計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)改革的研究和探索

李東勤++徐勇++常郝

摘要：針對計(jì)算機(jī)組成原理課程的特點(diǎn)以及當(dāng)前教學(xué)過程中存在的主要問題，從教學(xué)模式、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐環(huán)節(jié)等多個(gè)方面進(jìn)行了改革探索和研究，提出了通過改進(jìn)教學(xué)模式，采用“啟發(fā)式”和“形象化”教學(xué)方法，以學(xué)生為中心，不斷更新教學(xué)內(nèi)容，提高計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)硬件的系統(tǒng)級(jí)認(rèn)知能力和創(chuàng)新思維能力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；教學(xué)方法；教學(xué)模式；實(shí)踐環(huán)節(jié)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）03-0107-02

計(jì)算機(jī)組成原理這門課是計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程之一，也是計(jì)算機(jī)專業(yè)碩士研究生入學(xué)考試的統(tǒng)考科目之一[1-2]。圖1展示了它與其他關(guān)聯(lián)課程的聯(lián)系，它的重要性是不言而喻的，但該課程卻是“教師難教，學(xué)生難學(xué)”的一門課程。

圖1 計(jì)算機(jī)組成原理與關(guān)聯(lián)課程的聯(lián)系

計(jì)算機(jī)組成原理著重講述單CPU計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)各個(gè)部件的工作原理、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)，對學(xué)生建立計(jì)算機(jī)整機(jī)概念，了解計(jì)算機(jī)的工作過程和內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制，研究各個(gè)功能部件的結(jié)構(gòu)組成及邏輯設(shè)計(jì)都有重要的指導(dǎo)價(jià)值[3]。最近，對該課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革都取得了不少的成效。例如利用多媒體和EDA等手段來輔助教學(xué)，可以大大豐富課堂教學(xué)的信息量；以flash動(dòng)畫形式將比較抽象的工作過程和原理直觀形象的展示在學(xué)生面前，使復(fù)雜問題變得簡單化和直觀化[4]。但就目前我校計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)現(xiàn)狀而言，教學(xué)效果并不容樂觀，不管是理論教學(xué)還是實(shí)驗(yàn)教學(xué)都存在很多問題。如何有效提高和改善該課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出具有扎實(shí)理論知識(shí)和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)綜合人才是擺在我們課程組面前的一項(xiàng)艱巨而繁重的任務(wù)。

1 理論和實(shí)踐教學(xué)中存在的主要問題

1.1 基礎(chǔ)要求高，課程內(nèi)容繁雜

對于大多數(shù)同學(xué)來說，他們剛接觸到計(jì)算機(jī)組成原理這門課程時(shí)，因?yàn)閷τ?jì)算機(jī)內(nèi)部工作原理和運(yùn)行機(jī)制充滿了好奇，所以學(xué)習(xí)勁頭十足。但是，隨著學(xué)習(xí)的進(jìn)行，需要學(xué)生具備一定的模擬電子技術(shù)、數(shù)字電路、匯編語言等知識(shí)，學(xué)生對這些相關(guān)課程的知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)時(shí)掌握的就不夠牢固，基礎(chǔ)相對薄弱，更談不上能夠靈活運(yùn)用了。另外，計(jì)算機(jī)組成原理課程本身內(nèi)容就比較多，包括運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備等五大功能部件，而且每一功能部件的工作原理和設(shè)計(jì)思路完全不同，且涉及的知識(shí)面廣、內(nèi)容難度較大、概念也比較抽象，由于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺乏對所學(xué)知識(shí)的直觀型驗(yàn)證方法，感覺知識(shí)點(diǎn)艱澀難懂，無法建立計(jì)算機(jī)單機(jī)系統(tǒng)的整體認(rèn)識(shí)。因此，學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較費(fèi)勁，對課程慢慢地失去了學(xué)習(xí)的興趣和激情，從而形成了“學(xué)習(xí)時(shí)似懂非懂，考試時(shí)死記硬背，考完后一切全忘”[5]的惡果。

在實(shí)際課堂教學(xué)過程中，基本上是以教師為中心，也就是教師在講臺(tái)上講，講得很是陶醉，學(xué)生坐在下面聽。一方面，有少數(shù)學(xué)生根本就沒有認(rèn)真聽，他們只是人來而心沒來。另外一方面就算學(xué)生聽了，這種方法也無法幫助學(xué)生搭建他們自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，他們往往只是采用表層的學(xué)習(xí)方法來記住教師所傳授的知識(shí)點(diǎn)，并不能靈活的運(yùn)用它們，更談不上融會(huì)貫通了。另外，由于受課時(shí)量的限制，教師只是忙著趕課時(shí)，忙著將知識(shí)點(diǎn)趕快講完，因此在課堂教學(xué)中互動(dòng)很少甚至沒有，致使很多學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的一些問題不能得到及時(shí)的解決，逐漸就形成了一個(gè)惡性循環(huán)，學(xué)生不懂的越多聽課就越困難，越困難就越不愿意聽，更懶得問問題了，或者說是沒有問題可問了，極大地扼殺了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

1.2 實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱

實(shí)踐教學(xué)在計(jì)算機(jī)組成原理的整個(gè)課程教學(xué)中有著非常重要的作用，它是對理論教學(xué)必不可少的補(bǔ)充環(huán)節(jié)[6]。由于該課程理論性較強(qiáng)、涉及的內(nèi)容比較多、概念及原理又比較抽象，致使學(xué)生學(xué)習(xí)和理解上的困難。通過動(dòng)手實(shí)踐操作、驗(yàn)證、設(shè)計(jì)和觀察結(jié)果能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和熱情，讓學(xué)生能夠真正理解和掌握理論課程中涉及的計(jì)算機(jī)各部件構(gòu)造及其工作原理、設(shè)計(jì)方法。目前，我校計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)是采用專用實(shí)驗(yàn)箱TDN-CM++來完成的，具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)、存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)、控制器實(shí)驗(yàn)、總線實(shí)驗(yàn)等各部件實(shí)驗(yàn)以及簡單的模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師給出實(shí)驗(yàn)要求、連線圖及步驟，學(xué)生只要按老師給出的連線圖進(jìn)行連線并按照實(shí)驗(yàn)步驟撥動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱上的相應(yīng)控制開關(guān)，觀察信號(hào)燈顯示情況就可以完成實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)原理學(xué)生有時(shí)并不能完全理解，更是缺乏對實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行分析和解決能力。另外，我校計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課基本上是兩至三個(gè)學(xué)生共用一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱。具體是由其中一個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé)連線和操作，其他學(xué)生只做簡單的配合工作，更有甚者在旁觀看或是玩手機(jī)。以上諸多問題導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣下降，動(dòng)手能力較差，更談不上準(zhǔn)確地分析問題和解決問題。

2 課程教學(xué)改革的探索和實(shí)踐

多年來，為了提高計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生能夠具備扎實(shí)的理論知識(shí)，同時(shí)擁有較強(qiáng)的動(dòng)手實(shí)踐能力，具備一定的創(chuàng)新思維能力，我從多個(gè)方面對計(jì)算機(jī)組成原理的理論和實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了積極的研究和實(shí)踐。

2.1 擴(kuò)充新知識(shí)提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

計(jì)算機(jī)學(xué)科發(fā)展極其迅速，尤其是硬件的更新?lián)Q代更是日益頻繁。因此，教師在實(shí)際課堂教學(xué)過程中，在突出重點(diǎn)知識(shí)的同時(shí)可以讓學(xué)生了解一些最新的前沿動(dòng)態(tài)和硬件成果，這樣一方面可以極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣，另外還可以增加他們學(xué)習(xí)的動(dòng)力，幫助他們明確今后學(xué)習(xí)和努力的方向。

2.2 改進(jìn)教學(xué)模式，優(yōu)化教學(xué)方法

計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)的工作過程，理解各個(gè)功能部件的工作原理、設(shè)計(jì)方法，建立整機(jī)概念[7]。該課程最大的特點(diǎn)就是內(nèi)容較多、知識(shí)面較廣、概念比較抽象、難度較大。如果我們還是采用傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)模式，硬性地將知識(shí)點(diǎn)灌輸給學(xué)生，并不能達(dá)到課程的教學(xué)目的，我們更應(yīng)該給學(xué)生傳授的是學(xué)習(xí)這門課的思想和方法，也就是教會(huì)學(xué)生如何學(xué)好這門課，即一種學(xué)習(xí)的思想、一種學(xué)習(xí)的方法。首先，我們應(yīng)該調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓他們克服那種畏懼心理，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。因?yàn)椤耙覍W(xué)”和“我要學(xué)”是完全不同的兩種學(xué)習(xí)態(tài)度。這種積極性的調(diào)動(dòng)一方面靠老師的正確引導(dǎo)，讓學(xué)生對學(xué)習(xí)充滿興趣，能夠樂于學(xué)習(xí)，從學(xué)習(xí)中感知快樂和成功；另一方面靠老師講清楚該課程的地位和作用，同時(shí)一定要有一個(gè)引人入勝的開頭，即讓學(xué)生對該課程充滿好奇心和求知欲。其次，我們應(yīng)該教會(huì)學(xué)生如何去學(xué)習(xí)這門課。在整個(gè)課程的學(xué)習(xí)過程中要有質(zhì)疑的精神，即能夠不斷提出問題，進(jìn)而分析問題、解決問題，從而加深對知識(shí)點(diǎn)的理解和融會(huì)貫通，不斷培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和計(jì)算機(jī)思維方式。

好的教學(xué)模式必須要有行之有效的教學(xué)方法作為支撐。教師的教學(xué)方法直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)方法。目前，對于計(jì)算機(jī)組成原理這門課，我校仍然采用以教師為中心的教學(xué)方法，這種方法雖然可以使學(xué)生快速獲得對該課程知識(shí)點(diǎn)的理解，但卻不能幫助學(xué)生搭建自己的知識(shí)框架和結(jié)構(gòu)，他們往往只是采用表層的學(xué)習(xí)方法來記住教師所講授的知識(shí)點(diǎn)，而不能靈活的運(yùn)用這些知識(shí)點(diǎn)，更談不上融會(huì)貫通。針對計(jì)算機(jī)組成原理課程的內(nèi)容和特點(diǎn)，作者認(rèn)為我們應(yīng)該改善教學(xué)方法，可以采用“啟發(fā)式”和“形象化”相結(jié)合的教學(xué)方法。所謂“啟發(fā)式”教學(xué)就是教師通過課堂提問和適當(dāng)引導(dǎo)，讓學(xué)生理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容，并提高他們分析問題和解決實(shí)際問題的能力。比如在講解控制器之前，可以引導(dǎo)學(xué)生去思考，機(jī)器指令究竟是如何執(zhí)行的，執(zhí)行過程中的每一個(gè)操作控制信號(hào)是如何產(chǎn)生的呢？可以讓學(xué)生帶著這個(gè)問題繼續(xù)下面微程序控制器工作原理的學(xué)習(xí)。所謂“形象化”教學(xué)方法，主要是針對計(jì)算機(jī)組成原理課程中艱澀難懂的概念、原理等，通過借用生活中比較通俗易懂的例子，讓學(xué)生通過類比去理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。例如，教師在講到內(nèi)存和cache的地址映射問題時(shí)，可以將全校的全體學(xué)生比作內(nèi)存塊，而將學(xué)校的閱覽室比作cache。全體學(xué)生的數(shù)量是明顯多余閱覽室中座位的數(shù)量。在全相聯(lián)映射中，映射規(guī)則就是任何一個(gè)學(xué)生可以坐到閱覽室中的任何一個(gè)座位上，只要這個(gè)座位是空的，相聯(lián)存儲(chǔ)器CAM可以看著閱覽室門口的登記表。再比如在講解總線定時(shí)方式時(shí)，可將其比作4*100接力賽，是采用同步定時(shí)還是異步定時(shí)看具體情況。

2.3 搭建微信平臺(tái)，分享教學(xué)資源

隨著智能手機(jī)的普及，現(xiàn)在所有的學(xué)生幾乎是人手一部，而且都有微信號(hào)，基于這個(gè)現(xiàn)狀，我們可以考慮創(chuàng)建一個(gè)計(jì)算機(jī)組成原理課程學(xué)習(xí)的微信平臺(tái)，共享學(xué)習(xí)資源，讓學(xué)生可以隨時(shí)隨地訪問該課程資源，隨時(shí)隨地進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。在該平臺(tái)上教師可以公布與計(jì)算機(jī)組成原理課程相關(guān)的所有資源，包括理論資源和實(shí)驗(yàn)資源，讓學(xué)生及時(shí)了解你的課程進(jìn)度安排、教學(xué)計(jì)劃等相關(guān)內(nèi)容。另外，通過微信平臺(tái)，教師還可以提供全天候的在線答疑，避免學(xué)生學(xué)習(xí)過程中問題的累積。通過該平臺(tái)還可以建立相關(guān)知識(shí)的鏈接，最大程度地?cái)U(kuò)大教學(xué)空間，讓更多的學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)能夠更好地進(jìn)行學(xué)習(xí)，更加靈活學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理這門課。

2.4 實(shí)踐環(huán)節(jié)

計(jì)算機(jī)組成原理這門課程對實(shí)驗(yàn)要求比較高，實(shí)踐教學(xué)對深化理論教學(xué)、促進(jìn)學(xué)生更加深入理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)具有非常重要的作用，也是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、工作能力和創(chuàng)新意識(shí)的重要途徑[8] 。針對目前我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的弊端和問題，作者提出了兩點(diǎn)改革建議。一是加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課堂的管理，要求學(xué)生做好實(shí)驗(yàn)課前的預(yù)習(xí)和課后的總結(jié)，預(yù)習(xí)不好的不讓進(jìn)實(shí)驗(yàn)課堂。在實(shí)驗(yàn)過程中，老師可以針對具體實(shí)驗(yàn)提不同的問題，將學(xué)生的回答情況作為實(shí)驗(yàn)考核的一部分。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中還可以通過小組之間的互相提問和回答加深對該實(shí)驗(yàn)原理和操作的理解。二是增加實(shí)驗(yàn)課時(shí)，即增加計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)，具體可將課程設(shè)計(jì)安排在緊隨課程開設(shè)學(xué)期之后的假期中。通過課程設(shè)計(jì)，讓學(xué)生完成一個(gè)綜合的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，比如復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計(jì)，可以8條指令為例。學(xué)生分組合作完成，最終可以答辯和實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式提交結(jié)果。這樣既能使學(xué)生加深對理論知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，提升學(xué)生硬件設(shè)計(jì)能力，又能培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來分析和解決實(shí)際問題的能力。

3 結(jié)束語

計(jì)算機(jī)組成原理作為計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的核心課程，面 （下轉(zhuǎn)第113頁）

（上接第108頁）

臨諸多問題。本文針對該課程在理論和實(shí)踐教學(xué)過程中存在的主要問題，從教學(xué)模式、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行了改革研究和探討，提出在教學(xué)中結(jié)合最新進(jìn)展擴(kuò)充教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)模式，優(yōu)化教學(xué)方法，以提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。但要從根本上解決問題，還需各方面的共同努力，必須大力提高任課教師的教學(xué)和設(shè)計(jì)開發(fā)能力，以提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力為首要任務(wù)，才能培養(yǎng)出全面發(fā)展的綜合性人才；同時(shí)需要對培養(yǎng)體系和培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行合理的定位，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)發(fā)展的需求。

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