计算机组成原理教学中培养学生解决复杂工程问题能力的探索

来源:用户上传      作者:

　　摘要：工程教育认证强调培养学生解决复杂工程问题的能力。本文以计算机组成原理课程中主存容量扩展知识点为例，首先进行了复杂工程问题的特征分析，然后从问题分析、教学方法、设计与改进以及考核评价四个方面讨论以解决复杂工程问题能力为导向的教学组织与安排。文章面向培养解决复杂工程能力所进行的教学探索对提升人才培养质量具有重要作用。
　　关键词：计算机组成原理;复杂工程问题;工程教育认证
　　中图分类号：G642 文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2019）35-0172-02
　　2006年我国开始工程教育专业认证工作，它以工程教育国际接轨为突破口，通过强化内涵发展提升质量，在促进更新教育观念、建立标准意识和强化质量意识方面起到了重要作用[1]。2015年，中国工程教育认证协会发布了《工程教育认证标准（2015版）》。《工程教育认证标准（2015版）》所提出的12条毕业要求中有8条毕业要求共9次提到复杂工程问题，分别是工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究、使用现代工具、工程与社会、环境与可持续发展、沟通[2]。
　　计算机组成原理课程是计算机科学与技术、软件工程等专业的一门专业必修课，主要讲解计算机硬件的工作原理和设计方案。培养解决复杂工程问题的能力需要分解、落实到课程教学等人才培养的各个环节。选取课程教学大纲中运算器设计、中断系统设计、存储器设计等一些具有复杂工程问题特征的课题作为理论教学的重难点，是在教学中培养学生分析、解决复杂工程问题能力的一条有效途径。主存容量扩展课题作为存储器一章的重难点内容，具有综合性、应用性较强的特点，本文选取这一课题阐述面向培养学生解决复杂工程问题能力的教学探索思路。
　　1 复杂工程问题的特征分析
　　《工程教育认证标准（2015版）》中所提到的“复杂工程问题”必须具备下述特征（1），同时具备下述特征（2）一（7）的部分或全部：（1）必须运用深入的工程原理，经过分析才可能得到解决;（2）涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突;（3）需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性;（4）不是仅靠常用方法就可以完全解决的;（5）问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业工程实践的标准和规范中;（6）问题相关各方利益不完全一致;（7）具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题[3]。
　　本文阐述的主存容量扩展具备复杂工程问题特征的第（1）、（2）、（7）条，具体分析如下：
　　（1）主存容量扩展的设计需要学生运用CPU对内存进行读写操作的工作原理、数字电路、系统总线的特性等理论知识，分析内存分配、内存芯片的组织、芯片引脚与系统总线的连接才可能得到解决。
　　（2）主存容量扩展涉及内存、主板、系统总线和CPU等多个硬部件。主存容量扩展的设计方案有位扩展、字扩展和字位扩展三种，在实际应用场景中该主要考虑哪些因素、选择何种方案都对扩展后的内存性能有着直接的影响。
　　（3）主存容量扩展包含内存芯片引脚结构、系统总线的构成与工作特性、内存的读写操作、内存容量分配4个相互关联的子问题，具有较高的综合性。
　　2 复杂工程问题能力培养的教学实践
　　2.1问题分析
　　根据问题场景首先需要分析内存容量与芯片容量的关系以选定扩展方案，如果芯片的存储单元字长不能满足内存容量需求则应该采用位扩展方案;若是内存芯片的存储单元个数不能满足内存容量需求则采用字扩展方案;如果内存芯片的存储单元个数和存储单元字长两方面均不能满足内存容量需求则采用字位扩展方案。在确定扩展方案后需要分析芯片的地址引脚、数据引脚和控制引脚以及系统总线的构成，再设计内存芯片与CPU引脚的连接图，最后分析CPU对内存的读写工作。
　　2.2教学方法
　　为了让学生更好地掌握理解该部分内容，在授课过程中主要采用案例教学、对分课堂和线上线下混合式教学等教学方法。针对主存容量扩展的三种扩展方案选取三个项目案例，结合案例对比分析三种主存容量扩展方案分别适用的问题场景及特点。采用对分教学将课堂时间一半交由教师讲授理论知识重难点，一半交由学生结合项目案例进行分组讨论交流，各小组代表讲解项目设计方案，通过分组汇报教师能够及时根据学生对知识的掌握情况进行答疑解惑[4]。学生可以通过该课程的网络教学平台随时随地查看学习资源、发起问题讨论、在线自我测评，线上教学的开展对培养学生的自主学习能力具有重要意义。
　　2.3设计与改进
　　主存容量扩展技术是由多片存储芯片组织在一起构成指定容量的存储器，在根据问题场景确定扩展方案后需要设计存储芯片的组织连接图。存储芯片与CPU芯片连接时，要特别注意芯片与芯片之间的数据引脚、地址引脚、控制引脚的连接。CPU芯片的读/写引脚通常可直接与存储芯片的读/写控制引脚相连。存储芯片的片选引脚CS的连接是CPU与存储芯片正确工作的关键，CS与CPU的访存控制信号MREQ和CPU地址线的位数有关，当CPU的地址线多于存储芯片的地址线时，将未连接在存储芯片地址引脚上的CPU地址线高位和MREQ-起用于生成片选信号CS。存储芯片的数据引脚与CPU的数据线相连，当存储芯片的存储单元字长小于CPU数据线的数目时需要对芯片扩位[5]。
　　2.4考核评价
　　计算机组成原理课程通过平时考核、实验考核及期末考试三部分综合评价学生对课程核心知识的掌握情况，以及运用计算机组成原理知识解决相关复杂工程问题的能力。主存容量扩展部分的平时成绩主要由学生在对分课堂上的课堂表现和网络课程学习情况两部分构成;实验考核成绩则由内存扩展实验课上实验方案的设计、实验完成度和实验报告三部分构成。注重在教学过程中进行全程化、多形式的考核，强调对学生认知过程和解决复杂工程问题能力形成进行评价[6]。
　　3 结束语
　　工程教育认证对复杂工程问题提出了明确要求，本科工科教育可以基本定位在解决复杂工程问题[1]。本文面向工程认证，围绕培养学生解决复杂工程问题的能力，对计算机组成原理课程所涉及的主存容量扩展这一复杂工程问题的理论教学组织与考核评价进行教学探索。教学实践表明，在课程教学中积极挖掘并合理利用课程中隐含的具有复杂工程问题特征的课题对培养、提升学生解决复杂工程问题的能力具有积极作用。
　　参考文献：
　　[1]蒋宗礼.本科工程教育：聚焦学生解决复杂工程问题能力的培养[J].中国大学教学，2016（11）：27-30.
　　[2]赵鹏.聚焦复杂工程问题的软件工程专业建设探索——以安徽大学软件工程专业为例[J].高教学刊，2019（15）：22-23+27.
　　[3]中国工程教育认证协会.工程教育认证通用标准[S].http：//ceeaa.heec.edu.cn/coloumn.php？cid=17
　　[4]寧菲菲，李真.“对分课堂”教学模式在计算机组成原理教学中的应用[J].电脑知识与技术，2018，14（04）：96-97.
　　[5]唐朔飞.计算机组成原理第二版[M].北京：高等教育出版社，2008.
　　[6]黄岚，吕春利，史银雪，等.面向工程认证的计算机组成原理课程建设探索[J].教育教学论坛，2018（12）：260-262.
　　【通联编辑：王力】
　　收稿日期：2019-09-10
　　作者简介：宁菲菲（1985-），女，河南省平顶山人，讲师，硕士，主要研究方向为自然语言处理、机器学习;李鹏辉（1999-），男，河南省平顶山人，平顶山学院2018级软件工程专业学生。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15123276.htm