服务器、根据各种路由算法亲自动手编程、配置路由器和交换机，掌握协议的工作原理及工作过程。在课时分配上，采用48学时课内讲授，16学时的实验环节，使学生充分掌握理论知识的同时，增强其亲自动手的实验能力。计算机网络需要较强的实践能力，这就要求我们课堂教学中应该与实践相结合。在学校的大力支持下，我们搭建了《计算机网络原理》课程的实验教学环境。该实验环境提供了网络实验的平台。该平台可以达到高等院校和科研机构的计算机网络的基本水平。在教学方法上，我们针对教学内容自行设计了多媒体课件，将抽象的原理和工作过程以动画的形式演示出来，增强教学效果。多媒体教学是实现提高教学质量和教学效率的有效手段。我们自行设计了Internet协议各个层次协议工作过程的flas演示，提高了学生学习的兴趣，同时使理论更加形象。如讲授HTTP协议工作原理时，把从发出网页浏览的请求到接收到所请求内容的过程，通过flash演示，将连接的建立、请求和响应的发送过程一一呈现，使得抽象的概念得以形象化，易于学生的记忆理解和掌握。把课堂讲授和自学结合起来，注重培养学生获取知识和运用知识的能力。课堂的教学活动是学生在教师引导下的师生互动的过程，学生是教学过程中知识接受的主体。因此我们在课堂教学中采用教师教授和学生讨论相结合的方法，针对难以理解的概念组织学生分组讨论，加深学生对基本概念和基本理论的理解，有助于学生在以后的设计中结合实际具体应用。同时我们自行设计编写了相关实验的教学指导书，加大了本科生网络系列课程教学的实践力度。根据学生的实际情况，由浅入深地安排了一系列实验，提高了他们的实际动手操作能力。计算机网络实验的对象和环境是一个模拟了计算机网络的系统，主要由硬件环境和运行在硬件上的软件所构成。主要由组成计算机网络的主机通过各种接入设备和网络接入介质以及网络互联设备构成计算机网络运行的硬件环境，然后由运行在主机以及终端设备上的网络操作系统、网络数据库、用户安装的各种应用系统和网络互连设备上的软件构成的软件环境的有机结合构成了计算机网络系统，完成计算机网络的各种功能和服务。我们设计的所有实验都运行在计算机网络环境下。我们设计的实验主要分为四大类：设计型实验、验证型实验、综合型实验和创新型实验。
二、精选国外优秀教材，采用双语教学
由于国外计算机技术的发展比较迅速，在网络技术方面也积累了大量的实际经验，优秀教材的选择是培育高质量高效人才的必要条件。而在国内采用的一些教材大多内容相对滞后，另外，现阶段各个高校也都在大力提倡学生阅读国外原版教材，特别是对于计算机专业的学生，通过阅读原版教材能够很快地跟踪国外最新技术发展，同时提高了英语专业阅读的能力。我校计算机网络原理课程组通过多年的实践以及搜集大量的国内外优秀教学资料，选用了大学计算机教育国外著名教材教学用书的影印版作为计算机网络课程的教学用书。在课堂教学中采用双语教学的方式，原版教材阅读和中文课堂讲解相结合，对学生阅读原版教材中较难理解的部分重点讲解，使学生充分领悟教材的内容，同时考试采用英文实体，中英文解答，考核学生对课程的理解掌握程度。四、实验环节设计实验是计算机网络的重要环节。计算机网络实验不同于其他计算机课程的实验，需要独立的实验环境。我校计算机学院配备有大型综合实验室，针对我院本科生各门课程开放实验室，除了配置了上机的相应软件环境之外，还在独立的空间配置了计算机网络实验必备的硬件设备和环境，包括有线和无线的局域网，各种交换和路由设备，为实验的开设提供了环境的支持。学生在学习了相关的理论课程之后，可以通过实验验证、设计相关的实验内容，提高实践能力。我们自行编写并设计了验证型、设计型、创新型的各种实验，巩固教学中的相关内容，在教学中配以相应的课题，解决实验中遇到的问题，提高学生的实践能力与发现问题、解决问题的能力，使学生真正能够独立完成网络工程的设计和开发。
1.实验预习。因为实验中需要了解的计算机网络基础知识多，所以预习工作非常重要，是整个实验必不可少的步骤。在预习环节中，需要学生明确试验目的，通过阅读相关资料理解并掌握实验原理，熟悉实验用到的硬件和软件环境。我们要求学生提前阅读实验指导书中的实验方法和操作步骤，并参阅相关理论和有关设备的说明书，写出预习报告。包括：实验目的、实验原理、实验环境、实验步骤和预期效果，并对可能出现的运行结果进行理论分析。
2.实验操作。进入实验室进行实验操作前，应将预习报告提交实验指导教师审查，获得实验指导教师许可后领取相应实验设备进行登记后才可进行实验操作。实验过程中，要认真观察实验结果，实验结束后，交由实验指导教师检查合格后才能结束实验。
3.实验总结。根据实验情况写出实验报告。在实验报告中，应对实验记录进行整理，对实验结果从理论加以分析归纳，对实验过程中出现的问题以及解决办法进行分析和讨论，以加深学生对所学理论知识的理解。我们设计的实验包括：实现实际应用中经常用到的各种服务器，如WEB服务器和E-MAIL服务的客户端，通过编程实现网络传输过程中实现可靠数据传输的协议，实现网络传输设备（如路由器的路由）中运行的算法，计算机网络中实际使用的交换机和路由器在网络平台下的工作过程和交换表的配置等。计算机网络原理的教改过程已经在我院持续数年，取得了良好的教学效果，在学生中得到广泛的好评。
作者：姜文红单位：北京交通大学
