“計算機(jī)組成原理”課程的教學(xué)改革與實踐

蔣永國　郭忠文　馮　源　洪　鋒　徐慧敏

摘要:本文根據(jù)“計算機(jī)組成原理”課程具體情況,結(jié)合硬件教學(xué)特點(diǎn),提出教學(xué)改革建議:動態(tài)合理組織和增刪相關(guān)教學(xué)內(nèi)容,加強(qiáng)三級實驗體系環(huán)節(jié),促進(jìn)理論教學(xué),對實驗教學(xué)采用CAI教學(xué)法,采用“建構(gòu)主義”的教學(xué)模式,建立試卷庫,強(qiáng)化教師自我素質(zhì)。

關(guān)鍵詞:計算機(jī)組成原理;三級實驗體系;CAI教學(xué)法;建構(gòu)主義

中圖分類號:G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

1引言

“計算機(jī)組成原理”作為計算機(jī)專業(yè)硬件課的核心課程,地位重要,既要注重基礎(chǔ)性,又要體現(xiàn)時代性。目前學(xué)生就業(yè)以軟件設(shè)計為主,學(xué)生會疑問:學(xué)習(xí)本課對以后工作有什么用處?授課老師不能回避。David A. Patterons指出,“軟件系統(tǒng)性能取決于軟件設(shè)計者對系統(tǒng)中硬件的理解程度。操作系統(tǒng)設(shè)計者、更多的軟件工程師需要有較強(qiáng)的計算機(jī)組織與設(shè)計的背景知識。”因此要站在學(xué)生個人發(fā)展制高點(diǎn)上解釋本課程重要性和地位,改變“輕硬件”的錯誤觀念。

師生對本課程普遍反映“難教、難學(xué)”,是由本課自身的特點(diǎn)決定的。首先,計算機(jī)組成原理的技術(shù)描述占主要,既沒有類似離散數(shù)學(xué)的證明、推導(dǎo),又沒有類似數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法介紹,學(xué)生會覺得“理論、規(guī)律性不強(qiáng)”。第二,概念多,比較抽象,加上計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了很多新概念、新技術(shù)。同時,本課程是一門理論與實踐性很強(qiáng)的專業(yè)課,不但需要精心安排理論授課,還要高度重視實驗課的教學(xué)。

在國內(nèi)計算機(jī)硬件人才培養(yǎng)弱化的環(huán)境下,從培養(yǎng)應(yīng)用性人才出發(fā),使學(xué)生既掌握計算機(jī)系統(tǒng)各部分的工作原理,又具有較強(qiáng)的實際動手能力,改變當(dāng)前學(xué)生“重理論、輕實踐,重軟件、輕硬件”的狀況,就成為我們這次“計算機(jī)組成原理”課程改革的主要問題。

2教學(xué)改革與實踐

如何改革“計算機(jī)組成原理”課程,以提高其教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量,使它跟上計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展步伐,是我們當(dāng)前亟待解決的問題。在多年的教學(xué)實踐基礎(chǔ)上,我們對這門課程的教學(xué)進(jìn)行了一些探索,本文主要從五個方面討論和總結(jié)本課程教學(xué)改革實踐情況。

2.1根據(jù)教學(xué)大綱和計算機(jī)的最新發(fā)展合理組織教學(xué)內(nèi)容

在教學(xué)內(nèi)容的編排上,依據(jù)教學(xué)大綱,重點(diǎn)突出,詳略得當(dāng)。每一章的內(nèi)容都分為精講和選講兩部分,選講部分放手讓學(xué)生自學(xué)或討論,既培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力,又節(jié)約了課時,避免了全堂灌輸?shù)摹疤铠喿印笔浇虒W(xué)。精講部分則要求授課老師講細(xì)、講透,并結(jié)合當(dāng)今計算機(jī)技術(shù)的最新發(fā)展動態(tài),適當(dāng)增加有關(guān)計算機(jī)各部件的演變歷史和最新技術(shù)知識,既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,又彌補(bǔ)了教材與實際的脫節(jié),提高了這門課的使用價值。例如在講各個部件原理時候,結(jié)合《ACM圖靈獎——計算機(jī)發(fā)展史的縮影》和《IEEE計算機(jī)先驅(qū)獎——計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)明史》兩本書,講述計算機(jī)部件或者重要原理的發(fā)明者或設(shè)計者是如何攻關(guān)和鉆研的,學(xué)生對結(jié)合歷史講解原理的方式非常有興趣,教師引導(dǎo)學(xué)生在制定個人專業(yè)發(fā)展目標(biāo)上要有超越這些杰出人物的設(shè)想,從而引發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。

2.2加強(qiáng)三級實驗體系環(huán)節(jié),注重應(yīng)用能力的培養(yǎng)

“計算機(jī)組成原理”課程屬于工程性、技術(shù)性和實踐性都特別強(qiáng)的一門課程,因此,在開展好理論教學(xué)的同時,對實驗教學(xué)環(huán)節(jié)必須給予足夠的重視。通過實驗課教學(xué),使學(xué)生具有較強(qiáng)的分析問題和解決問題的能力,以適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展。從2000年起,我系開設(shè)了“計算機(jī)組成原理”實驗,并為之配置了配套的清華大學(xué)儀器廠的實驗設(shè)備TEC-2、TEC-2000,通過近年7個班的近700名學(xué)生的實驗教學(xué),總結(jié)出了“5+1”模式的三級實驗體系結(jié)構(gòu),即“5個分解實驗”加“1門課程設(shè)計”,“5個分解實驗”分別為:運(yùn)算器、微程序控制器、主存儲器擴(kuò)展、并行接口電路I/O實驗和多級中斷實驗,“一門課程設(shè)計”即整機(jī)組裝實驗。它們隨課程進(jìn)度分散在不同階段完成,這樣可使學(xué)生對計算機(jī)的每一部分都有深入的了解,以加深理解理論知識。

2.2.1三級實驗體系

將上述實驗分為基礎(chǔ)模塊實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗的三級實驗教學(xué)體系。

第一,基礎(chǔ)模塊實驗階段。學(xué)習(xí)基本實驗儀器的使用、基本實驗方法和技術(shù)、實驗機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成。通過設(shè)計一系列小實驗的驗證和應(yīng)用,要求學(xué)生掌握實驗系統(tǒng)單元模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及相關(guān)電子芯片的基本邏輯,理解單元模塊的工作原理及該單元模塊在整機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

第二,綜合性實驗階段。學(xué)習(xí)“計算機(jī)組成原理”這門課程的主要目的是讓學(xué)生建立整機(jī)思想,在掌握單元模塊工作原理的基礎(chǔ)上掌握計算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)地協(xié)調(diào)運(yùn)行。為了達(dá)到這一教學(xué)目的,我們在教學(xué)內(nèi)容中安排了一定量的綜合設(shè)計實驗,要求學(xué)生通過一系列此類實驗掌握整機(jī)運(yùn)行模式,讓學(xué)生通過實踐,建立牢固的整機(jī)思想,進(jìn)一步深刻理解理論知識。

第三,設(shè)計性實驗階段。這一實驗階段是原理應(yīng)用能力的培養(yǎng)階段。通過這一階段的系列實驗,要求學(xué)生能利用在第二階段建立的整機(jī)思想,對指導(dǎo)教師提出的課題任務(wù),提出解決方案,陳述原理的應(yīng)用,自主設(shè)計實驗所用的單元模塊以及實驗步驟,進(jìn)而通過實踐得出實驗結(jié)論。學(xué)生在這一階段,通過自主實驗的設(shè)計,從成功與失敗中受到訓(xùn)練,得到整體素質(zhì)提高。

2.2.2CAI實驗教學(xué)和合理考核

在上述三級實驗教學(xué)體系過程中,我們采用以下的教學(xué)方法和比例合適的考核方法。

第一,采用CAI實驗教學(xué)法,改變學(xué)生“手忙腳亂”的實驗習(xí)慣。

在實驗教學(xué)中,如果教師在黑板上使用板書展示實驗儀器,會使學(xué)生感覺到很枯燥,分組講解又使教師工作量特別大,而且很抽象,影響教學(xué)質(zhì)量。因此我們采用先進(jìn)的多媒體教學(xué)手段,生動形象地反映出實驗教學(xué)的全過程,利用Authorware、Flash等多媒體開發(fā)軟件,自行設(shè)計、制作課件(計算機(jī)組成原理實驗),對實驗設(shè)備所提供的功能進(jìn)行全方位的描述。TEC-2000實驗計算機(jī)系統(tǒng)是一臺高度集成化的實驗臺,在做手動控制實驗時,必須撥動較多開關(guān)、按鈕。以前幾十個學(xué)生圍擠在一臺儀器前聽講解,部分學(xué)生根本無法看清聽清,嚴(yán)重影響實驗教學(xué)效果。而采用先進(jìn)的多媒體教學(xué)手段,如采用實物投影儀或計算機(jī)多媒體系統(tǒng),教師可將儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖、實物圖、工作原理邏輯框圖等制成幻燈片,上課時把它投影到大屏幕上,再結(jié)合實驗設(shè)備進(jìn)行講解,學(xué)生分散坐在自己座位上,結(jié)合實驗設(shè)備邊聽邊看,使過去復(fù)雜、單調(diào)的內(nèi)容變得直觀、生動,充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,增強(qiáng)實驗效果,提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

第二,科學(xué)合理的實驗操作流程和實驗成績考核方法。

在每一個實驗前,由教師布置實驗任務(wù)和目的,然后由學(xué)生設(shè)計并完成實驗,這就要求學(xué)生在每一個實驗之前查閱大量資料,做好設(shè)計工作,實驗之后能總結(jié)實驗結(jié)果寫出相應(yīng)的實驗分析。期末理論考核成績占70%,實驗考核成績占20%和平時考核占10%。實驗成績分為實驗準(zhǔn)備、實驗檢查和實驗報告,實驗準(zhǔn)備占20%、實驗檢查占60%和實驗報告占20%。

2.3采用“建構(gòu)主義”的教學(xué)模式,理論推導(dǎo)為主的教學(xué)方法

所謂“建構(gòu)主義”,即以學(xué)生為中心,在整個教學(xué)過程中由教師起組織者、指導(dǎo)者、幫助者和促進(jìn)者的作用,利用情境、協(xié)作、會話等學(xué)習(xí)環(huán)境要素,充分發(fā)揮學(xué)生的主動性、積極性和首創(chuàng)精神,最終達(dá)到使學(xué)生有效地實現(xiàn)對當(dāng)前所學(xué)知識的意義建構(gòu)的目的。

“計算機(jī)組成原理”理論性強(qiáng)、概念多、抽象,很多學(xué)生一直到整個課程學(xué)習(xí)完畢,都不知道學(xué)了什么,似懂非懂,沒有真正參與到學(xué)習(xí)過程中去,完全靠死記硬背記住一些知識點(diǎn),各個知識點(diǎn)之間無法銜接,也就無法形成該課程的整體框架。因此,要改變“計算機(jī)組成原理”的教學(xué)效果,就必須在教學(xué)過程中充分體現(xiàn)“建構(gòu)主義”的教學(xué)思想,以學(xué)生為中心,實行以理論推導(dǎo)為主的教學(xué)方法。在每一個新內(nèi)容講授之前,教師可以先對上一個內(nèi)容進(jìn)行簡單扼要的總結(jié),然后承上啟下地誘導(dǎo)出“接下來的內(nèi)容將要解決的是什么問題”或者“既然用這一種方法來解決問題存在著這樣缺點(diǎn),那么,還有什么更先進(jìn)的方法”等問題,把它作為任務(wù),交給學(xué)生去分析、討論,學(xué)生有了明確的學(xué)習(xí)目標(biāo),就會投入到學(xué)習(xí)中去,發(fā)揮自身的主觀能動性,這樣既抓住的課程的主線,又極大地培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新能力和協(xié)作能力。

2.4建立“計算機(jī)組成原理”試卷庫,提高教學(xué)質(zhì)量

根據(jù)教材及大綱要求,參考往年全國各高校考研試題、2009年以后全國計算機(jī)專業(yè)課統(tǒng)考試題以及國外教材的習(xí)題,我們建立了60份專門提供給學(xué)生的“計算機(jī)組成原理”試卷庫,該試題庫每隔2年更新一次。試卷庫涵蓋了學(xué)生必須掌握的所有知識點(diǎn),但各套試卷中題目并不相同,學(xué)生通過復(fù)習(xí),如果對60套試卷中的題目達(dá)到“四會”(計算、回答、分析、設(shè)計),我們的教學(xué)目的也就達(dá)到了。為了避免少數(shù)學(xué)生死記硬背,教師手中的期末考試試卷中必須含有一定比例的隨機(jī)補(bǔ)充或更新試題,否則影響教學(xué)效果的評價。試卷庫的建立大大減輕了教師工作量,也保證了教學(xué)質(zhì)量,成為衡量教學(xué)效果的一個重要指標(biāo)。

2.5改變傳統(tǒng)觀念,強(qiáng)化教師自我素質(zhì),提高教學(xué)能力

教學(xué)改革的成功關(guān)鍵是要提高授課教師的自我素質(zhì),以適應(yīng)現(xiàn)代開放式教學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。作為一個高校教師,應(yīng)該通過不斷學(xué)習(xí),強(qiáng)化自我素質(zhì),以期達(dá)到教學(xué)思想、教學(xué)理念的更新,教學(xué)模式、教學(xué)方法的更新,知識結(jié)構(gòu)、技術(shù)層次的更新,教學(xué)技術(shù)、教學(xué)手段的更新。例如2008年4月,本人帶隊參加了“產(chǎn)學(xué)研多核技術(shù)青年骨干教師高級研修班”,和兄弟院校及Intel公司技術(shù)人員進(jìn)行了多核新知識體系的交流與學(xué)習(xí),并且于2008年秋季學(xué)期對本課程進(jìn)行了多核課程建設(shè)的初步嘗試。

3結(jié)束語

作為研究型大學(xué),在培養(yǎng)學(xué)生過程中,要注意授課模式必須結(jié)合自身科研進(jìn)行講解,授課教師要結(jié)合自己的科研、論文的具體示例來講解課程,提高學(xué)生的課堂聽課效率,讓學(xué)生從本科階段就關(guān)注如何進(jìn)行科研活動,從而激發(fā)學(xué)生做一個研究型的學(xué)生。同時給學(xué)生布置1～2篇綜述性的小文章,讓學(xué)生通過利用網(wǎng)絡(luò)資源查閱相關(guān)文獻(xiàn),在課程內(nèi)采用Seminar的形式討論交流,以提高學(xué)生分析與交流的能力,從而增強(qiáng)學(xué)生的研究動手能力。

總之,利用計算機(jī)教學(xué)中的創(chuàng)造性因素,大膽地讓學(xué)生自由發(fā)揮,從而改變“滿堂灌”的弊病,形成以學(xué)生為中心的生動活潑的學(xué)習(xí)局面,需要我們不斷地努力進(jìn)取,優(yōu)化教學(xué)設(shè)計,以先進(jìn)理論來展現(xiàn)全新的教學(xué)思路,從而在計算機(jī)硬件課程教學(xué)中探索出“扎實的理論基礎(chǔ)和創(chuàng)新技能相結(jié)合”教育的嶄新天地。

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Teaching Reform&Practice of the Course “Computer Organization Principles”

JIANG Yong-guo, GUO Zhong-wen, FENG Yuan, HONG Feng, XU Hui-min

(Information College, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Abstract: According to practical cases of the course “Computer Organization Principles”,this paper puts forwards reform proposals combined with hardware: Pay attention to the importance and objectives of this course; Dynamically organize teaching content; Strengthen the three-layer experimental system; Promote theory-teaching,and CAI experiment-teaching; under the theory of Constructivist Learning Theory,create exam-database and strengthen self-development of teacher.

Key words: computer organization principles; three-layer experimental system; CAI; constructivism