計算機組成原理與溯源教學(xué)法探索

李仲生 黃美玲

摘 ? ?要： 文章針對計算機組成原理課程知識點多、覆蓋面寬、抽象性強等特點，根據(jù)實際生源情況，引入溯源法，通過回溯探求化繁為簡、串知識成鏈的路子，并以存儲器教學(xué)為例，系統(tǒng)地給出溯源法教學(xué)的層層推進過程。課堂教學(xué)證實：此法有助于消除學(xué)生的畏難情緒，強化學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞： 計算機組成原理 ? ?溯源法 ? ?存儲器 ? ?教學(xué)探索

計算機組成原理是計算機科學(xué)與技術(shù)及相其關(guān)專業(yè)的專業(yè)骨干課程，它一方面以模擬電路、數(shù)字邏輯電路、匯編語言等課程為基礎(chǔ)，另一方面是操作系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等課程的基礎(chǔ)，從指令的硬件實現(xiàn)角度對計算機的部件如總線、存儲器、CPU、輸入輸出設(shè)備、計算機的運算、指令的譯碼控制等展開論述，知識點多，覆蓋面寬，抽象性強，是學(xué)生易生畏難心理的課程之一。

為消除學(xué)生的這種畏難心理，眾多研究者對計算機組成原理課程教學(xué)作了探索。王前莉[1]從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式與動手能力培養(yǎng)等方面對計算機組成原理課程教學(xué)作了討論;李紹強[2]針對民辦院校計算機組成原理教學(xué)存在的問題，設(shè)計了一種課程教學(xué)過程和實驗方法;王昊[3]針對計算機組成原理教學(xué)提出“提問式教學(xué)模式”、“啟發(fā)式教學(xué)模式”和“連接式教學(xué)模式”三種教學(xué)模式。這些文獻從整體視角對計算機組成原理教學(xué)給出了一些可資借鑒的方法，但未系統(tǒng)涉及內(nèi)容細節(jié)，為以簡潔流暢的方式組織教學(xué)內(nèi)容細節(jié)，下文引入溯源教學(xué)法，以存儲器為例探索溯源教學(xué)法的課堂實施。

1.溯源法教學(xué)

溯源最初源于進化論。進化論認為萬物不是憑空出現(xiàn)的，而是有源的，比如人由類人猿進化面來、源于受精卵。通常來說，源頭總比當(dāng)前狀態(tài)簡單、易于理解，比如受精卵就比胎兒簡單，胎兒比幼兒簡單，等等。概言之，溯源，能建立一種由簡到繁的遞推鏈，能加深人們對萬物的客觀存在性的認識，引導(dǎo)人們以辯證唯物觀分析問題，建立具體印象。

鑒于溯源法的化繁為簡、化抽象為具體的這些強化存在性的能力，在教育領(lǐng)域已有應(yīng)用。比如語言類教學(xué)中，利用此法探尋文字的源頭、演變史、文化相關(guān)性，對知識點建立完整的知識鏈，讓“知其然”的學(xué)習(xí)者“知其所以然”。在線教育網(wǎng)站三好網(wǎng)認為“溯源法具有雙向追溯的特性，既能夠由表及里深入剖析，追根溯源，也能由內(nèi)而外，對可能出現(xiàn)的問題和錯誤進行預(yù)判，因而有效地解決問題”[4]，基于這一理念，可在學(xué)習(xí)過程中根據(jù)學(xué)習(xí)者出現(xiàn)的問題的表象，追溯學(xué)習(xí)者的本源知識結(jié)構(gòu)，找到讓學(xué)習(xí)者快速、有效理解知識點的解決方案。

計算機組成原理之所以給學(xué)生帶來困惑，是因為它本身的抽象性和復(fù)雜性。抽象性讓學(xué)生難以建立對知識點的客觀存在感，使學(xué)生的知識點如浮水之萍，無處生根，這種情況的不斷積累，會導(dǎo)致學(xué)生最終不知老師所云，學(xué)習(xí)興趣全消。復(fù)雜性源于知識點的多樣性，計算機組成原理基于匯編語言、模擬電路和數(shù)字邏輯路，各類知識交融，說千頭萬緒也不為過。為降低計算機組成原理課程的這種抽象性和復(fù)雜性，溯源法是一個可選方案：找其知識點根源，降低復(fù)雜性;形成知識鏈，強化知識的客觀存在性，削弱抽象性。下文以存儲器講解為例，說明溯源法在教學(xué)中的具體實施。

2.溯源教學(xué)在存儲器教學(xué)中的具體實施

知識都有其固有脈絡(luò)，順著脈絡(luò)，可溯其根源、自然成鏈，有根有據(jù)、形成思路的知識，會讓學(xué)生接受起來更輕松。存儲器作為計算機的一個重要部件，其知識結(jié)構(gòu)的嚴謹性更加明顯，下文模仿實際課堂，闡述溯源法在存儲器教學(xué)中的應(yīng)用。

首先，簡述馮·諾以曼結(jié)構(gòu)，明確存儲器在計算機中的地位。接下來，逆向溯源，步步切近知識的本質(zhì)內(nèi)容，化抽象為具體，形成知識鏈。提問：“存儲器用來作什么？”學(xué)生回答：“存放數(shù)據(jù)?！睆娀骸按娣胖噶詈蛿?shù)據(jù)。計算機存放的是幾進制數(shù)據(jù)？”學(xué)生答：“二進制。”引導(dǎo)：“二進制有兩個數(shù)碼，分別是0和1，存儲器用什么存放它們？”學(xué)生的反應(yīng)是多樣的，有些無語，有些說數(shù)字邏輯電路，有些說鎖存器，等等，此時加以引導(dǎo)：“如同旅館有一間間房子一樣，存儲器中有單元電路，每個單元電路負責(zé)一位數(shù)據(jù)的存放。請同學(xué)們想想，在現(xiàn)實生活中，有什么東西可幫你用電荷存放一位數(shù)據(jù)？”學(xué)生開始猜測，注意控制氣氛，然后給出答案：“電池。如果把一節(jié)電池有電時看成1，沒電時看成0，它就實現(xiàn)了一位數(shù)據(jù)的存放?！庇袑W(xué)生恍然大悟，有學(xué)生笑，有學(xué)生反問：“這和存儲器有什么關(guān)系？”答：“動態(tài)存儲器的單元電路中的核心元件就是電容，與電池存放數(shù)據(jù)的原理一致。通常地，我們把八個這樣的單元電路集成在一起，形成一個字節(jié)，請同學(xué)們想想，為什么是八個呢？”有學(xué)生回答：“規(guī)定的?！绷⒓醋穯枺骸皯{什么規(guī)定的？”這還要理由？學(xué)生迷惑，此時解釋：“和ASC碼有關(guān)，此碼中包括34個控制字符在內(nèi)，共有128個字符。同學(xué)們想想，如果有128位同學(xué)，從0開始連續(xù)編學(xué)號，每個同學(xué)的學(xué)號唯一，需要多少個學(xué)號？”“0-127，共128個?！薄昂?！再請同學(xué)們想想，如果用二進制來表示這些學(xué)號，則需要多少位？”“7位?！薄皩?。要編碼出128個不同的字符，需要7位二進制位。為了檢測數(shù)據(jù)傳送時的正誤，ASC碼在7位數(shù)碼的基礎(chǔ)上，還要加一位奇偶檢驗位，即構(gòu)成8位二進制數(shù)字，形成一個字節(jié)。同學(xué)們聯(lián)想一下，如果采用漢字設(shè)計計算機，由你來確定多少個單元電路組合到一起，你會采用多少位？”答：“16位。”“1個字節(jié)8位，存儲器按字節(jié)編址，請計算一下，210位等于多少個字節(jié)？”“除以8，27個字節(jié)。”“要譯碼出這些字節(jié)，至少需要多少根地址線？”“7位。”“如果采用8位地址，能完成多大的存儲體譯碼？”“256個字節(jié)的存儲休?！薄昂茫堄嬎愕刂窞?2的字節(jié)的二進制地址?！睂W(xué)生的計算結(jié)果列為表1。

“請同學(xué)們根據(jù)結(jié)果想一想，如果將256個字節(jié)分組，16個字節(jié)一組，這個地址屬于第幾組？”“從0起計數(shù)的第2組?！薄皩?，也就是說，將8位地址劃開，低4位是組內(nèi)地址，高4位組號。為什么組內(nèi)地址用4位呢？”“因為一個組內(nèi)共16個字節(jié)?！薄皩?。256個字節(jié)共分成了16個組，這16個組的組內(nèi)地址全相同，對不對？”“對?！薄安煌谀?？”“組號?！薄罢_！如果我用高3位地址作組號，能將它們分成幾組？每組多大？”“8組，低5位為組內(nèi)地址，每組32個字節(jié)?！薄罢_！……”

在完成以上溯源后，即可把一些知識點比如內(nèi)存字擴展、Cache—主存地址映射等歸結(jié)為地址的劃分問題。表2、表3、表4為Cache—主存地址映射中的主存地址劃分。

以上劃分，直觀地凸顯出三種映射方式的異同。

3.結(jié)語

上文對溯源法進行了探討，并以計算機組成原理課程的存儲器教學(xué)為例對溯源法的應(yīng)用作示例分析。進一步的工作，將考慮將溯源法與啟發(fā)式教學(xué)、連接式教學(xué)、類比式教學(xué)等教學(xué)模式深度結(jié)合，探尋更高效的教學(xué)方式。

參考文獻：

[1]王前莉.創(chuàng)新素質(zhì)教育下的計算機組成原理教學(xué)改革研究[J].考試周刊，2010，9：9-10.

[2]李紹強.民辦院校計算機組成原理教學(xué)現(xiàn)狀分析及解決對策.考試周刊，2011，37：131-132.

[3]王昊.計算機組成原理教學(xué)改革與實踐.遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2015，17（3）：1-4.

[4]陳鳳英.“溯源法”—三好網(wǎng)因材施教的方法論[EB/OL].[2015-7-16].http：//u.zp.china.com.cn/news-17625-1.html.

基金項目：湖南省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題（項目號：XJK015BXX007）