基于Blending—Learning的“計算機組成原理”

柏靜 陳莉 孫建彬 蘇強強

摘要：針對計算機組成原理課程教學特點，分析傳統教學存在的問題，提出采用。Blending-Learning理念的分層次教學模式和教學方法，闡述如何通過B/S架構的輔助教學系統，將傳統的以教師為中心的教學和學生的自主學習融為一體：激發學生興趣，獲得最佳的學習效果。

關鍵詞：計算機組成原理；Blending-Learning；分層次教學；虛擬實驗

背景

計算機組成原理是高等學校計算機專業及相關專業的核心課程之一，也是非計算機專業的學生掌握計算機技術的一門專業選修課程。該課程的主要目的是讓學生全面地了解計算機硬件系統，熟悉計算機的工作原理，掌握系統中各大部件的組成原理、邏輯實現、設計方法及互聯構成整機的技術，培養學生對硬件系統的分析、設計、開發、使用和維護方面的能力。

近年來，伴隨著信息技術的發展，個人計算機、PAD、手機成為每位學生的必備生活用品，各類教育者為增強學生的課余學習熱情，將“課堂教學—課后作業”的傳統課堂教學模式逐漸發展成為“在線自主學習—課堂教學—在線作業一延伸學習”的現代混合式教學模式。其中，如何針對課程特點，展示課程特色，充分發揮學生的學習自主性和能動性，是混合式教學模式的關鍵所在。因此，筆者針對該課程的基本概念較多、理論性強、比較抽象以及在部分高校缺乏實驗課程等特點，提出采用Blending-Learning理念的分層次教學模式和靈活多樣的教學方法，主張通過交流、協作進行學習和探索，以課上基礎理論教學為主，通過B/S架構的輔助教學系統，課下根據不同的層次自主學習為輔，一方面可以提高學生的學習主動性，鍛煉學習能力：另一方面可以增強教學的實效性。

2Blending-Learning下的分層次教學

Blending-Learning是課上與課下、線上與線下的有機結合，因此教師在構建計算機組成原理混合式教學平臺時，首先應該考慮施教的主體一學生的具體情況。根據學生的學習興趣和掌握基礎的不同，可以劃分為4個層次——基礎較差的學生、中等學生、優秀學生和考研的學生，對這4個層次分別展開教學。教師在課上講授該課程時，根據不同的層次開展教學，而課后學生根據老師課堂上的不同要求進行在線自主學習。

對于基礎較差的學生，由于各種原因，這類學生往往對于課上講授的內容不能理解的很透徹，需要通過課上及時補充所缺少的知識結構或者課后交流來彌補。比如，在講授運算器的工作原理時，教師可以快速復習一下數字邏輯電路中關于加法器的結構和原理；講授主存芯片和CPU的連接時，也會對譯碼器的工作過程作簡單的回顧。課后再要求這部分學生對相關課程的基礎內容進行復習，盡量融匯計算機學科的其他課程知識。在作業的布置上，主要是強調基礎知識的訓練，以必做題為主；因為必做題都是授課中最重要、最基本的內容，是必須完成的作業部分。另外，再布置一些變換思維的選做題，要求這部分學生盡其所能去理解；而提高題是專門針對優秀學生的能力培養素材，一般超出了課程教學要求的內容；所以就不做具體的要求。

優秀的學生對授課內容能主動學習，并且由于基礎好、理解能力也較強。在這個層次的教學安排，教師通過給這些學生額外再提出一些要求和建議，布置一些提高的作業題，比如讓學生分析高級語言的數據類型在機器中的實際表示和存儲，進一步引導學生思考如何合理使用高級語言數據類型。再如，分析計算機中高速緩沖存儲器的影響時，進一步引導學生思考如何讓程序有更好的空間局部性和時間局部性，使學生意識到改進程序效率的方法不僅僅是算法的效率，程序代碼一樣是重要的。教師還可以要求學生從網上搜索或者閱讀參考書來了解一些最新的技術等，比如CPU多核等。

中等的學生介于以上兩者之間。教師除了在課上強調對重點知識進行預習、復習之外，還可以在作業的布置上通過必做題來鞏固這類學生所學的知識，通過理解選做題和了解提高題來提升知識。

該課程一般是開設在大三的下學期，學生們經過兩年多的大學生活和學習，已經對自己的學習目的，就業設想和規劃有了比較清楚的認識；有一部分學生有計劃進入到研究生階段的學習，而該課程是計算機考研統考的課程之一；所以這個層次的教學安排，除了在課上按照教學大綱的要求完成教學以外，教師還可以根據考研大綱制作重點知識分析的課件；按照計算機組成結構課程的考試大綱，收集大量的參考書中的習題、歷年各個重點高校的考研真題，以及最近幾年計算機考研統考電的真題。教師把這些資料提供給考研的學生，并在學期末找課外的時間進行統一的指導和典型考題的講解；并通過課后交流的方式進行基礎較差學生的指導。

3多樣化的教學方法

在該課程的課上教學中，教師可以充分發揮多媒體這一廣泛使用的教學手段，以便通過實物照片、結構原理圖和文字信息等，生動、形象地將計算機各部件組成的基本概念和工作原理闡述清楚。在此基礎生教師還可以通過設計與開發計算機系統工作的仿真與動畫軟件，將學生不易理解的復雜、抽象的問題簡單化、形象化。例如，筆者所在的教師團隊用Flash軟件設計了Cache工作過程的小動畫，通過該動畫，學生可以形象、直觀地看到Cache內部的地址映射機構、替換機構和總線等器件是如何交互工作，實現不需要任何程序員的管理，靠硬件來完成CPU和Cache之間的訪問過程。在采用多媒體教學的同時，教師還可以注重采用實例教學、類比教學、啟發式教學和對比教學等多種教學方法的靈活應用。

3.1實例教學

例如，在講述IEEE754標準的浮點數時，通過舉例將一個任意數轉換為標準浮點數或者反轉換，就能使學生明白用高級語言定義的浮點數是如何在計算機中表示的，同時還可以在舉例過程中對整數部分和小數部分的進制轉換，以及浮點數的表示范圍和表示精度進行講解和歸納，使學生對其他關聯的知識點加深印象。所以，上課時通過一些實例，學生能很快地了解和掌握所學的知識點，尤其是對一些計算性很強的知識，還可以掌握其中的一些計算技巧。

3.2類比教學

如果上課時采用類比教學，則能讓一些抽象的不容易理解的概念變得生動形象，使學生更容易牢固掌握。例如，在第一章講解主存儲器概述時，涉及一些存儲地址、存儲單元和存儲元件這樣的概念，學生可能是第一次接觸到，覺得比較抽象也容易混淆。講解時可將主存儲器比作一棟大樓，存儲單元對應于樓里的房間，而房間號就比作是存儲地址，房間里的床位對應于存儲元。這樣，一連串的知識概念都可以很形象具體地用類比的方式講解清楚。

3.3啟發式教學

在課上采用啟發式教學方法在各個章節提出適當的問題，可以引導學生主動地去學習，例如在講授指令流水線這一節課前，可以安排學生去思考前面所學的計算機部件中有哪些提高速度的方法，CPU是否可以借用這些方法來提高速度。通過這種方式一方面可以激發學生的學習興趣，另一方面通過自己思索得到的知識掌握起來也更加印象深刻。

3.4對比教學

在教學中通過進行橫向和縱向的知識點對比，可以引導學生將知識點融會貫通。所謂橫向，是指通過聯系和比較章節與章節之間的內容來實現對知識點的理解。比如在系統總線這一章中介紹了總線的判優方式，而在輸入輸出系統這一章中要介紹DMA接口與系統的連接方式，而DMA接口是總線的主模塊，所以它的連接實際上就是總線判優方式的應用實例。這樣學生在對以前知識點回憶的基礎上再來掌握新的知識就不難了。所謂縱向，是指通過各章自身內容的對比來理解知識點。比如在計算機的運算方法這一章中，浮點數是一個學習難點。而定點數學生比較容易掌握。但實際上兩者是緊密聯系的，浮點數就是定點數的一個綜合應用，浮點數的階碼就是定點整數，浮點數的尾數就是定點小數，所以以定點數的內容為基礎，學生就比較容易地理解浮點數的表示和運算等知識點了。總之，計算機組成原理課程的知識點雖然多，但它們不是孤立存在的，而是之間有著千絲萬縷的聯系，所以在講授課程時提醒學生注意，引導學生自己學會聯系和比較，這樣在學習的過程中就不再覺得枯燥乏味，難以理解了。

4Blending-Learning教學系統

4.1系統框架結構設計

在前面分層次教學模式和教學方法的基礎上，筆者所在的教師團隊設計開發了一個Blending-Learning.教學系統，見圖1。本系統按照教學需求分析，劃分為教學模塊、虛擬實驗模塊、信息查詢模塊和用戶信息模塊：其中，教學模塊是對課程教學的一個補充，包括教學視頻和教學課件兩個部分。教學視頻可以對各個章節的知識點進行補充聽課或者預習、復習，教學課件可以用于瀏覽或者重點查看所學的內容；虛擬實驗模塊用來模擬實物芯片和各個部件功能的實驗過程；用戶信息模塊可以對用戶情況進行管理；信息查詢模塊可以查詢實驗項目的相關信息，監督學生的實驗情況。

4.2系統實現

本系統基于B/S架構，采用一當前流行的MVC設計模式，和當前技術比較成熟的SSH開源框架來實現。其中，虛擬教學模塊由教學視頻和教學課件等構成在教學視頻上。學生可以按照章節來觀看授課視頻學習，完成一定的作業，或者下載課件等其他電子資料，并且將疑難問題留言交流。虛擬實驗模塊由芯片實驗、模塊實驗和綜合實驗構成，完成從硬件底層對芯片的操作后，可以看到計算機內部的運行方式，然后用芯片組成基本模塊單元，從而逐步上升至整個計算機系統，如圖2所示。在教學過程中，教師通過建議學生進行虛擬實驗來提高開發實踐能力，增強學生對硬件系統的感性認識，理解計算機硬件系統中各大部件的組成原理、邏輯實現、設計方法及互連構成整機的技術。

5結語

在計算機組成與結構的教學活動中，通過Blending-Learning理念下的分層次教學、多樣化的教學方法和輔助教學系統，既發揮了教師引導、啟發、監控教學過程的主導作用，又充分體現了學生作為學習過程主體的主動性、積極性與創造性。在下一步計劃中，將根據學生的使用體驗和課程學習的評價標準兩方面，來進一步完善輔助教學系統，并在小班試點的基礎上進行全面推廣。