拒絕平庸 打造精品

早在1990年，我就開始對計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)進(jìn)行改革。當(dāng)時國家對精品課程的重視程度不如現(xiàn)在，教學(xué)工作一向是吃力不討好。但我憑著對教學(xué)工作的熱愛，進(jìn)行了一系列大膽的改革。我打破以往學(xué)生抄黑板做筆記的傳統(tǒng)模式，嘗試用幻燈片教學(xué)，并把教案打印出來分發(fā)給學(xué)生，大大提高了教學(xué)效率，收到了很好的教學(xué)效果。1992年，我負(fù)責(zé)開發(fā)出了國內(nèi)第一套計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的多媒體CAI課件(含30個動畫)，在清華大學(xué)、北京大學(xué)、北航等全國近20所高校獲得應(yīng)用。當(dāng)時的開發(fā)沒有得到經(jīng)費支持，我就利用科研項目結(jié)題后剩余的經(jīng)費來支持CAI課件的開發(fā)。

針對學(xué)生習(xí)慣按自底向上的方式思考問題的現(xiàn)狀，結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的定位，我特別強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生從總體和系統(tǒng)的角度來分析和解決問題的能力、自主創(chuàng)新能力和抽象思維能力。學(xué)生既要有系統(tǒng)的觀點，把握全局，又要有層次的概念，分而治之。每當(dāng)?shù)谝淮握n時，我總是用自己的成長經(jīng)歷和從事科學(xué)研究的經(jīng)驗體會作為例子，給學(xué)生作一個“從總體的角度看問題，全面提高自己的綜合能力”的報告。用生動的事例打動和感染學(xué)生，講解如何提高自己的生存和競爭能力、自學(xué)能力、創(chuàng)新能力以及人文素質(zhì)等。我強(qiáng)調(diào)要拒絕平庸，要有充分的主動性，要竭盡全力等，給學(xué)生留下深刻的印象。第一次課往往是教學(xué)中最重要的一課。

計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一門比較難講的課程，不僅概念多，而且許多內(nèi)容比較抽象，難以理解。經(jīng)過20年的教學(xué)實踐和摸索，我總結(jié)出了一套非常適合于該課程的教學(xué)方法，包括動畫解析教學(xué)法、關(guān)聯(lián)類比法、自頂向下逐層展開法、Learning by Abstracting、Learning by Teaching等。

動畫解析教學(xué)法是用大量生動、易懂的簡單動畫，逐步、細(xì)致地解析和講解教學(xué)內(nèi)容，把動態(tài)的教學(xué)過程呈現(xiàn)在學(xué)習(xí)者眼前。它與普通的多媒體教學(xué)不同，強(qiáng)調(diào)采用大量動畫解析教學(xué)內(nèi)容，呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者動態(tài)的教學(xué)過程，而不是靜態(tài)的教學(xué)材料。我精心設(shè)計和負(fù)責(zé)開發(fā)了200多個動畫，這些動畫把抽象、枯燥的說教變?yōu)樾蜗笊鷦拥膭討B(tài)展示和講解，作用也由以往的“被動”查詢上升到“主動”講授，活躍了課堂氣氛，增加了學(xué)習(xí)趣味性；課后學(xué)生自主學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)，寓教于樂，有效地提高了教學(xué)效率，取得了良好的教學(xué)效果。包含這些動畫的課件已經(jīng)在50多所學(xué)校中得到了應(yīng)用，得到了廣大師生和有關(guān)同行專家的高度評價。

關(guān)聯(lián)類比法是把該課程中的一些概念、設(shè)計策略和思想與現(xiàn)實生活中的生動事例進(jìn)行關(guān)聯(lián)和類比。例如：

Cache映象算法——閱覽室位置分配問題

所有位置都可以隨便坐，還是每個人只有一個位置可以坐？如果所有位置可以隨便坐(相當(dāng)于全相聯(lián)映象Cache)，當(dāng)要找一個人時，就要逐個詢問或廣播找人(開銷很大)；而如果只有一個位置可以坐(相當(dāng)于直接映象Cache)，找人時只要到相應(yīng)的位置去詢問即可。在緊急時，甚至可以拽著這個人往外跑，邊跑邊問他是否為所要找的人。對應(yīng)于計算機(jī)中，就是把可能要找的數(shù)據(jù)先送給CPU，然后再根據(jù)比較結(jié)果向CPU報告剛才是否找對了數(shù)據(jù)。這就是前瞻執(zhí)行。

替換算法——官位替換問題

若來了一位新官，要替換掉一位老官，誰下？

抽簽？輪流坐莊？看過去的業(yè)績？(隨機(jī)法、FIFO、LRU)

大概率事件優(yōu)先——好鋼用在刀刃上

流水線技術(shù)——工業(yè)生產(chǎn)流水線

局部性原理——Windows 桌面(把最近常用的程序拖到桌面上)，衣柜(不同季節(jié)放的是不同的服裝)。

Amdahl定律——要有全局觀念，通盤考慮

自頂向下逐層展開法是按照層次結(jié)構(gòu)來組織教學(xué)內(nèi)容，采用“黑匣子”的概念自頂向下、從整體到局部逐層展開；抽象學(xué)習(xí)法是要求學(xué)生根據(jù)具體實例提煉概念和思想，這與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是從系統(tǒng)這一級來研究計算機(jī)相吻合。

我很重視教材的建設(shè)，因為教材質(zhì)量直接影響著課程質(zhì)量。我們編寫的《計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》教材(高等教育出版社出版)被列為“面向21世紀(jì)課程教材”和“十五”國家級規(guī)劃教材，該教材于2002年獲全國普通高等學(xué)校優(yōu)秀教材二等獎，已被中國科技大學(xué)、浙江大學(xué)、國防科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等多所大學(xué)采用。在近半年的時間里，我們對國內(nèi)外比較重要的十多本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材進(jìn)行了對比分析，提出了更系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)體系，并在此基礎(chǔ)上編寫了面向重點大學(xué)的更全面的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材——《計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》新教材，該書已于五月份出版，是“十一五”國家級規(guī)劃教材。

計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的實踐教學(xué)在國內(nèi)一直是一個難題，很多學(xué)校想開設(shè)實驗卻沒能開出，主要原因是做系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗的硬件復(fù)雜、成本高，而且不見得采用了硬件就能達(dá)到好效果。我們認(rèn)為，該課程強(qiáng)調(diào)從系統(tǒng)級的層次來研究計算機(jī)系統(tǒng)，因此可以不必都在專門的硬件平臺上做實驗，在虛擬機(jī)上做實驗和進(jìn)行軟件模擬也可以達(dá)到目的，而且可以節(jié)省實驗室的投入，靈活性也比較大。在實驗中，學(xué)生可以改變機(jī)器的結(jié)構(gòu)和組成，改變所采用的方法，編寫和加載不同的負(fù)載程序，執(zhí)行程序跟蹤和觀察機(jī)器的工作情況，并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和性能分析。國外已有的幾個模擬器使用效果比較差，我們目前正在開發(fā)自己的模擬器。

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精品課程的建設(shè)過程中，我們打破了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，采用了以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的“雙主模式”，這種模式把以“學(xué)”為中心的教學(xué)設(shè)計理論和以“教”為中心的教學(xué)設(shè)計理論相結(jié)合，既突出了學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的作用，也充分發(fā)揮了教師的主導(dǎo)作用。

我們提出并采用了三個1/3的新模式，把自主學(xué)習(xí)和專題研究學(xué)習(xí)放在了與課堂講授同等重要的位置上，三者并舉：

啟發(fā)式課堂講授：1/3(占總時間的1/3)

自主學(xué)習(xí)：1/3

專題研究學(xué)習(xí)：1/3

我們建設(shè)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的精品課程網(wǎng)站：www.GotoSchool.net。該網(wǎng)站是目前全國同類課程中最好的。