應(yīng)用型本科院校《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教學(xué)改革探索

施衛(wèi)東

武漢商學(xué)院工商管理學(xué)院，湖北 武漢 430056

應(yīng)用型本科具有突出技術(shù)、突出應(yīng)用的特征，既不同于普通本科，也不同于高職高專。它強(qiáng)調(diào)“專業(yè)對(duì)接產(chǎn)業(yè)”，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，以便將來(lái)更快適應(yīng)工作崗位。

《計(jì)算機(jī)組成原理》作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程，在前導(dǎo)課和后續(xù)課之間起著承上啟下的作用。通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生可提升對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全面認(rèn)識(shí)，掌握硬件系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)能力及從硬件角度進(jìn)行軟件開發(fā)的能力，為后續(xù)的操作系統(tǒng)原理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)等專業(yè)核心課的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本文從應(yīng)用型本科高校的背景出發(fā)，結(jié)合近年來(lái)的課程教學(xué)實(shí)踐，對(duì)該課程教學(xué)中存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討并提出了改革措施。

1 計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)現(xiàn)狀

（1）《計(jì)算機(jī)組成原理》課程理論性比較強(qiáng)、概念抽象、知識(shí)點(diǎn)多。 該課程介紹計(jì)算機(jī)硬件的基本組成及各功能部件的工作原理并分析其設(shè)計(jì)方法等，不同于高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)有可視化的實(shí)現(xiàn)形式，學(xué)生很難理解那些抽象的知識(shí)點(diǎn)，因而學(xué)習(xí)難度很大。另外計(jì)算機(jī)中的運(yùn)算方法與我們?nèi)粘２捎玫倪\(yùn)算方法有很大不同，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中也比較難接受。 教師在授課過(guò)程中多采用以教師為中心的教學(xué)方法，導(dǎo)致學(xué)生參與度不高、缺少師生互動(dòng)、課堂氣氛沉悶等問(wèn)題［1］。

（2）該課程知識(shí)更新快。當(dāng)前硬件技術(shù)和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展很快，計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)大規(guī)模集成化，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)正在快速地改變?nèi)祟惖纳罘绞?。而?dāng)前普遍使用的大部分教材教學(xué)內(nèi)容與硬件發(fā)展相脫節(jié)，很多教材還在使用 74181、74182 等芯片講解運(yùn)算器，講解的顯示設(shè)備還是 CRT 顯示器［2］。教材缺乏與當(dāng)今計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展的前沿科學(xué)技術(shù)的結(jié)合，陳舊的教學(xué)內(nèi)容與快速的硬件發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情較低、缺乏求知欲望。

（3）課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)比較薄弱。在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)的相關(guān)度不高，覆蓋面不夠廣，使得學(xué)生難以理解課程的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，覺得在實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有什么收獲。目前該課程采用計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)箱完成存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、微程序控制和基本模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等硬件實(shí)驗(yàn)，其中大部分是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生按照教師所提供的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書操作，沒(méi)有充分發(fā)揮學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新思維能力，所以教學(xué)效果有限。

（4）學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)識(shí)不足，普遍存在“欺軟怕硬”的現(xiàn)象［3］。該課程的選導(dǎo)課程是數(shù)字電路，有的專業(yè)沒(méi)有開設(shè)這些選修課程，導(dǎo)致學(xué)生聽不懂，降低了對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生認(rèn)為計(jì)算機(jī)專業(yè)畢業(yè)后的主要工作就是寫程序、敲代碼，只要把高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)學(xué)好就可以了，不用關(guān)心計(jì)算機(jī)內(nèi)部各部件的基本組成和工作原理。

2 《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教學(xué)改革建議

2.1 合理安排教學(xué)內(nèi)容

應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)突出實(shí)踐、強(qiáng)化應(yīng)用。在教學(xué)內(nèi)容上，教師應(yīng)正確處理內(nèi)容先進(jìn)性與教學(xué)適用性的關(guān)系，針對(duì)應(yīng)用型本科對(duì)提升學(xué)生應(yīng)用能力的要求，定期修訂教學(xué)大綱，使教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)在技術(shù)開發(fā)、應(yīng)用與創(chuàng)新所必要的范圍，其他部分則讓學(xué)生自學(xué)或討論，不需要通篇介紹。

2.1.1 教學(xué)過(guò)程中貫穿先修后續(xù)課程相關(guān)內(nèi)容

教師在教學(xué)過(guò)程中要結(jié)合先修課程——數(shù)字電路來(lái)安排教學(xué)活動(dòng)，在介紹新知識(shí)前，先對(duì)數(shù)字電路的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行概要總結(jié)，同時(shí)講到與后續(xù)課程——嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的內(nèi)容時(shí)應(yīng)該給學(xué)生強(qiáng)調(diào)現(xiàn)在所學(xué)的內(nèi)容會(huì)在后續(xù)課程中用到，使學(xué)生在總體上了解重疊知識(shí)點(diǎn)和延續(xù)性知識(shí)點(diǎn)在各相關(guān)課程中的地位和作用［4］。

2.1.2 教學(xué)過(guò)程中傳遞新技術(shù)新應(yīng)用

教師在教學(xué)過(guò)程中完成基礎(chǔ)理論、基本原理講解的同時(shí)，還應(yīng)適當(dāng)介紹學(xué)科前沿的發(fā)展?fàn)顩r，包括新技術(shù)新應(yīng)用新產(chǎn)品。例如，在講解計(jì)算機(jī)發(fā)展與應(yīng)用部分時(shí)，可介紹生物計(jì)算機(jī)、光計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)等。在講述計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)時(shí)，可展示幾款當(dāng)前市場(chǎng)主流CPU、存儲(chǔ)器等硬件，并列出它們的性能參數(shù)，讓學(xué)生了解這些硬件的最新發(fā)展［5］。

2.2 采用多種教學(xué)方法

2.2.1 引導(dǎo)學(xué)生對(duì)課程進(jìn)行系統(tǒng)的思考

許多教師在第一次上課時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的自我介紹后就直接開始上新課，學(xué)生根本不了解學(xué)習(xí)這門課對(duì)今后工作和學(xué)習(xí)有什么作用。因此教師在第一次上課時(shí)應(yīng)向?qū)W生講解本課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)任務(wù)、選修課與后續(xù)課程的關(guān)系及學(xué)習(xí)方法，告知學(xué)生計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，在今后的物聯(lián)網(wǎng)、智能制造等就業(yè)領(lǐng)域都要用到計(jì)算機(jī)組成原理這門課程的相關(guān)知識(shí)［6］。

《計(jì)算機(jī)組成原理》在教學(xué)中大多是先從數(shù)據(jù)信息的表示開始講起，接著按運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入輸出設(shè)備的順序，逐一講解計(jì)算機(jī)中各部件。但學(xué)生學(xué)了半個(gè)學(xué)期后，可能還不知道對(duì)各個(gè)部分的學(xué)習(xí)到底有什么用，感覺每部分都比較難，直到最后才將全部的內(nèi)容連貫起來(lái)。 這種自下向上的講述方法，不易激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探求知識(shí)的熱情，也不利于形成“以學(xué)生為主”的教學(xué)方式。

因此，教師可以擺脫傳統(tǒng)的教學(xué)順序，從系統(tǒng)的角度來(lái)進(jìn)行講解，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)課程進(jìn)行系統(tǒng)的思考。教師可以先介紹計(jì)算機(jī)的基本組成和總線系統(tǒng)，讓學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的總體概況有一個(gè)初步的了解，然后再詳細(xì)介紹存儲(chǔ)器、輸入輸出系統(tǒng)、運(yùn)算器、控制器，使學(xué)生能更形象地理解計(jì)算機(jī)的基本組成和工作原理。

2.2.2 從問(wèn)題出發(fā)，采用啟發(fā)式教學(xué)

教師在教學(xué)過(guò)程中，對(duì)于每一個(gè)新的知識(shí)點(diǎn)可以采用設(shè)問(wèn)探究法，通過(guò)提問(wèn)引發(fā)學(xué)生思考，同時(shí)也起到組織教學(xué)的作用，引導(dǎo)學(xué)生將新舊知識(shí)建立聯(lián)結(jié)，并進(jìn)行思考，讓學(xué)生在傾聽與反饋中建構(gòu)新知識(shí)結(jié)構(gòu)。例如在講輸入輸出系統(tǒng)信息交換方式中的程序查詢方式、程序中斷方式時(shí)，可以先講一個(gè)例子，幼兒園老師給10 個(gè)小孩分糖吃，每個(gè)小孩分2 塊糖，要求每個(gè)小孩要把2 塊糖都吃完，可以采用什么方法分糖？第一種方法是，老師先給第一個(gè)小孩1 塊糖，守在他邊上等他吃完，然后再給他第二塊糖，接著給第二個(gè)小孩分糖，其過(guò)程與第一個(gè)小孩完全一樣，以此類推，直到第十個(gè)小孩吃完2 塊糖。這種方法和程序查詢方式類似，老師在孩子們吃糖時(shí)一直在守候，花費(fèi)了很多時(shí)間，效率很低。第二種方法是，每個(gè)小孩發(fā)一塊糖各自去吃，并告知誰(shuí)吃完第一塊糖就向老師舉手報(bào)告，再發(fā)第二塊糖。這種方法和程序中斷方式類似，提高了工作效率，老師可以在孩子們吃糖時(shí)批改作業(yè)，在收到孩子吃完糖的報(bào)告后，才停下手上的工作去處理一下。

同時(shí)，在課堂上要注意從熟悉的事物入手提出問(wèn)題，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，讓學(xué)生借助已有的知識(shí)去獲取新知識(shí)。例如講到存儲(chǔ)器中的高速緩沖存儲(chǔ)器Cache 時(shí)，教師可以讓學(xué)生思考Cache 到底在做什么。高速緩沖存儲(chǔ)器Cache 可解決主存速度與CPU 速度不匹配的問(wèn)題，從主存中讀數(shù)據(jù)肯定沒(méi)有直接從Cache 中讀取快，利用程序訪問(wèn)的局部性原理，主存可以把經(jīng)常被讀取的信息提前送到高速緩沖存儲(chǔ)器Cache 中，以后CPU 可以不直接訪問(wèn)主存，而是先與Cache 交換信息。

2.2.3 采用翻轉(zhuǎn)課堂和微課

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)將學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生。為拓寬學(xué)生的視野，提高學(xué)生解決問(wèn)題能力和創(chuàng)新能力，教師可以對(duì)課程中的一些與實(shí)際問(wèn)題相關(guān)的知識(shí)模塊采用翻轉(zhuǎn)課堂的方式處理，將其以問(wèn)題的形式拋給學(xué)生，并提供所講主題的歷史背景、相關(guān)人物、相關(guān)計(jì)算機(jī)公司、相關(guān)技術(shù)等的材料、電影、紀(jì)錄片等，讓學(xué)生們?cè)谡n后利用這些資料或借助圖書館、網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)制作課件或微課，并在課上講授。這種方式可以鼓勵(lì)學(xué)生自己學(xué)習(xí)課堂上沒(méi)有講過(guò)的內(nèi)容，使他們?cè)跐撘颇胁粩嗟孬@取給養(yǎng)，逐步學(xué)會(huì)欣賞、思考本專業(yè)、本領(lǐng)域的各種問(wèn)題，不斷提高自主學(xué)習(xí)能力［7］。

2.3 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力

計(jì)算機(jī)組成原理課程傳統(tǒng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，大部分學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)論都相同，缺乏創(chuàng)造性。對(duì)此，教師可將實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次，其中以設(shè)計(jì)應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)為主，基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為輔。同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的難度，將每次實(shí)驗(yàn)劃分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目［8］。例如，在存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)中，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是完成數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的讀寫，選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是結(jié)合之前的運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)、寄存器實(shí)驗(yàn)，完成數(shù)據(jù)取出、運(yùn)算并存儲(chǔ)的整個(gè)通路。鼓勵(lì)學(xué)生在完成基礎(chǔ)試驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上嘗試選做項(xiàng)目。對(duì)于能夠順利完成選做項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)小組，教師可以在實(shí)驗(yàn)成績(jī)上給予加分獎(jiǎng)勵(lì)并鼓勵(lì)學(xué)生分享實(shí)驗(yàn)方案。除完成課堂內(nèi)實(shí)驗(yàn)外，可以充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，將計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)室設(shè)為開放實(shí)驗(yàn)室 ，提供設(shè)計(jì)型、綜合型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)供學(xué)生自主選擇，學(xué)生可以通過(guò)預(yù)約方式到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并鼓勵(lì)學(xué)生自擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

要提高計(jì)算機(jī)組成原理的課程教學(xué)質(zhì)量，需要在理論和實(shí)踐課教學(xué)中下功夫、在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)上不斷研究和調(diào)整。要以學(xué)生為主體，努力提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展的新技術(shù)、新應(yīng)用引入教學(xué)過(guò)程中。