應(yīng)用型本科“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)改革探索

摘要:作為應(yīng)用型本科院校計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”，傳統(tǒng)的教學(xué)方法和教學(xué)模式很難達(dá)到教學(xué)目標(biāo)與要求，本文結(jié)合該課程的性質(zhì)和地位，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面，對(duì)這門課程的教學(xué)改革進(jìn)行分析和創(chuàng)新探討。

關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu);教學(xué)改革;分層次教學(xué);創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

1課程的性質(zhì)和地位

規(guī)范計(jì)算機(jī)教學(xué)知識(shí)體系在教學(xué)過程中能夠起到很好的作用，參照IEEE/ACM發(fā)布的計(jì)算機(jī)學(xué)科本科教學(xué)參考計(jì)劃(Computing Curricula 2001，簡(jiǎn)稱CC2001 http://www.acm.org/education/curricula-recommendations)，不同類型的本科院校對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)都制定了各自學(xué)科的教學(xué)計(jì)劃。在CC2005(Computing Curricula)中將計(jì)算機(jī)學(xué)科分為計(jì)算機(jī)工程(Computer Engineering-CE)、計(jì)算機(jī)科學(xué)(Computer Science-CS)、信息系統(tǒng)(Information System-IS)、信息技術(shù)(Information Technology-IT)和軟件工程(Software Engineering-SE)5個(gè)專業(yè)，圖1為針對(duì)每個(gè)專業(yè)的特點(diǎn)和要求所提出的知識(shí)架構(gòu)。

圖1The problem space of computing

橫軸分為理論和應(yīng)用兩個(gè)方面，而縱軸分為計(jì)算機(jī)硬件與結(jié)構(gòu)(Computer Hardware and Architecture)、系統(tǒng)基礎(chǔ)(Systems Infrastructure)、軟件方法和技術(shù)(Software Methods and Technologies)、應(yīng)用技術(shù)(Application Technologies)和信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(Organizational issues Information Systems)5個(gè)層次，不同專業(yè)對(duì)每個(gè)層次的要求不一樣。CC2005中基于上述層次結(jié)構(gòu)明確指出計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)和計(jì)算機(jī)工程專業(yè)都應(yīng)該掌握計(jì)算機(jī)硬件與結(jié)構(gòu)方面的課程知識(shí)，并且對(duì)不同專業(yè)的每一門課程的地位、知識(shí)范疇和教學(xué)方法等做了詳細(xì)的說明。圖2為Computer Architecture課程的編號(hào)體系，課程分為四個(gè)級(jí)別:入門課程、中級(jí)課程、高級(jí)課程和具體項(xiàng)目課程，不同的課程對(duì)應(yīng)不同的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)方法。

圖2CC2005課程編號(hào)體系

作者簡(jiǎn)介:韓英(1979-)，女，助教，本科，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)的教學(xué)與研究;嚴(yán)誠(chéng)(1983-)，男，講師，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的教學(xué)與研究;荀啟峰(1979-)，男，講師，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)的教學(xué)與研究。

“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”作為計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的中級(jí)課程來講要求采用精簡(jiǎn)的、系統(tǒng)的、主題教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法。通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生在掌握理論的基礎(chǔ)上，通過實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)、使用和維護(hù)的能力，為后繼課程的學(xué)習(xí)和將來從事相關(guān)的計(jì)算機(jī)研究工作打下良好的基礎(chǔ)。

2教學(xué)改革

2.1抓課程核心，合理安排講授內(nèi)容，突出硬件重點(diǎn)

該課程主要是介紹單處理器計(jì)算機(jī)的組成原理與結(jié)構(gòu)體系，內(nèi)容主要包括計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算實(shí)現(xiàn)、存儲(chǔ)器組織與結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、中央處理器等。由于該課程屬于硬件基礎(chǔ)課，其本身的特性決定了課程內(nèi)容之間相對(duì)獨(dú)立、知識(shí)點(diǎn)零散，目前很多教材沒有做到體現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體性，且傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)模式存在很多問題，所以這門課程的教與學(xué)都比較困難。

針對(duì)教與學(xué)的現(xiàn)狀以及出現(xiàn)的問題，很多高校對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行著探索性的改革，為了在教學(xué)中讓學(xué)生能夠形成清晰完整的概念，需要合理的安排內(nèi)容。比如，首先應(yīng)該給出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)，然后從具體的運(yùn)算實(shí)例出發(fā)(比如 “5+8*3”)來介紹微機(jī)的功能和工作過程，進(jìn)而引出整個(gè)課程的主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生把握課程整體的方向，為學(xué)習(xí)以后的內(nèi)容打下基礎(chǔ)，在講解具體部件原理時(shí)，始終堅(jiān)持“突出整機(jī)概念”為主線，這樣把握著課程核心目標(biāo)，進(jìn)一步安排教學(xué)內(nèi)容。[1-2]對(duì)于基礎(chǔ)性的知識(shí)注重硬件原理的講解，而對(duì)于發(fā)展較快、具有時(shí)代意義的技術(shù)性內(nèi)容，老師應(yīng)該做到跟蹤前沿技術(shù)，在課堂上補(bǔ)充講解。老師可以讓學(xué)生參與課題研究，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，保證教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)性和先進(jìn)性的統(tǒng)一。

2.2理論性和實(shí)踐性相統(tǒng)一的分層次教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力

“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”課程的理論教學(xué)主要講解計(jì)算機(jī)組織和計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)兩方面的內(nèi)容。理論教學(xué)內(nèi)容偏重原理性的知識(shí)，十分抽象，例如講解CPU和存儲(chǔ)器連接技術(shù)時(shí)，教學(xué)中無法做到兩者實(shí)物引腳的連接，只能通過原理性的知識(shí)去講解其連接技術(shù)和讀寫工作原理;在講解各個(gè)部件互連技術(shù)時(shí)，涉及到對(duì)程序員透明的硬件細(xì)節(jié)問題，如控制信號(hào)、節(jié)拍電位機(jī)制以及硬件門電路技術(shù)等。

實(shí)際上，教學(xué)的要求不僅僅掌握其原理性的知識(shí)，還要求掌握關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)方法，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。教學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容應(yīng)不斷更新，做到追蹤新原理、新技術(shù)、新方法和新器件，并及時(shí)反映到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為了達(dá)到通過不同類型實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力，實(shí)驗(yàn)可采用分層次教學(xué):基本實(shí)驗(yàn)→開放性實(shí)驗(yàn)→綜合性實(shí)驗(yàn)→研究性實(shí)驗(yàn)。[3]基本實(shí)驗(yàn)是配合理論教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的理解而開展，可以在平常的實(shí)驗(yàn)中開設(shè)，比如運(yùn)算器、存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)等;開放性實(shí)驗(yàn)是為了進(jìn)一步提高教學(xué)水平培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，讓學(xué)生了解這門課程先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)展，可以借用學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)來開設(shè)開放性實(shí)驗(yàn)，比如“接口技術(shù)”;而綜合性實(shí)驗(yàn)為了培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和分析解決問題的能力，可以在課程設(shè)計(jì)中開設(shè)，比如為了能使建立完整的微機(jī)概念，除了在理論教學(xué)中突出整機(jī)概念外，在課程設(shè)計(jì)中結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)給出基本模型機(jī)和復(fù)雜模型機(jī)的具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)技術(shù);研究性實(shí)驗(yàn)是更高層次的要求，是為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和研究能力，可以安排在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段。這樣的分層次教學(xué)和堅(jiān)持理論和實(shí)踐相統(tǒng)一的原則，更有利于培養(yǎng)計(jì)算機(jī)專業(yè)的硬件人才。

2.3多媒體技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)方法的改革，激勵(lì)學(xué)生思維活動(dòng)

創(chuàng)新思維活動(dòng)是建立在原有知識(shí)體系基礎(chǔ)之上的一種活動(dòng)，學(xué)生良好思維習(xí)慣的形成需要在平常專業(yè)學(xué)習(xí)中培養(yǎng)，可以在課堂教學(xué)中采用多樣的教學(xué)手段有效激發(fā)學(xué)生的思維。比如將多媒體技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中，借助于直觀的圖形和動(dòng)畫的形式將抽象的問題進(jìn)行分解，為學(xué)生建立形象化的思考過程，有利于學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的理解，同時(shí)也有利于學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的積累。我院在“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”的教學(xué)的改革探索中，將網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)，建立共享型的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源平臺(tái)，并配合雙語課程構(gòu)建了開放式的課程學(xué)習(xí)環(huán)境。該課程的教學(xué)大綱、多媒體課件、習(xí)題、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)以及講課錄象都以網(wǎng)絡(luò)的形式提供給學(xué)生，同時(shí)學(xué)院針對(duì)這門課程建設(shè)了配套的試題庫(kù)、試卷庫(kù)。學(xué)生不僅可以通過網(wǎng)絡(luò)查詢資料，還可以通過網(wǎng)絡(luò)課程自主學(xué)習(xí)，自測(cè)效果。多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的教學(xué)手段更靈活、更便捷。便于學(xué)生理解和思考、便于師生交流，達(dá)到互動(dòng)學(xué)習(xí)的目的。

2.4 采用互動(dòng)式教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

在教學(xué)中為了更好的達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，應(yīng)采用互動(dòng)式的教學(xué)方法，強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。[4]建構(gòu)主義理論指出學(xué)習(xí)不是由教師把知識(shí)簡(jiǎn)單地傳遞給學(xué)生，而是學(xué)生自己建構(gòu)知識(shí)的過程，學(xué)生不是簡(jiǎn)單被動(dòng)地接受信息，而是主動(dòng)地建構(gòu)知識(shí)，這種建構(gòu)是無法由他人來代替的，這里強(qiáng)調(diào)是一種“情境”，即環(huán)境的情境必須有利于學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的建構(gòu)。“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”課程的學(xué)習(xí)在絕大部分院校都是利用多媒體課件進(jìn)行講授，以老師為中心、以強(qiáng)調(diào)知識(shí)傳授為主體，這種灌輸式教學(xué)無法調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和參與性。

建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，認(rèn)為教師的教學(xué)設(shè)計(jì)不僅僅考慮教學(xué)目標(biāo)分析，還要考慮有利于學(xué)生學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)作，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，把學(xué)生的角色進(jìn)行轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)的知識(shí)被動(dòng)接受者轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓庸み^程中的主體，也就是知識(shí)的主動(dòng)建構(gòu)者，而在教學(xué)的過程中教師起組織、指導(dǎo)、幫助和促進(jìn)作用，利用情境設(shè)計(jì)，互相協(xié)作、交流等方式調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)和應(yīng)用能力。在教學(xué)方法創(chuàng)新中，我們還做了如下嘗試:(1)采用啟發(fā)式教學(xué)調(diào)動(dòng)學(xué)生的思考性;(2)重點(diǎn)的內(nèi)容采用討論式教學(xué)，加強(qiáng)互動(dòng)性;(3)簡(jiǎn)單的內(nèi)容讓學(xué)生自學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力;(4)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容采用研究式，讓學(xué)生主動(dòng)參與。如此通過各種教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，以及情境式的構(gòu)建來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

2.5針對(duì)教學(xué)內(nèi)容的組織，采用新穎的教學(xué)方法

針對(duì)這門課程的特點(diǎn)和大綱要求，我們可以采用如圖3所示的教學(xué)方法。采用從整體到局部和從局部到整體，始終突出整機(jī)概念的教學(xué)方法。[5]

圖3教學(xué)方法示意圖

首先給出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，然后引出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的三大組成部分:中央處理器、存儲(chǔ)器系統(tǒng)和I/O設(shè)備。三大部件通過系統(tǒng)總線相連，這樣有利于學(xué)生建立整機(jī)的概念，把握課程的總體方向。而在講述到某部件具體細(xì)節(jié)(知識(shí)點(diǎn))的時(shí)候，采用的是從局部到整體的教學(xué)方法，比如對(duì)于運(yùn)算方法和運(yùn)算器的教學(xué)。如果學(xué)生沒有學(xué)習(xí)表示和運(yùn)算數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，根本無法做到理解運(yùn)算器的原理與結(jié)構(gòu)。所以對(duì)于“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”課程的內(nèi)容講解，需要針對(duì)不同知識(shí)點(diǎn)的特點(diǎn)采用從整體到局部和從局部到整體的教學(xué)方法。

在“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”的教學(xué)改革探索中，除了上述的改革以外我們還做了關(guān)于教學(xué)組織管理制度的改進(jìn)，比如集體備課、雙教案、自編實(shí)驗(yàn)教材以及和外校共同進(jìn)行教考分離等，目的是通過這些方法改進(jìn)、改變傳統(tǒng)的教學(xué)。

3總結(jié)

“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”課程包括理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)方面，只有教學(xué)與實(shí)驗(yàn)緊密集合，才能起到良好的教學(xué)效果，課程的知識(shí)點(diǎn)多、原理性強(qiáng)，這給本課程的教與學(xué)都帶來了很大的困難，為了達(dá)到教學(xué)大綱的目標(biāo)和要求，需要教師在教學(xué)方法和內(nèi)容上不斷的改進(jìn)，并且通過課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。通過對(duì)“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)改革探討，認(rèn)識(shí)到只有通過改革才能提高教學(xué)質(zhì)量，才能培養(yǎng)出適應(yīng)社會(huì)的應(yīng)用型人才。