新工科背景下计算机组成原理课程层次化实践教学模式探索

一、新工科背景下系统能力培养的新内涵

新工科语境下的“系统能力”被赋予了更丰富的内涵，它要求学生不仅能够理解单机系统的硬件组成与指令执行流程，还应具备以下能力：

软硬件协同设计与优化能力：能够从系统整体性能出发，理解软硬件之间的权衡，具备在硬件逻辑设计、指令集设计、系统软件等不同层次进行协同设计与优化的初步能力。

应对复杂性与不确定性的能力：够处理由规模、并发、可靠性等带来的系统复杂性，并具备在资源约束下解决开放性工程问题的能力。

创新与集成能力：够基于现有技术组件，进行创新性集成或设计，以应对新兴应用场景的挑战。

工具使用与工程实现能力：熟练使用现代 EDA 工具进行建模、仿真、调试和实现，遵循规范的工程开发流程。

二、层次化实践教学模式的构建

针对上述问题，我们提出以“系统能力培养”为核心，构建一个由浅入深、由局部到整体、层层递进的“三层次”实践教学模式。

（一）总体设计思路

该模式的核心理念是“建构主义”和“做中学”。通过设计一系列目标明确、难度递增的实践项目，引导学生在主动建构知识体系的过程中，逐步深化对计算机系统的理解，并同步提升工程实践能力。

（二）各层次的具体内容与实施

层次一：基础验证层——夯实基础，熟悉工具

第一层次实践教学的核心目标是夯实数字逻辑基础，使学生建立硬件思维并掌握现代 EDA 设计流程。学生将从环境搭建起步，系统学习使用Vivado/Quartus 等工业级工具，完整经历创建工程、代码编写、行为仿真、管脚分配至比特流下载的 FPGA 开发全流程，从而形成对硬件描述语言设计方法的整体认知。

教学内容遵循渐进原则，从组合逻辑电路（多路选择器、译码器、加法器）到时序逻辑电路（寄存器、移位寄存器、计数器）逐层推进，重点帮助学生理解时钟同步机制。最终通过设计 8 位 ALU 和寄存器堆等核心部件，完成知识整合，并运用测试平台和波形分析进行功能验证。

本层次强调规范训练与独立实践。教师通过提供标准化模板和代码框架进行引导，着重培养学生的代码规范意识、测试激励编写能力和仿真分析能力。这种引导与规范并重的模式，旨在使初学者扎实掌握硬件设计的基本功，为后续系统级设计奠定坚实基础。

层次二：系统设计层——集成整合，构建系统

第二层次教学聚焦于引导学生实现从独立模块到完整系统的能力跃迁，核心任务是设计并实现一个具备指令执行能力的简易 CPU。通过小组协作形式，学生将经历指令集架构定义、数据通路构建、控制单元设计以及系统集成调试四个关键环节，深刻理解计算机指令执行的全过程，从而打通软硬件之间的界限。

具体实施分为三个阶段：首先师生共同商定一套精简指令集，确立软硬件交互的 " 契约 "；随后学生基于此设计数据通路，整合ALU、寄存器堆等已有模块，并新增程序计数器、存储器等部件；最后完成控制单元开发，生成精确的控制信号序列。在系统集成阶段，学生需要将各模块连接成完整 CPU，并通过编写测试程序、进行仿真与板级调试来验证其正确性。

在此过程中，教师角色转变为指导者，鼓励学生自主解决技术难题，并通过定期组织阶段性讨论会促进经验交流。这种教学模式不仅培养了学生的系统设计能力，更显著提升了其工程实践水平、问题解决能力和团队协作精神，为后续复杂系统开发奠定坚实基础。

层次三：综合创新层——拓展应用，激发创新

第三层次面向学有余力且具备探索精神的学生，搭建了一个开放式的创新实践平台。本阶段突破传统实验框架，设置性能优化、功能扩展、软硬件协同及跨界应用等多个研究方向，旨在引导学生综合运用前期所学知识，突破技术边界，培养其系统级创新能力和解决复杂工程问题的素养。

在课题实施层面，学生以第二层次自主设计的 CPU 为基础展开深度探索。可选择通过实现流水线架构来提升处理器性能，并深入解决相关冒险问题；或通过增加中断机制、扩展指令集来完善CPU功能；还可尝试移植精简操作系统内核，实现软硬件协同开发；更有挑战性的方向是将自研CPU作为硬件加速模块，与主流处理器架构进行集成，开展面向特定应用的协同计算研究。

本层次采用项目制与导师制相结合的教学模式。学生自由组建团队选择研究方向，在指导教师带领下完成从立项论证、方案设计到系统实现的全过程。考核方式以项目验收答辩和系统演示为核心，并积极推动优秀成果与 " 大创项目 "、" 龙芯杯 " 等学科竞赛对接，形成以科研训练促进创新能力提升的良性循环机制。

三、教学实践效果与反思

该层次化实践教学模式在我校计算机学院进行了两轮试点教学，取得了初步成效：

学生学习主动性和兴趣显著提升：特别是系统设计层，学生为了“让我的 CPU 跑起来”，表现出极大的热情和钻研精神，课余时间在实验室的人数明显增加。

系统理解深度明显增强：课程结束后，学生对指令执行、中断处理、流水线等核心概念的理解远超往届学生。在后续操作系统课程的学习中，表现出更强的知识迁移能力。

工程实践与创新能力得到锻炼：学生普遍掌握了基于 HDL 和FPGA 的现代数字系统设计流程，调试能力和解决问题的能力显著提高。部分优秀学生团队在“龙芯杯”等竞赛中取得了优异成绩。

挑战与反思：该模式对学生的学习投入度和教师的教学投入度都提出了更高要求。如何平衡广度与深度、如何对大规模班级进行有效分组指导、如何设计更科学的组内贡献度评价机制，仍是需要持续探索和改进的问题。

四、结语

在新工科建设浪潮中，强化学生的系统能力培养是计算机专业教学改革的重中之重。本文针对计算机组成原理课程传统实践教学的不足，提出的“基础验证- 系统设计- 综合创新”三层次实践教学模式，通过分层递进的项目驱动，将抽象的理论知识与具体的工程实践紧密结合，有效激发了学生的学习内驱力，系统地培养了学生的硬件设计能力、系统集成能力和创新思维能力。

参考文献

[1] 郭萍，庄伟，许小龙 . 人工智能驱动下的计算机组成原理课程实验教学创新 [J]. 计算机教育，2025(09).

[2] 崔永利，朱素霞，曲中水等 . OBE 理念下计算机组成原理虚拟仿真实践教学研究[J]. 实验室科学，2025(08).

[3] 童飞，沈卓炜，陈立全 . 基于标尺流水的“计算机组成原理”教学实践 [J]. 电气电子教学学报，2025, 47(07).

[4] 曲冠南，刘雪洁，王康平等. 计算机硬件系统层次化实验教学方案设计与实践 [J]. 计算机教育，2025(05).

[5] 苗茹，周珂，杨阳等 . 系统能力导向下的计算机类专业实践教学改革研究 [J]. 工业和信息化教育，2025(04).

[6] 杨磊，司国东，王春桃等 . 基于认知负荷理论的计算机组成原理实验教学设计与应用[J]. 实验室研究与探索，2025, 44(01).

基金项目：

1. 集宁师范学院智慧课程建设 : 计算机组成原理知识图谱课程建设

2. 教育部产学合作协同育人项目 : 大数据背景下基于虚拟仿真的计算机系统师资培训研究（231107020163040）

蔡红梅（1973-），女，汉族，内蒙古土默特左旗人，硕士研究生，教授，从事计算机应用、计算机控制研究。