新工科背景下的“計(jì)算機(jī)組成原理”多元化教學(xué)模式研究

賈惠珍， 王同罕， 王 強(qiáng)， 趙美麗， 趙 丹

(東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013)

為提高教學(xué)效果，各任課教師根據(jù)教學(xué)實(shí)際所出現(xiàn)的問題提出了很多教學(xué)改革的方法[1-10]?，F(xiàn)結(jié)合東華理工大學(xué)軟件學(xué)院的實(shí)際情況，在認(rèn)真分析目前教學(xué)中所面臨問題的基礎(chǔ)上，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段和實(shí)踐教學(xué)等方面提出一種多元教學(xué)模式。

1 教學(xué)中所面臨的問題

東華理工大學(xué)軟件學(xué)院是為適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整以及軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)人才的迫切需要于2002年創(chuàng)辦的。堅(jiān)持以面向需求、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、質(zhì)量第一為根本宗旨，實(shí)行“專業(yè)教育學(xué)分制、素質(zhì)教學(xué)學(xué)苑式、產(chǎn)學(xué)研一體化”的辦學(xué)模式，具有自己的辦學(xué)特色，其課程設(shè)置和教學(xué)要求亦有別于其他工科類院校。從“計(jì)算機(jī)組成原理”課程來看，該課程存在著其他高校教學(xué)中普遍存在的“學(xué)生難學(xué)，老師難教”的現(xiàn)象，究其原因主要有以下幾點(diǎn)。

1.1 理論性強(qiáng)，基本概念抽象，涉及知識(shí)面廣，信息量大

本課程主要以馮·諾依曼計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，圍繞運(yùn)算器—存儲(chǔ)器—控制器—輸入設(shè)備—輸出設(shè)備五大硬件設(shè)備展開講解其構(gòu)成及工作原理，知識(shí)點(diǎn)涉及面廣，內(nèi)容相對(duì)抽象。比如講述CPU(中央處理器)這一章，先介紹CPU的功能及內(nèi)部構(gòu)成，然后講述如何取指令并執(zhí)行指令，這些均需要學(xué)生具有一定硬件基礎(chǔ)，熟悉CPU內(nèi)部的各寄存器與運(yùn)算器控制器的連接關(guān)系以及CPU與存儲(chǔ)器的連接，才能聽懂指令的執(zhí)行過程。

1.2 先導(dǎo)課程的基礎(chǔ)薄弱

數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)組成原理最為重要的先導(dǎo)課程，但由于軟件學(xué)院定位是主要培養(yǎng)軟件方面人才偏重于軟件學(xué)習(xí)，因此對(duì)模擬電路、數(shù)字邏輯等硬件課程沒有設(shè)置。而所選擇白中英主編的《計(jì)算機(jī)組成原理》里面涉及較多的先導(dǎo)硬件知識(shí)，導(dǎo)致學(xué)生看不懂、理解不透進(jìn)而畏學(xué)。

1.3 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題層出不窮

軟件學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)是采用唐都儀器實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)主要通過連接線操作，由于實(shí)驗(yàn)箱電路由通用集成電路組成，因此硬件動(dòng)作是不可見的，導(dǎo)致理論教學(xué)中使用的電路與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的電路不能直接對(duì)應(yīng)。又由于實(shí)驗(yàn)儀器元件老化、損壞以及連接線接觸不良等問題，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成功率不高。同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)箱的功能難以擴(kuò)展，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)比較固定且大部分是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，無法進(jìn)行有創(chuàng)新性或綜合性較強(qiáng)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，所有這些問題導(dǎo)致學(xué)生很難通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)來加深對(duì)理論知識(shí)的理解[1，2]。

1.4 學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高

由于就業(yè)需求大部分是軟件方面，導(dǎo)致學(xué)生“重軟輕硬”，又由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)日益專業(yè)化、復(fù)雜化，故一般的技術(shù)人員很少涉及底層硬件的研究和設(shè)計(jì)，導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理作用不大。同時(shí)隨著游戲機(jī)、電腦、手機(jī)等電子產(chǎn)品的廣泛普及，導(dǎo)致學(xué)生沉迷于游戲、網(wǎng)絡(luò)交流，進(jìn)而上課注意力不集中，私下玩手機(jī)、打游戲甚至逃課現(xiàn)象嚴(yán)重。

1.5 學(xué)生消化課堂內(nèi)容的時(shí)間不夠充裕

由于軟件學(xué)院實(shí)行大四全年進(jìn)行校外實(shí)習(xí)，所有的課程均在三年內(nèi)學(xué)完，學(xué)生每學(xué)期所學(xué)課目較多，導(dǎo)致所學(xué)的知識(shí)沒有充裕的時(shí)間來消化，進(jìn)而使得教學(xué)效果不佳。

2 教學(xué)改革

結(jié)合教學(xué)過程中所面臨的問題和課程特色及目標(biāo)，提出一種多元化教學(xué)模式，擬在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段以及實(shí)踐教學(xué)等方面進(jìn)行改革。

2.1 教學(xué)內(nèi)容知識(shí)融合

(1)精選教材。白中英主編的《計(jì)算機(jī)組成原理》和唐朔飛主編的《計(jì)算機(jī)組成原理》教材均是“十二五”規(guī)劃教材，是全國(guó)計(jì)算機(jī)專業(yè)碩士研究生入學(xué)考試規(guī)定教材。選擇教學(xué)內(nèi)容跟得上當(dāng)今形勢(shì)，反映最新發(fā)展動(dòng)態(tài)和最新技術(shù)知識(shí)的優(yōu)秀教材作為課程教材。

(2)注重內(nèi)容更新。根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)展的最新趨勢(shì)，適當(dāng)補(bǔ)充當(dāng)前最新技術(shù)的發(fā)展情況和新型元器件的介紹，以提高學(xué)生的興趣，讓學(xué)生既學(xué)習(xí)理論知識(shí)，又開闊視野。

(3)注重課程交叉。數(shù)字邏輯是計(jì)算機(jī)原理的先導(dǎo)課程，是硬件設(shè)備賴以工作的基礎(chǔ)，因此在開授“計(jì)算機(jī)組成原理”之前先補(bǔ)授數(shù)字邏輯基礎(chǔ)知識(shí)，以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)硬件理解。操作系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ)上管理軟件和硬件的系統(tǒng)軟件，使用戶方便高效可靠的操縱計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)在設(shè)計(jì)層面上為操作系統(tǒng)提供了支持，因此在講授時(shí)可以穿插一些操作系統(tǒng)知識(shí)。教學(xué)中注重多課程知識(shí)融合，通過各學(xué)科在教學(xué)內(nèi)容、知識(shí)背景、實(shí)踐應(yīng)用等方面相互交叉滲透，使學(xué)生感知新知識(shí)，進(jìn)而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

2.2 教學(xué)方法的多樣化

興趣是推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣，能夠使他們?cè)谝欢ǔ潭壬献杂X認(rèn)真地學(xué)習(xí)[5]，然后根據(jù)具體內(nèi)容靈活地采用不同的教學(xué)方法來提高教學(xué)質(zhì)量[6，8，9]。

(1) 啟發(fā)式教學(xué)法。 啟發(fā)式教學(xué)，就是根據(jù)教學(xué)目的、內(nèi)容、學(xué)生的知識(shí)水平和知識(shí)規(guī)律，運(yùn)用各種教學(xué)手段，采用啟發(fā)誘導(dǎo)辦法傳授知識(shí)、培養(yǎng)能力，使學(xué)生積極主動(dòng)學(xué)習(xí)，以促進(jìn)身心發(fā)展。由于該門課程的知識(shí)相對(duì)比較抽象枯燥，故學(xué)生在學(xué)習(xí)的時(shí)候會(huì)感覺難懂。因此，在講授的時(shí)采用此法主要通過比喻、實(shí)例以及基本常識(shí)，啟發(fā)學(xué)生去體會(huì)計(jì)算機(jī)的工作過程及相關(guān)原理，教師進(jìn)行總結(jié)升華，進(jìn)而達(dá)到較好的教學(xué)效果。

(2)實(shí)例化教學(xué)。實(shí)例化教學(xué)，通過具體的實(shí)例講解和制作進(jìn)而達(dá)到知識(shí)教學(xué)的目的，此種教學(xué)方法能簡(jiǎn)化教學(xué)實(shí)施過程，提高教育直觀性。例如，在講授機(jī)器碼及IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)格式時(shí)，先講授編碼原理，然后通過板書詳細(xì)演示一個(gè)十進(jìn)制數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中如何進(jìn)行存儲(chǔ)，從而加深對(duì)基本概念和原理的理解。

(3)歸納總結(jié)法。歸納總結(jié)法是將零散的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分類歸納形成一個(gè)有條理、邏輯清晰的課程體系，便于學(xué)生掌握和記憶。讓學(xué)生清楚章內(nèi)各知識(shí)點(diǎn)的邏輯關(guān)系，章與章之間的聯(lián)系，進(jìn)而強(qiáng)化學(xué)生的知識(shí)體系。

(4)習(xí)題檢測(cè)法。習(xí)題檢測(cè)法主要利用典型的習(xí)題練習(xí)的形式來了解學(xué)生對(duì)基本理論知識(shí)的掌握情況進(jìn)而檢測(cè)教學(xué)效果。針對(duì)本門課程，將比較抽象的基本原理設(shè)計(jì)成習(xí)題，以課堂練習(xí)或課后作業(yè)的形式進(jìn)行布置，然后通過批改作業(yè)來掌握學(xué)生對(duì)習(xí)題的完成情況，進(jìn)而及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)中所存在的問題，最后通過習(xí)題講解來指出問題所在，對(duì)易錯(cuò)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)講解來糾正學(xué)生對(duì)知識(shí)的錯(cuò)誤理解，進(jìn)而達(dá)到良好教學(xué)效果。

2.3 融合教學(xué)手段

(1)傳統(tǒng)的教學(xué)手段。傳統(tǒng)教學(xué)手段是“黑板+粉筆”，其優(yōu)點(diǎn)是教師邊講邊寫，容易和學(xué)生形成互動(dòng)，而學(xué)生在做筆記的過程中也能加深對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解。然而由于“計(jì)算機(jī)組成原理”主要講述的是計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成及各組成的工作原理，內(nèi)容相對(duì)抽象，單純采用板書講解僅僅利用文字、語言描述將使知識(shí)顯得枯燥無味。

(2)多媒體教學(xué)。利用PowerPoint、Flash和屏幕錄像專家等多媒體開發(fā)軟件自行設(shè)計(jì)教學(xué)課件和教學(xué)錄像，采用投影儀或其他設(shè)備通過幻動(dòng)片的方式來投影到大屏幕上，然后根據(jù)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行針對(duì)性的講解。此種方法能將枯燥復(fù)雜的難點(diǎn)、重點(diǎn)知識(shí)利用語音、圖像、視頻、動(dòng)畫等方式把高度抽象的工作原理直觀生動(dòng)地顯示，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)手段的不足，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

(3)利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行線上教學(xué)。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，大量的互聯(lián)網(wǎng)資源涌現(xiàn)，如在線課程“慕課”開放。這些課程大多數(shù)是碎片化的知識(shí)點(diǎn)，是一組可擴(kuò)充的、形式多樣的內(nèi)容集合，內(nèi)容是由相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?、教育家、學(xué)科教師提供[4]，不受時(shí)間空間限制。因此，可以鼓勵(lì)學(xué)生利用這些資源進(jìn)行課下學(xué)習(xí)，起到加深理解及查漏補(bǔ)缺的作用。另外，利用互聯(lián)網(wǎng)上的資源采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，讓學(xué)生在課下先自學(xué)，課堂上答疑引導(dǎo)探究，以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。與此同時(shí)，建立“計(jì)算機(jī)組成原理”QQ群，實(shí)現(xiàn)線上的隨時(shí)答疑，增加學(xué)生與老師之間的互動(dòng)交流。

每種教學(xué)手段都有其優(yōu)點(diǎn)，在教學(xué)的過程中，采用多種教學(xué)手段相融合的方式，達(dá)到學(xué)生樂學(xué)愛學(xué)的效果。

2.4 利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)

(1)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，就是在固定的實(shí)驗(yàn)室利用模型儀器通過連線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而加深理解原理性的知識(shí)。此種方法形象直觀，能培養(yǎng)學(xué)生的嚴(yán)謹(jǐn)性。但由于硬件動(dòng)作的不可見性以及存在實(shí)驗(yàn)儀器元件老化、損壞以及連接線接觸不良等問題，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)透明度不高，成功率不高，并受時(shí)間空間的限制。另外，這些實(shí)驗(yàn)大部分是功能驗(yàn)證性，不能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。

(2)虛擬實(shí)驗(yàn)，就是通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來再現(xiàn)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算原理、存儲(chǔ)原理、指令的執(zhí)行過程。此種方法不受時(shí)空限制，不需在實(shí)驗(yàn)室完成，不需實(shí)驗(yàn)儀器，但要投入較大的資金來設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。

采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式來進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排上應(yīng)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由局部到整體，由個(gè)人實(shí)驗(yàn)到小組實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)初期進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，隨后安排一些設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生將理論和實(shí)踐緊密聯(lián)系，達(dá)到對(duì)計(jì)算機(jī)各功能組件原理有更直觀、更深入的理解和掌握。進(jìn)而提高學(xué)生設(shè)計(jì)方面的素質(zhì)和能力，從而取得較好的教學(xué)效果[1，2]。

3 結(jié)語

本文在分析軟件學(xué)院“計(jì)算機(jī)組成原理”教學(xué)所面臨的主要問題基礎(chǔ)上，主要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、實(shí)踐教學(xué)等方面提出一種多元化教學(xué)模式[11]。經(jīng)過近兩年的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生成績(jī)得到大幅度的提高，動(dòng)手實(shí)踐能力得到顯著增強(qiáng)，整體教學(xué)質(zhì)量得到明顯的提升。由于虛擬實(shí)驗(yàn)室需要大量的資金和人力才能完成，目前還處在設(shè)計(jì)階段。在今后的工作中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)將其逐漸完善，以提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平為立足點(diǎn)，以培養(yǎng)全面發(fā)展的高級(jí)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，進(jìn)一步推動(dòng)教育教學(xué)改革。