基于Blending—Learning的“計(jì)算機(jī)組成原理”

柏靜 陳莉 孫建彬 蘇強(qiáng)強(qiáng)

摘要：針對計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)特點(diǎn)，分析傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題，提出采用。Blending-Learning理念的分層次教學(xué)模式和教學(xué)方法，闡述如何通過B/S架構(gòu)的輔助教學(xué)系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的以教師為中心的教學(xué)和學(xué)生的自主學(xué)習(xí)融為一體：激發(fā)學(xué)生興趣，獲得最佳的學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；Blending-Learning；分層次教學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)

背景

計(jì)算機(jī)組成原理是高等學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的核心課程之一，也是非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)技術(shù)的一門專業(yè)選修課程。該課程的主要目的是讓學(xué)生全面地了解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，熟悉計(jì)算機(jī)的工作原理，掌握系統(tǒng)中各大部件的組成原理、邏輯實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)方法及互聯(lián)構(gòu)成整機(jī)的技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生對硬件系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)、使用和維護(hù)方面的能力。

近年來，伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展，個(gè)人計(jì)算機(jī)、PAD、手機(jī)成為每位學(xué)生的必備生活用品，各類教育者為增強(qiáng)學(xué)生的課余學(xué)習(xí)熱情，將“課堂教學(xué)—課后作業(yè)”的傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式逐漸發(fā)展成為“在線自主學(xué)習(xí)—課堂教學(xué)—在線作業(yè)一延伸學(xué)習(xí)”的現(xiàn)代混合式教學(xué)模式。其中，如何針對課程特點(diǎn)，展示課程特色，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和能動(dòng)性，是混合式教學(xué)模式的關(guān)鍵所在。因此，筆者針對該課程的基本概念較多、理論性強(qiáng)、比較抽象以及在部分高校缺乏實(shí)驗(yàn)課程等特點(diǎn)，提出采用Blending-Learning理念的分層次教學(xué)模式和靈活多樣的教學(xué)方法，主張通過交流、協(xié)作進(jìn)行學(xué)習(xí)和探索，以課上基礎(chǔ)理論教學(xué)為主，通過B/S架構(gòu)的輔助教學(xué)系統(tǒng)，課下根據(jù)不同的層次自主學(xué)習(xí)為輔，一方面可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，鍛煉學(xué)習(xí)能力：另一方面可以增強(qiáng)教學(xué)的實(shí)效性。

2Blending-Learning下的分層次教學(xué)

Blending-Learning是課上與課下、線上與線下的有機(jī)結(jié)合，因此教師在構(gòu)建計(jì)算機(jī)組成原理混合式教學(xué)平臺(tái)時(shí)，首先應(yīng)該考慮施教的主體一學(xué)生的具體情況。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和掌握基礎(chǔ)的不同，可以劃分為4個(gè)層次——基礎(chǔ)較差的學(xué)生、中等學(xué)生、優(yōu)秀學(xué)生和考研的學(xué)生，對這4個(gè)層次分別展開教學(xué)。教師在課上講授該課程時(shí)，根據(jù)不同的層次開展教學(xué)，而課后學(xué)生根據(jù)老師課堂上的不同要求進(jìn)行在線自主學(xué)習(xí)。

對于基礎(chǔ)較差的學(xué)生，由于各種原因，這類學(xué)生往往對于課上講授的內(nèi)容不能理解的很透徹，需要通過課上及時(shí)補(bǔ)充所缺少的知識(shí)結(jié)構(gòu)或者課后交流來彌補(bǔ)。比如，在講授運(yùn)算器的工作原理時(shí)，教師可以快速復(fù)習(xí)一下數(shù)字邏輯電路中關(guān)于加法器的結(jié)構(gòu)和原理；講授主存芯片和CPU的連接時(shí)，也會(huì)對譯碼器的工作過程作簡單的回顧。課后再要求這部分學(xué)生對相關(guān)課程的基礎(chǔ)內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)，盡量融匯計(jì)算機(jī)學(xué)科的其他課程知識(shí)。在作業(yè)的布置上，主要是強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)知識(shí)的訓(xùn)練，以必做題為主；因?yàn)楸刈鲱}都是授課中最重要、最基本的內(nèi)容，是必須完成的作業(yè)部分。另外，再布置一些變換思維的選做題，要求這部分學(xué)生盡其所能去理解；而提高題是專門針對優(yōu)秀學(xué)生的能力培養(yǎng)素材，一般超出了課程教學(xué)要求的內(nèi)容；所以就不做具體的要求。

優(yōu)秀的學(xué)生對授課內(nèi)容能主動(dòng)學(xué)習(xí)，并且由于基礎(chǔ)好、理解能力也較強(qiáng)。在這個(gè)層次的教學(xué)安排，教師通過給這些學(xué)生額外再提出一些要求和建議，布置一些提高的作業(yè)題，比如讓學(xué)生分析高級(jí)語言的數(shù)據(jù)類型在機(jī)器中的實(shí)際表示和存儲(chǔ)，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考如何合理使用高級(jí)語言數(shù)據(jù)類型。再如，分析計(jì)算機(jī)中高速緩沖存儲(chǔ)器的影響時(shí)，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考如何讓程序有更好的空間局部性和時(shí)間局部性，使學(xué)生意識(shí)到改進(jìn)程序效率的方法不僅僅是算法的效率，程序代碼一樣是重要的。教師還可以要求學(xué)生從網(wǎng)上搜索或者閱讀參考書來了解一些最新的技術(shù)等，比如CPU多核等。

中等的學(xué)生介于以上兩者之間。教師除了在課上強(qiáng)調(diào)對重點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)之外，還可以在作業(yè)的布置上通過必做題來鞏固這類學(xué)生所學(xué)的知識(shí)，通過理解選做題和了解提高題來提升知識(shí)。

該課程一般是開設(shè)在大三的下學(xué)期，學(xué)生們經(jīng)過兩年多的大學(xué)生活和學(xué)習(xí)，已經(jīng)對自己的學(xué)習(xí)目的，就業(yè)設(shè)想和規(guī)劃有了比較清楚的認(rèn)識(shí)；有一部分學(xué)生有計(jì)劃進(jìn)入到研究生階段的學(xué)習(xí)，而該課程是計(jì)算機(jī)考研統(tǒng)考的課程之一；所以這個(gè)層次的教學(xué)安排，除了在課上按照教學(xué)大綱的要求完成教學(xué)以外，教師還可以根據(jù)考研大綱制作重點(diǎn)知識(shí)分析的課件；按照計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)課程的考試大綱，收集大量的參考書中的習(xí)題、歷年各個(gè)重點(diǎn)高校的考研真題，以及最近幾年計(jì)算機(jī)考研統(tǒng)考電的真題。教師把這些資料提供給考研的學(xué)生，并在學(xué)期末找課外的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)一的指導(dǎo)和典型考題的講解；并通過課后交流的方式進(jìn)行基礎(chǔ)較差學(xué)生的指導(dǎo)。

3多樣化的教學(xué)方法

在該課程的課上教學(xué)中，教師可以充分發(fā)揮多媒體這一廣泛使用的教學(xué)手段，以便通過實(shí)物照片、結(jié)構(gòu)原理圖和文字信息等，生動(dòng)、形象地將計(jì)算機(jī)各部件組成的基本概念和工作原理闡述清楚。在此基礎(chǔ)生教師還可以通過設(shè)計(jì)與開發(fā)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作的仿真與動(dòng)畫軟件，將學(xué)生不易理解的復(fù)雜、抽象的問題簡單化、形象化。例如，筆者所在的教師團(tuán)隊(duì)用Flash軟件設(shè)計(jì)了Cache工作過程的小動(dòng)畫，通過該動(dòng)畫，學(xué)生可以形象、直觀地看到Cache內(nèi)部的地址映射機(jī)構(gòu)、替換機(jī)構(gòu)和總線等器件是如何交互工作，實(shí)現(xiàn)不需要任何程序員的管理，靠硬件來完成CPU和Cache之間的訪問過程。在采用多媒體教學(xué)的同時(shí)，教師還可以注重采用實(shí)例教學(xué)、類比教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)和對比教學(xué)等多種教學(xué)方法的靈活應(yīng)用。

3.1實(shí)例教學(xué)

例如，在講述IEEE754標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)數(shù)時(shí)，通過舉例將一個(gè)任意數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)數(shù)或者反轉(zhuǎn)換，就能使學(xué)生明白用高級(jí)語言定義的浮點(diǎn)數(shù)是如何在計(jì)算機(jī)中表示的，同時(shí)還可以在舉例過程中對整數(shù)部分和小數(shù)部分的進(jìn)制轉(zhuǎn)換，以及浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍和表示精度進(jìn)行講解和歸納，使學(xué)生對其他關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)加深印象。所以，上課時(shí)通過一些實(shí)例，學(xué)生能很快地了解和掌握所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，尤其是對一些計(jì)算性很強(qiáng)的知識(shí)，還可以掌握其中的一些計(jì)算技巧。

3.2類比教學(xué)

如果上課時(shí)采用類比教學(xué)，則能讓一些抽象的不容易理解的概念變得生動(dòng)形象，使學(xué)生更容易牢固掌握。例如，在第一章講解主存儲(chǔ)器概述時(shí)，涉及一些存儲(chǔ)地址、存儲(chǔ)單元和存儲(chǔ)元件這樣的概念，學(xué)生可能是第一次接觸到，覺得比較抽象也容易混淆。講解時(shí)可將主存儲(chǔ)器比作一棟大樓，存儲(chǔ)單元對應(yīng)于樓里的房間，而房間號(hào)就比作是存儲(chǔ)地址，房間里的床位對應(yīng)于存儲(chǔ)元。這樣，一連串的知識(shí)概念都可以很形象具體地用類比的方式講解清楚。

3.3啟發(fā)式教學(xué)

在課上采用啟發(fā)式教學(xué)方法在各個(gè)章節(jié)提出適當(dāng)?shù)膯栴}，可以引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)地去學(xué)習(xí)，例如在講授指令流水線這一節(jié)課前，可以安排學(xué)生去思考前面所學(xué)的計(jì)算機(jī)部件中有哪些提高速度的方法，CPU是否可以借用這些方法來提高速度。通過這種方式一方面可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面通過自己思索得到的知識(shí)掌握起來也更加印象深刻。

3.4對比教學(xué)

在教學(xué)中通過進(jìn)行橫向和縱向的知識(shí)點(diǎn)對比，可以引導(dǎo)學(xué)生將知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通。所謂橫向，是指通過聯(lián)系和比較章節(jié)與章節(jié)之間的內(nèi)容來實(shí)現(xiàn)對知識(shí)點(diǎn)的理解。比如在系統(tǒng)總線這一章中介紹了總線的判優(yōu)方式，而在輸入輸出系統(tǒng)這一章中要介紹DMA接口與系統(tǒng)的連接方式，而DMA接口是總線的主模塊，所以它的連接實(shí)際上就是總線判優(yōu)方式的應(yīng)用實(shí)例。這樣學(xué)生在對以前知識(shí)點(diǎn)回憶的基礎(chǔ)上再來掌握新的知識(shí)就不難了。所謂縱向，是指通過各章自身內(nèi)容的對比來理解知識(shí)點(diǎn)。比如在計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法這一章中，浮點(diǎn)數(shù)是一個(gè)學(xué)習(xí)難點(diǎn)。而定點(diǎn)數(shù)學(xué)生比較容易掌握。但實(shí)際上兩者是緊密聯(lián)系的，浮點(diǎn)數(shù)就是定點(diǎn)數(shù)的一個(gè)綜合應(yīng)用，浮點(diǎn)數(shù)的階碼就是定點(diǎn)整數(shù)，浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)就是定點(diǎn)小數(shù)，所以以定點(diǎn)數(shù)的內(nèi)容為基礎(chǔ)，學(xué)生就比較容易地理解浮點(diǎn)數(shù)的表示和運(yùn)算等知識(shí)點(diǎn)了?？傊?jì)算機(jī)組成原理課程的知識(shí)點(diǎn)雖然多，但它們不是孤立存在的，而是之間有著千絲萬縷的聯(lián)系，所以在講授課程時(shí)提醒學(xué)生注意，引導(dǎo)學(xué)生自己學(xué)會(huì)聯(lián)系和比較，這樣在學(xué)習(xí)的過程中就不再覺得枯燥乏味，難以理解了。

4Blending-Learning教學(xué)系統(tǒng)

4.1系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在前面分層次教學(xué)模式和教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，筆者所在的教師團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)Blending-Learning.教學(xué)系統(tǒng)，見圖1。本系統(tǒng)按照教學(xué)需求分析，劃分為教學(xué)模塊、虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K、信息查詢模塊和用戶信息模塊：其中，教學(xué)模塊是對課程教學(xué)的一個(gè)補(bǔ)充，包括教學(xué)視頻和教學(xué)課件兩個(gè)部分。教學(xué)視頻可以對各個(gè)章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充聽課或者預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)，教學(xué)課件可以用于瀏覽或者重點(diǎn)查看所學(xué)的內(nèi)容；虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K用來模擬實(shí)物芯片和各個(gè)部件功能的實(shí)驗(yàn)過程；用戶信息模塊可以對用戶情況進(jìn)行管理；信息查詢模塊可以查詢實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的相關(guān)信息，監(jiān)督學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況。

4.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，采用一當(dāng)前流行的MVC設(shè)計(jì)模式，和當(dāng)前技術(shù)比較成熟的SSH開源框架來實(shí)現(xiàn)。其中，虛擬教學(xué)模塊由教學(xué)視頻和教學(xué)課件等構(gòu)成在教學(xué)視頻上。學(xué)生可以按照章節(jié)來觀看授課視頻學(xué)習(xí)，完成一定的作業(yè)，或者下載課件等其他電子資料，并且將疑難問題留言交流。虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K由芯片實(shí)驗(yàn)、模塊實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)構(gòu)成，完成從硬件底層對芯片的操作后，可以看到計(jì)算機(jī)內(nèi)部的運(yùn)行方式，然后用芯片組成基本模塊單元，從而逐步上升至整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如圖2所示。在教學(xué)過程中，教師通過建議學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)來提高開發(fā)實(shí)踐能力，增強(qiáng)學(xué)生對硬件系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)，理解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中各大部件的組成原理、邏輯實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)方法及互連構(gòu)成整機(jī)的技術(shù)。

5結(jié)語

在計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)的教學(xué)活動(dòng)中，通過Blending-Learning理念下的分層次教學(xué)、多樣化的教學(xué)方法和輔助教學(xué)系統(tǒng)，既發(fā)揮了教師引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)過程的主導(dǎo)作用，又充分體現(xiàn)了學(xué)生作為學(xué)習(xí)過程主體的主動(dòng)性、積極性與創(chuàng)造性。在下一步計(jì)劃中，將根據(jù)學(xué)生的使用體驗(yàn)和課程學(xué)習(xí)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)兩方面，來進(jìn)一步完善輔助教學(xué)系統(tǒng)，并在小班試點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行全面推廣。